Внутренние прерывания
К внутренним событиям относятся переполнение разрядной сетки при выполнении арифметических операций, попытка деления на 0, извлечение корня четной степени из отрицательного числа и т.п., появление несуществующего кода команды, обращение программы в область памяти, для нее не предназначенную, сбой при выполнении передачи или операции в АЛУ и многое другое. Внутренние прерывания должны обеспечиваться развитой системой аппаратного контроля процессора, поэтому они не получили широкого распространения в простых 8- и 16-разрядных МП.
Внешние прерывания
Внешние прерывания могут возникать во внешней по отношению к процессору среде и отмечать, как аварийные ситуации, так и нормальные рабочие события, которые происходят в случайные моменты времени (нажатие клавиши на клавиатуре, исчерпан буфер принтера или ВЗУ и т.п.). Во всех этих случаях требуется прервать выполнение текущей программы и перейти на выполнение другой программы (подпрограммы), обслуживающей это событие.
Функции подсистемы прерываний и их реализация
1) обнаружение изменения состояния внешней среды (запрос на прерывание);
2) идентификация источника прерывания;
3) разрешение конфликтной ситуации в случае одновременного возникновения нескольких запросов (приоритет запросов);
4) определение возможности прерывания текущей программы (приоритет программ);
5) фиксация состояния прерываемой (текущей) программы;
6) переход к программе, соответствующей обслуживаемому прерыванию;
7) возврат к прерванной программе после окончания работы прерывающей программы.
Различают два типа входов запросов на прерывания - радиальные и векторные. Процессор анализирует состояние входов запросов в конце каждого машинного цикла. Получив запрос на прерывание, процессор должен идентифицировать его источник, т.е. в конечном счете, определить начальный адрес обслуживающей это прерывание программы. Способ идентификации зависит от типа входа, на который поступил запрос. Каждый радиальный вход связан с определенным адресом памяти, по которому размещается указатель на обслуживающую программу или сама программа. Если на радиальный вход поступает несколько запросов, то необходимо осуществить программную идентификацию источника путем последовательного (в порядке убывания приоритетов) опроса всех возможных источников прерывания. Этот способ не требует дополнительных аппаратных затрат и одновременно решает проблему приоритета запросов, однако время реакции системы на запрос может оказаться недопустимо велико, особенно при большом числе источников прерываний. Гораздо чаще в современных МПС используется т.н. "векторная" подсистема прерываний. В такой системе микропроцессор, получив запрос на векторном входе INT, выдает на свою выходную линию сигнал подтверждения прерывания INTA, поступающий на все возможные источники прерывания. Источник, не выставивший запроса, никак не реагирует на сигнал INTA. Источник, выставивший запрос, получая сигнал INTA, выдает на системную шину данных "вектор прерывания" – свой номер или адрес обслуживающей программы или, чаще, адрес памяти, по которому расположен указатель на обслуживающую программу. Время реакции МПС на запрос векторного прерывания минимально (1..3 машинных цикла) и не зависит от числа источников. Для исключения конфликтов при одновременном возникновении нескольких запросов на векторном входе ответный сигнал INTA подается на источники запросов не параллельно, а последовательно – в порядке убывания приоритетов запросов. Источник, не выставлявший запроса, транслирует сигнал INTA со своего входа на выход, а источник, выставивший запрос, блокирует дальнейшее распространение сигнала INTA. Таким образом, только один источник, выставивший запрос, получит от процессора сигнал INTA и выдаст по нему свой вектор на шину данных. Более гибко решается проблема организации приоритетов запросов при использовании в МПС специальных контроллеров прерываний. Конфликты на радиальном входе исключаются самим порядком программного опроса источников. Прерывание в общем случае может возникать не только при решении "фоновой" задачи, но и в момент работы другой прерывающей программы, причем не всякую прерывающую программу допустимо прерывать любым запросом. В фоновой задаче так же могут встречаться участки, при работе которых прерывания (все или некоторые) недопустимы. В общем случае в каждый момент времени работы процессора должно быть выделено подмножество запросов, которым разрешено прерывать текущую программу. В МПС эта задача решается на нескольких уровнях. В процессоре обычно предусматривается программно-доступный флаг разрешения/запрещения прерывания, значение которого определяет возможность или невозможность всех прерываний. Для создания более гибкой системы приоритетов программ на каждом источнике прерываний может быть предусмотрен специальный программно-доступный триггер разрешения формирования запроса. В таком случае возможно формирование произвольного подмножества разрешенных в данный момент источников прерываний. В МП: машинный такт - машинный цикл - командный цикл. Рассмотрим возможность прерывания программы по окончанию различных процессов. Учитывая, что прерванная программа должна быть запущена по окончании работы прерывающей с того места, где она была прервана, подсистема прерываний МПС должна обеспечить фиксацию полного состояния прерываемой программы на момент прерывания. При прерывании после текущего машинного такта требуется запоминать не только состояние всех регистров процессора (программно-доступных и системных), но и состояние первичного управляющего автомата. Реализация процедуры фиксации состояния и последующего восстановления потребует значительных затрат дополнительного оборудования и/или времени. Значительный объем информации требуется запоминать и при прерывании программы после текущего машинного цикла (выбранный фрагмент или всю команду, выбранные операнды или сформированные адреса). Поэтому в большинстве МП прерывание может осуществляться после выполнения очередной команды.
(59) Подсистема памяти МПС.
Распределение адресного пространства
Объем адресного пространства МПС с интерфейсом "Общая шина" определяется главным образом разрядностью шины адреса и, кроме того, номенклатурой управляющих сигналов интерфейса. Управляющие сигналы могут определять тип объекта, к которому производится обращение (ОЗУ, ВУ, стек, специализированные ПЗУ и др.). В случае, если МП не выдает сигналов, идентифицирующих пассивное устройство (или они не используются в МПС), - для селекции используются только адресные линии. Число адресуемых объектов составляет в этом случае 2k, где k - разрядность шины адреса. Будем называть такое адресное пространство "единым". Иногда говорят, что ВУ в едином адресном пространстве "отображены на память", т.е. адреса ВУ занимают адреса ячеек памяти. При небольших объемах памяти в МПС целесообразно использовать некоторые адресные линии непосредственно в качестве селектирующих, что позволяет уменьшить объем оборудования МПС за счет исключения селектора адреса. При этом, однако, адресное пространство используется крайне неэффективно. При использовании информации о типе устройства, к которому идет обращение, можно одни и те же адреса назначать для разных устройств, осуществляя селекцию с помощью управляющих сигналов. Так, большинство МП выдают в той или иной форме информацию о типе обращения. В результате в большинстве интерфейсов присутствуют отдельные управляющие линии для обращения к памяти и вводу/выводу, реже - стеку или специализированному ПЗУ. В результате суммарный объем адресного пространства МПС может превышать величину 2k.
Диспетчер памяти
При необходимости расширить объем памяти за пределы адресного пространства можно воспользоваться "диспетчером памяти". В простейшем случае он представляет собой программно-доступный регистр, который должен располагаться в пространстве ввода/вывода. В него заносится номер активного в данный момент банка памяти, причем объем банка может равняться объему адресного пространства МП (2k). Очевидно, в каждый момент времени процессору доступен только один банк. При необходимости перехода в другой банк памяти МП должен предварительно выполнить программную процедуру (часто всего одну команду) перезагрузки содержимого номера банка.
Запоминающие устройства
Память может быть внутренней и внешней. Внешней называют память на магнитных, оптических дисках, лентах и т.п. Внутренняя память выполняется, чаще всего, на микросхемах. Внутренняя или основная память может быть двух типов: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ) и постоянное ЗУ (ПЗУ). ОЗУ, кроме того, обозначается - (RAM, Random Access Memory), а ПЗУ - (ROM, Read Only Memory). Получила также распространение Флэш(Flash) память, имеющая особенности и ОЗУ и ПЗУ и энергонезависимая память (Nonvolatile - NV) на батарейках. Последнее название условно, так как ПЗУ и Флэш память, также энергонезависимы. В ОЗУ коды в соответствии с решаемыми задачами постоянно изменяются и полностью пропадают при выключении питания. В ПЗУ хранятся управляющие работой ЭВМ стандартные программы, константы, таблицы символов и другая информация, которая сохраняется и при выключении компъютера. ОЗУ подразделяются на статическую память (SRAM), динамическую (DRAM), регистровую (RG). ПЗУ могут быть: масочными - запрограммированными на заводе изготовителе (ROM), однократно-программируемыми пользователем ППЗУ (PROM или OTP), многократно-программируемыми (репрограммируемыми) пользователем РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM) или c электрическим стиранием (EEPROM).
Основными характеристиками микросхем памяти являются:
информационная емкость
быстродействие
энергопотребление.
Емкость ЗУ чаще всего выражается в единицах кратных числу 2^10 = 1024 = 1K. Для длины слова равной биту (одному двоичному разряду) или байту (набору из восьми бит) эта единица называется килобит или килобайт и обозначается Kb или KB. Каждой из двух в степени "n" ячеек памяти однозначно соответствует "n"- разрядное двоичное число, называемое адресом ЯП. Например, адресом 511-ой ячейки будет число 1 1111 1111(BIN) = 511(DEC) = 1FF(HEX). В программах адреса употребляются в 16-ном формате. Емкость ЗУ часто выражается произведением двух чисел 2n * m, где 2n - число ячеек памяти, а m - длина слова ячейки, например 8K * 8 (м/с 537РУ17), т.е. 8192 ячейки размером в один байт. В некоторых справочниках для этой же микросхемы приводится обозначение емкости одной цифрой 64Kбит, что никак не отражает внутреннюю организацию этой микросхемы, такую же емкость могут иметь м/с с организацией 16K * 4, 64K * 1 и т.д.
(59) Микропроцессоры нетрадиционных архитектур.
Ассоциативные процессоры
Ассоциативный способ обработки данных позволяет преодолеть многие ограничения, присущие адресному доступу к памяти, за счет задания некоторого критерия отбора и проведение требуемых преобразований, только над теми данными, которые удовлетворяют этому критерию. Критерием отбора может быть совпадение с любым элементом данных, достаточным для выделения искомых данных из всех данных. Поиск данных может происходить по фрагменту, имеющему большую или меньшую корреляцию с заданным элементом данных.
Ассоциативные системы относятся к классу: один поток команд - множество потоков данных (SIMD = Single Instruction Multiple Data). Эти системы включают большое число операционных устройств, способных одновременно по командам управляющего устройства вести обработку нескольких потоков данных. В ассоциативных вычислительных системах информация на обработку поступает от ассоциативных запоминающих устройств (АЗУ), характеризующиеся тем, что информация в них выбирается не по определенному адресу, а по ее содержанию.
Матричные процессоры
Наиболее распространенными из систем, класса: один поток команд - множество - потоков данных (SIMD), являются матричные системы, которые лучше всего приспособлены для решения задач, характеризующихся параллелизмом независимых объектов или данных. Организация систем подобного типа на первый взгляд достаточно проста. Они имеют общее управляющее устройство, генерирующее поток команд и большое число процессорных элементов, работающих параллельно и обрабатывающих каждая свой поток данных.
Таким образом, производительность системы оказывается равной сумме производительностей всех процессорных элементов. Однако на практике, чтобы обеспечить достаточную эффективность системы при решении широкого круга задач необходимо организовать связи между процессорными элементами с тем, чтобы наиболее полно загрузить их работой. Именно характер связей между процессорными элементами и определяет разные свойства системы.
В процессорном элементе используется, так называемая, многомодальная логика, которая позволяет каждому процессорному элементу выполнять или не выполнять общую операцию в зависимости от значений обрабатываемых данных. В каждый момент все активные процессорные элементы выполняют одну и ту же операцию над данными, хранящимися в собственной памяти и имеющими один и тот же адрес.
ДНК процессоры
В настоящее время в поисках реальной альтернативы полупроводниковым технологиям создания новых вычислительных систем ученые обращают все большее внимание на биотехнологии, или биокомпьютинг, который представляет собой гибрид информационных, молекулярных технологий, также биохимии. Биокомпьютинг позволяет решать сложные вычислительные задачи, пользуясь методами, принятыми в биохимии и молекулярной биологии, организуя вычисления при помощи живых тканей, клеток, вирусов и биомолекул.
Наибольшее распространение получил подход, где в качестве основного элемента (процессора) используются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. Центральное место в этом подходе занимает так называемый ДНК - процессор. Кроме ДНК в качестве биопроцессора могут быть использованы также белковые молекулы и биологические мембраны.
Так же, как и любой другой процессор, ДНК процессор характеризуется структурой и набором команд. В нашем случае структура процессора - это структура молекулы ДНК. А набор команд - это перечень биохимических операций с молекулой. Принцип устройства компьютерной ДНК-памяти основан на последовательном соединении четырех нуклеотидов (основных кирпичиков ДНК-цепи). Три нуклеотида, соединяясь в любой последовательности, образуют элементарную ячейку памяти - кодон, которые затем формируют цепь ДНК.
Клеточные процессоры
Клеточные процессоры представляют собой самоорганизующиеся колонии различных "умных" микроорганизмов, в геном которых удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активизироваться в присутствии определенного вещества. Такие компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна столь стерильная атмосфера, как при производстве полупроводников.
Главным свойством процессора такого рода является то, что каждая их клетка представляет собой миниатюрную химическую лабораторию. Если биоорганизм запрограммирован, то он просто производит нужные вещества. Достаточно вырастить одну клетку, обладающую заданными качествами, и можно легко и быстро вырастить тысячи клеток с такой же программой.
Основная проблема, с которой сталкиваются создатели клеточных биокомпьютеров, - организация всех клеток в единую работающую систему.
Коммуникационные процессоры
Коммуникационные процессоры - это микрочипы, являющие собой нечто среднее между жесткими специализированными интегральными микросхемами и гибкими процессорами общего назначения.
Коммуникационные процессоры программируются, как и обычные процессоры, но построены с учетом сетевых задач, оптимизированы для сетевой работы, и на их основе производители - как процессоров, так и оборудования - пишут программное обеспечение для специфических приложений.
Коммуникационный процессор имеет собственную память и оснащен высокоскоростными внешними каналами для соединения с другими процессорными узлами. Его присутствие позволяет в значительной мере освободить вычислительный процессор от нагрузки, связанной с передачей сообщений между процессорными узлами. Скоростной коммуникационный процессор с RISC-ядром позволяет управлять обменом данными по нескольким независимым каналам, поддерживать практически все распространенные протоколы обмена, гибко и эффективно распределять и обрабатывать последовательные потоки данных с временным разделением каналов.
Сама идея создания процессоров, предназначенных для оптимизации сетевой работы - и при этом достаточно универсальных для программной модификации – родилась в связи с необходимостью устранить различия в подходах к созданию локальных сетей (различные подходы к архитектуре сети, классификации потоков, и т.д
Процессоры баз данных
Процессорами (машинами) баз данных в настоящее время принято называть программно- аппаратные комплексы, предназначенные для выполнения всех или некоторых функций систем управления базами данных (СУБД). Процессоры баз данных выполняют функции управления и распространения, обеспечивают дистанционный доступ к информации через шлюзы, а также репликацию обновленных данных с помощью различных механизмов тиражирования.
Современные процессоры баз данных должны обеспечивать естественную связь накапливаемой в базах данных информации со средствами оперативной обработки транзакций и Internet-приложениями. Это должны быть системы, которые дают пользователям возможность в любой момент обратиться к корпоративным данным и проанализировать их, вне зависимости от того, где эти данные размещаются.
Потоковые процессоры
Потоковыми называют процессора, в основе работы которых лежит принцип обработки многих данных с помощью одной команды. Согласно классификации Флинна они принадлежат к SIMD архитектуре. Технология SIMD позволяет выполнять одно и то же действие, например вычитание и сложение, над несколькими наборами чисел одновременно. SIMD-операции для чисел двойной точности с плавающей запятой ускоряют работу ресурсоемких приложений для создания контента, трехмерного рендеринга, финансовых расчетов и научных задач. Кроме того, усовершенствованы возможности 64-разрядной технологии MMX (целочисленных SIMD-команд); эта технология распространена на 128-разрядные числа, что позволяет ускорить обработку видео, речи, шифрование, обработку изображений и фотографий. Потоковый процессор повышает общую производительность, что особенно важно при работе с 3D-графическими объектами.
Может быть отдельный потоковый процессор (Single-streaming processor — SSP) и многопотоковый процессор (Multi-Streaming Processor - MSP).
Ярким представителем потоковых процессоров является семейство процессоров Intel, начиная с Pentium III, в основе работы которых лежит технология Streaming SIMD Extensions (SSE, потоковая обработка по принципу "одна команда - много данных"). Эта технология позволяет выполнять такие сложные и необходимые в век Internet задачи, как обработка речи, кодирование и декодирование видео- и аудиоданных, разработка трехмерной графики и обработка изображений.
Бесспорными представителями класса SIMD считаются матрицы процессоров: ILLIAC IV, ICL DAP, Goodyear Aerospace MPP, Connection Machine 1 и т.п. В таких системах единое управляющее устройство контролирует множество процессорных элементов. Каждый процессорный элемент получает от устройства управления в каждый фиксированный момент времени одинаковую команду и выполняет ее над своими локальными данными.
Другими представителями SIMD-класса являются векторные процессоры, в основе которых лежит векторная обработка данных. Векторная обработка увеличивает производительность процессора за счет того, что обработка целого набора данных (вектора) производится одной командой. Векторные компьютеры манипулируют массивами сходных данных подобно тому, как скалярные машины обрабатывают отдельные элементы таких массивов. В этом случае каждый элемент вектора надо рассматривать как отдельный элемент потока данных. При работе в векторном режиме векторные процессоры обрабатывают данные практически параллельно, что делает их в несколько раз более быстрыми, чем при работе в скалярном режиме. Максимальная скорость передача данных в векторном формате может составлять 64 Гб/с, что на 2 порядка быстрее, чем в скалярных машинах. Примерами систем подобного типа является, например, процессоры фирм NEC и Hitachi.
Процессоры с многозначной (нечеткой) логикой
Идея построения процессоров с нечеткой логикой (fuzzy logic) основывается на нечеткой математике. Математическая теория нечетких множеств, предложенная проф. Л.А. Заде, являясь предметом интенсивных исследований, открывает все большие возможности перед системными аналитиками. Основанные на этой теории различные компьютерные системы, в свою очередь, существенно расширяют область применения нечеткой логики.
Подходы нечёткой математики дают возможность оперировать входными данными, непрерывно меняющимися во времени и значениями, которые невозможно задать однозначно, такими, например, как результаты статистических опросов. В отличие от традиционной формальной логики, известной со времен Аристотеля и оперирующей точными и четкими понятиями типа истина и ложь, да и нет, ноль и единица, нечеткая логика имеет дело со значениями, лежащими в некотором (непрерывном или дискретном) диапазоне.
Задачи с помощью нечёткой логики решаются по следующему принципу:
1) численные данные (показания измерительных приборов, результаты анкетирования) фаззируются (переводятся в нечеткий формат);
2) обрабатываются по определённым правилам;
3) дефаззируются и в виде привычной информации подаются на выход.
Оказалось возможным создание нечеткого процессора, позволяющего выполнять различные нечеткие операции и приближенные рассуждения (нечеткий вывод) в соответствии с правилами логического вывода.
Сигнальные процессоры
В ответ на возросшие запросы потребителей фирма Motorola разработала новую архитектуру микросхемы, ориентированную как на выполнение сложных алгоритмов цифровой обработки сигналов, так и на решение задач управления. Семейство микросхем DSP568xx построено на базе ядра 16-разрядного процессора DSP56800 с фиксированной точкой. Это ядро предназначено для эффективного решения задач управления и цифровой обработки сигналов. Реализованный в нем набор команд обеспечивает цифровую обработку сигналов с эффективностью лучших DSP общего назначения и отвечает требованиям простоты создания компактных программ управления.
Ядро DSP56800 является программируемым 16-разрядным КМОП процессором, предназначенным для выполнения цифровой обработки сигналов в реальном масштабе времени и решения вычислительных задач. Ядро DSP56800 состоит из четырех функциональных устройств: управления программой, генерации адресов, арифметико-логической обработки данных, обработки битов. Для увеличения производительности операции в устройствах выполняются параллельно. Каждое из устройств имеет свой набор регистров и логику управления и организовано таким образом, что может функционировать независимо и одновременно с тремя другими. Внутренние шины адресов и данных связывают между собой память, функциональные и периферийные устройства (регистры периферийных устройств расположены в области памяти). Таким образом, ядро реализует одновременное выполнение нескольких действий: устройство управления выбирает первую команду, устройство генерации адресов формирует до двух адресов второй команды, а АЛУ выполняет умножение третьей команды. Есть альтернативная возможность: в третьей команде операцию может выполнять не АЛУ, а устройство обработки битов. Конвейерная архитектура позволяет реализовать параллельную работу устройств, входящих в состав микросхемы, и существенно сократить время выполнения программы.
Конвейерная архитектура ядра DSP56800 оптимизирована для обеспечения эффективности цифровой обработки сигналов, компактности программ управления и обработки сигналов, и удобства программирования.
Архитектура ядра DSP568хх обеспечивает эффективную цифровую обработку данных и решение задач управления. Такие характеристики этой архитектуры, как высокая производительность и набор команд общего назначения, обеспечивают ей лидирующие позиции в тех областях цифровой обработки сигналов, в которых требуется низкая стоимость и малое энергопотребление. Компактность программ и высокая эффективность компилятора позволяет также снизить стоимость системы за счет уменьшения требуемого объема встроенной памяти.
Микросхемы этого семейства имеют производительность специализированных DSP. Благодаря наличию набора встроенных периферийных устройств эти микросхемы отвечают требованиям систем управления. Встроенные блоки памяти и периферийные устройства могут существенно снизить стоимость системы
(61) Тенденции развития микропроцессоров.
К тенденциям развития микропроцессоров относят:
повышение тактовой частоты;
увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти;
увеличение количества параллельно функционирующих исполнительных устройств.
Создание систем на одном кристалле.
Повышение тактовой частоты.
Тактовая частота — количество синхронизирующих тактов, поступающих извне на вход схемы за одну секунду. Тактовая частота характеризует производительность подсистемы (процессора, памяти и пр.), то есть количество выполняемых операций в секунду.
Для повышения тактовой частоты при выбранных материалах используются:
более совершенный технологический процесс с меньшими проектными нормами;
увеличение числа слоев металлизации (Одним из шагов в направлении уменьшения числа слоев металлизации и уменьшения длины межсоединений стала технология, использующая медные проводники для межсоединений внутри кристалла);
схемотехника меньшей каскадности;
используются более совершенные транзисторы (Уменьшение размеров транзисторов, сопровождаемое снижением напряжения питания, увеличивает быстродействие и уменьшает выделяемую тепловую энергию.)
более плотная компоновка функциональных блоков кристалла
*/ Металлизация — метод модификации свойств поверхности изделия путем нанесения на его поверхность слоя металла.*/
Увеличение объема и пропускной способности подсистемы памяти.
Возможные решения по увеличению пропускной способности подсистемы памяти включают:
создание кэш-памяти одного или нескольких уровней;
увеличение пропускной способности интерфейсов между процессором и кэш-памятью и конфликтующей с этим увеличением пропускной способности между процессором и основной памятью.
Улучшение интерфейсов происходит за счет:
увеличения пропускной способности шин (увеличение частоты работы шины и/или ее ширины); введением дополнительных шин, которые расшивают конфликты между процессором, кэш-памятью и
основной памятью. (пр-р: одна шина работает на частоте процессора с кэш-памятью, а вторая - на частоте работы основной памяти).
Общая тенденция увеличения размеров кэш-памяти реализуется следующим образом:
Размещение на кристалле отдельных кэш-памятей:
первого уровня для данных и команд (внутрикристальная кеш первого уровня будет работать на тактовой частоте процессора).
внекристальной кэш-памяти второго уровня (внекристальный кеш второго уровня будет работать на половинной тактовой частоте).
Увеличение количества параллельно работающих исполнительных устройств.
Тут действия направленны на улучшение временных и функциональных характеристик исполнительных устройств.
Для загрузки функциональных исполнительных устройств используют:
используются переименование регистров;
предсказание переходов, которые устраняют зависимости между командами по данным и управлению;
буферы динамической переадресации.
Например используют архитектуры с более длинным командным словом (в котором объединяется несколько инструкций). Это позволяет упростить процессор и ускорить выполнение команд.
Системы на одном кристалле и новые технологии.
Объединения на одном кристалле логической части микропроцессора и оперативной памяти.
Для создания таких систем используют медные (а не алюминиевые как раньше) межсоединения. Медь позволяет сделать кристалл меньшим по размеру и более быстродействующим. Медная металлизация уменьшает общее сопротивление, что позволяет увеличить скорость работы кристалла на 15-20%.
Такие системы дают перспективу для создания более мощных и миниатюрных микропроцессоров и помогает создавать компактные, быстродействующие и недорогие электронные устройства: маршрутизаторы, компьютеры, контроллеры жестких дисков, сотовые телефоны, игровые и Интернет-приставки.
(62) Архитектура ПЭВМ.
Архитектура ПК - это совокупность аппаратных и программных средств ПК, а также система взаимодействия их, обеспечивающая функционирование ПК.
Персональный компьютер - универсальная ЭВМ, предназначенная для индивидуального пользования. Обычно ПК проектируется на основе принципа открытой архитектуры. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости.
Основные особенности архитектуры ПК:
открытость;
модульность.
Открытость - возможность замены отдельных компонентов ПK более совершенными версиями, возможность подключения новых устройств к компьютеру с целью расширения его возможностей.
Все компоненты компьютера оформлены в виде законченных конструкций – модулей, которые имеют стандартные размеры и стандартные средства соединения с ЭВМ. Предусмотрена возможность быстрого подсоединения и отсоединения любого из них к ПK. Также в ПК есть основной набор стандартных модулей, который не зависит от модификации ПК.
(63) Состав ПЭВМ.
Персональный компьютер - универсальная ЭВМ, предназначенная для индивидуального пользования. Обычно ПК проектируется на основе принципа открытой архитектуры. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости.
В базовую конфигурацию входят 4 устройства: системный блок, монитор, клавиатура, мышь.
Системный блок.
Внутренние устройства системного блока:
Материнская плата
Процессор;
Оперативная память(ОЗУ)
Постоянная память (ПЗУ) – микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен. Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков;
Энергозависимая ;
КЭШ-память;
Системная шина.
Жесткий диск
Дисководы гибких дисков (накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) представляют собой ЗУ, в которых носителями информации являются сменные магнитные диски (дискеты), которые вставляются в специальный накопитель - дисковод.)
Дисковод компакт-дисков: CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD
Адаптеры (преобразуют различные формы представления информации для организации различных устройств компьютера)
Видеоадаптер - это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.
Графические акселераторы (ускорители) - специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объема операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета.
Звуковая карта выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки.
Сетевой адаптер (сетевая карта) – устройство для подключения компьютера к локальной сети. Сетевой адаптер контролирует доступ к среде передачи данных и обмен данными в сети, выполняет функцию сопряжения компьютера с каналами связи.
Порты ввода-вывода (порты для подключения периферийных устройств)
Блок питания (преобразует переменный ток сети электропитания в постоянный ток низкого напряжения. Устройства компьютера используют напряжение 12,5 и 3,5 Вольт)
Остальные компоненты базовой конфигурации относятся к стандартным устройствам ввода-вывода:
Монитор;
Клавиатура;
Мышь (или тачпад)
(64) 32-разрядная архитектура ПЭВМ.
Основная фишка 32-разрядной архитектуры это размещение непосредственно на кристалле БИС (большая интегральная схема) двух важных блоков, которые раньше выполнялись в виде отдельных микросхем: кэш-памяти и блока процессора обработки чисел с плавающей точкой. Также отличительной чертой являлась возможность конвейерной обработки информации.
Конвейерная обработка - способ выполнения команд процессором, при котором выполнение следующей команды начинается до полного окончания выполнения предыдущей команды (в предположении отсутствия ветвления). Возможность конвейерной обработки связана с разделением процесса выполнения команд на последовательные этапы: выборки команды, дешифровки, выборки операндов, выполнения команды, запись результата в память.
Процессор обработки чисел с фиксированной точкой содержит 32-разрядное АЛУ и блок регистров общего назначения. АЛУ предназначено для обработки двоичных чисел длиной 1, 2 или 4 байта без знака или со знаком, а также двоично-десятичных чисел, не превышающих 99. Двоичные числа со знаком представляются в дополнительном коде. Блок регистров общего назначения содержит восемь 32-разрядных регистров, часть из которых допускает 16- и 8-разрядное обращение.
Процессор обработки чисел с плавающей точкой состоит из 80-разрядного АЛУ, блока из восьми 80-разрядных регистров общего назначения, а также управляющих регистров. Главным образом он предназначен для обработки чисел с плавающей точкой, но также используется для обработки целых чисел со знаком длиной 8 байт и двоично-десятичных чисел величиной от 100 до 99…9 (18 цифр). На первых этапах развития SIMD-обработки регистры FPU использовались для хранения операндов, представленных в новых форматах.
Блок управления памятью (Memory Management Unit - MMU) состоит из двух основных блоков в соответствии с организацией памяти.
В общем случае память в микропроцессоре делится на сегменты, которые, в свою очередь, делятся на страницы. В соответствии с этим, MMU содержит блоксегментации (или блок сегментного преобразования адреса) и блок страничного преобразования, в состав которого входит так называемый буфер ассоциативной трансляции адресов страниц (TLB).
Кэш-память представляет собой промежуточную ступень между оперативной памятью и регистрами микропроцессора и предназначена для хранения наиболее часто используемой информации.
В состав блока управления входят:
собственно устройство управления, то есть та классическая схема, которая под действием кода команды вырабатывает набор управляющих сигналов, поступающих на разные узлы как самого микропроцессора, так и на блок интерфейса внешней шины;
управление защитой памяти: обеспечивает аппаратную защиту программ и данных при управлении памятью и по привилегиям;
блок управления предвыборкой команд: реализует опережающее заполнение буфера команд, представляющего собой некоторую буферную память. Буфер команд имеет емкость 32 байта и заполняется командами из следующих ячеек памяти команд по мере своего освобождения. Этим обеспечивается ускорение обработки микропроцессором следующей команды. Данный блок подвергался, пожалуй, наиболее существенным переработкам по мере развития архитектурыIA-32 - причина в широком последующем использовании конвейерной организации работы МП и связанной с этим необходимости постоянного совершенствования блока предсказания адреса следующей команды.
Блок интерфейса внешней шины осуществляет электрическое согласование параметров внутренней магистрали с сигналами внешних магистралей, формирование необходимых сигналов на внешнюю магистраль и прием сигналов извне. Внешняя магистраль микропроцессора состоит из шины адреса, шины данных и сигналов управления:
шина данных имеет ширину 32 разряда;
32-разрядный адрес передается по 34-разрядной шине А31...А2+(B3,B2,B1,B0). Чтобы с минимальными потерями согласовывать 32-разрядную шину данных с передачей данных меньшей разрядности, младшие разряды адреса (А1 и А0) передаются в дешифрированном виде (B3, B2, B1, B0). Они показывают, какие байты из 32-разрядной шины данных в данный момент реально востребованы: 1 байт, 2 младших байта, 2 старших байта либо все 32 разряда данных;
шина управления - 32-разрядная. По ней передаются сигналы записи и чтения содержимого оперативной памяти и внешних устройств, сигналы запросов прерываний, прямого доступа к памяти и т. д.
Особый интерес представляют три режима работы микропроцессора: реальный, защищенный и режим виртуального МП i8086. В реальном режиме обеспечивается совместимость на уровне объектных кодов с микропроцессором i8086 и микропроцессором i286, работающем в реальном режиме. В этом режиме архитектура 32-разрядного микропроцессора почти полностью идентична архитектуре 16-разрядного МП. Для программиста же он вообще представляется как МП i8086, выполняющий написанные программы с большей скоростью и обладающий расширенной системой команд и регистрами. Благодаря этим качествам фирма Intel сохранила прежних клиентов, которые хотели модернизировать свои системы, не отказываясь от имевшегося задела в области программного обеспечения, и привлекла тех, кому изначально требовалась высокая скорость обработки информации.
Одно из основных ограничений реального режима было связано с предельной емкостью адресуемой памяти, равной 1 Мбайт. От него свободен защищенный режим, позволяющий воспользоваться всеми преимуществами архитектуры нового МП. Размер адресного пространства в этом случае увеличивается до 4 Гбайт, а общий объем поддерживаемого адресного пространства - до 64 терабайт (1 Тбайт = 240 байт). МП, работающие в защищенном режиме, обладают более высоким быстродействием и возможностями организации истинной многозадачности.
Наконец, режим виртуального МП открывает возможность одновременного исполнения программ, написанных для МП i8086, i286 и i386.
Поскольку емкость памяти, адресуемой микропроцессором, не ограничена значением 1 Мбайт, этот режим позволяет формировать несколько виртуальных сред i8086.
(65) 64-разрядная архитектура ПЭВМ.
Win64-код объединяет в себе основные возможности 32-разрядного кода, а также включает изменения, связанные с повышением разрядности. В распоряжении программиста оказываются:
• 64-разрядные указатели;
• 64-разрядные типы данных;
• 32-разрядные типы данных;
• интерфейс Win64 API.
Обратите внимание, что 32-разрядные типы данных не исчезли при повышении разрядности платформы (как было с 16-разрядными типами данных при переходе к Win32). Это связано с тем, что даже в 64-разрядных приложениях в большинстве случаев переменные не требуют объема памяти в 8 байт, поэтому использование 64-разрядных типов в таких случаях оказалось бы крайне неэффективным. Операционной системе пришлось бы дописывать нули в старшие разряды, чтобы увеличить размер данных до 8 байт (такие данные к тому же очень неудобно считывать). Это привело бы к снижению производительности.
Иная участь постигла 32-разрядные указатели: они полностью исчезли. Дело в том, что использование 32-разрядных указателей накладывает ограничение на объем адресуемой памяти. Например, одним из главных преимуществ плоской модели памяти (она является основной для программирования 32-разрядных приложений для платформы NT), использующей 32-разрядные указатели, является возможность создания сегментов объемом до 4 Гбайт. Новые 64-разрядные указатели обеспечивают возможность адресации до 16 Тбайт памяти (1 Тбайт = 1012 Мбайт). Современными бизнес-приложениями этот объем вполне востребован.
Функции в Win64 API претерпели незначительные изменения. Только названия некоторых из них были изменены так, чтобы отразить принадлежность к 64-разрядной платформе. В большинстве случаев изменениям подверглись лишь типы параметров, являющихся аргументами вызова функций. Все остальные преимущества (возможность отказаться от использования файлов подкачки и т. д.) связаны либо с увеличившимся объемом адресации, либо с новыми типами данных.
(66) Конструктивное исполнение системных плат. Форм фактор системных плат.
Матери́нская пла́та (англ. motherboard, MB, также используется название англ. mainboard — главная плата; сленг. мама, мать, материнка) — это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило, материнская плата содержит разъёмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express.
Основные компоненты, устанавливаемые на материнской плате:
Центральный процессор (ЦПУ).
Набор системной логики (чипсет — англ. chipset) — набор микросхем, обеспечивающих подключение ЦПУ к ОЗУ и контроллерам периферийных устройств. Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух СБИС: «северного» и «южного мостов».
Северный мост (англ. Northbridge), MCH (Memory controller hub), системный контроллер — обеспечивает подключение ЦПУ к узлам, использующим высокопроизводительные шины: ОЗУ, графический контроллер.
Для подключения ЦПУ к системному контроллеру могут использоваться такие FSB-шины, как HyperTransport и SCI.
Обычно к системному контроллеру подключается ОЗУ. В таком случае он содержит в себе контроллер памяти. Таким образом, от типа применённого системного контроллера обычно зависит максимальный объём ОЗУ, а также пропускная способность шины памяти персонального компьютера. Но в настоящее время имеется тенденция встраивания контроллера ОЗУ непосредственно в ЦПУ (например, контроллер памяти встроен в процессоры в AMD K8 и Intel Core i7), что упрощает функции системного контроллера и снижает тепловыделение.
В качестве шины для подключения графического контроллера на современных материнских платах используется PCI Express. Ранее использовались общие шины (ISA, VLB, PCI) и шина AGP.
Южный мост (англ. Southbridge), ICH (I/O controller hub), периферийный контроллер — содержит контроллеры периферийных устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин для подключения периферийных устройств (шины PCI, PCI Express и USB), а также контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не требующие высокой пропускной способности (LPC — используется для подключения загрузочного ПЗУ; также шина LPC используется для подключения мультиконтроллера (англ. Super I/O) — микросхемы, обеспечивающей поддержку исторических низкопроизводительных интерфейсов передачи данных: последовательного и параллельного интерфейсов, контроллера клавиатуры и мыши).
Как правило, северный и южный мосты реализуются в виде отдельных СБИС, однако существуют и одночиповые решения. Именно набор системной логики определяет все ключевые особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.
Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ). Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес. Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо через кэш-память. ОЗУ изготавливается как отдельный блок; также может входить в конструкцию однокристальной ЭВМ или микроконтроллера в виде оперативной памяти.
Загрузочное ПЗУ. Хранит ПО, которое исполняется сразу после включения питания. Как правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS, однако может содержать и ПО, работающие в рамках EFI.
Форм-фактор материнской платы — стандарт, определяющий размеры материнской платы для персонального компьютера, места её крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, разъёма центрального процессора (если он есть) и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.
Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора определяет обязательные и опциональные компоненты. Однако подавляющее большинство производителей предпочитают соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия существующим стандартам является совместимость материнской платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт расширения) других производителей.
Устаревшие: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.
Современные: ATX; microATX; FlexATX; NLX; WTX, CEB.
Внедряемые: Mini-ITX и Nano-ITX; Pico-ITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX
Существуют материнские платы, не соответствующие никаким из существующих форм-факторов. Обычно это обусловлено либо тем, что производимый компьютер узкоспециализирован, либо желанием производителя материнской платы самостоятельно производить и периферийные устройства к ней, либо невозможностью использования стандартных компонентов (так называемый «бренд», например, Apple, Commodore, Silicon Graphics, Hewlett-Packard, Compaq чаще других игнорировали стандарты; кроме того в нынешнем виде распределённый рынок производства сформировался только к 1987 году, когда многие производители уже создали собственные платформы).
Наиболее известными производителями материнских плат на российском рынке в настоящее время являются фирмы Asus, Gigabyte, MSI, Intel, Biostar, Elitegroup,ASRock. В России материнские платы производит компания «Формоза» (использовались компоненты фирм Lucky Star и Albatron). На Украине — корпорация «Квазар-Микро»
(67) Сокеты системных плат. Слоты расширения системных плат.
Сокет - это формат разъема, соединяющего процессор и материнскую плату. Эволюция сокетов выглядит следующим об разом: Socket 370 => Socket 46; => Socket 478 => Socket 754 =: LGA 775 = > Socket 939 => Socke AM2 (цифровая маркировка со ответствует количеству ноже процессора).
Socket 370 - используется для монтажа процессоров Intel PentiunIII и Celeron. Достаточно старый формат, разработанный в последнее десятилетие прошлого века. С низкой степенью совместимости, малой производительностью процессоров, которые можно использовать совместно с Socket 370, этот формат разъема встретить достаточно сложно.
Socket 462 – используется для крепления процессоров АМС Athlon XP и Duron. Второе название этой спецификации - SockeiА, и ситуация с представленной моделью аналогична предыдущему случаю: из-за высокой активности конкурентов Sockei462 является не самым выгодным вариантом. Совместимость: от Duron 600 МГц до Athlon XP3200+.
Socket 478 – используется для крепежа процессоров Intel Pentium IV и Celeron. В настоящее время формат не столь популярен и применяется лишь для крепления бюджетных процессоров серии Celeron D на материнские платы низкой ценовой категории. Socket 754 - используется для монтажа процессоров AMD Athlon 64 и Sempron. Основные преимущества: поддержка одноканальной памяти DDR CDRAM, отдельный канал связи с памятью и чипсетом, использование последовательного интерфейса Hyper Transport с частотой 200 МГц.
Слоты расширения
Основную площадь материнской платы занимают слоты для подсоединения различных карт расширения (графических адаптеров, звуковых и сетевых плат, модемов, контроллеров и т.д.)
Слоты расширения расположены таким образом, чтобы разъёмы подключаемых карт расширения выходили на заднюю стенку системного блока. На разных системных платах вы можете встретить различное количество слотов. Если в материнскую плату встроены дополнительные устройства, например видеокарта, звуковая и сетевая плата, контроллер IEEE-1394 и т.д., вполне очевидно, что вам не понадобится большое количество слотов расширения. Кроме того, системные платы с малым количеством слотов обычно меньше по размеру (форм - фактор mATX) и могут быть установлены в миниатюрные корпуса. Тем не менее, часть пользователей предпочитает использовать полноразмерные материнские платы (ATX). Большое количество слотов расширения не позволяет подключить много устройств. Например, даже если в вашей материнской плате встроен звуковой адаптер, вы можете установить в слот расширения другую звуковую плату с лучшими характеристиками.
Слоты расширения и для каких устройств они предназначены:
AGP (Accelerated Graphics Port). Обычно этот слот располагается первым от процессора. Он предназначен только для установки видеокарт. Это скоростная шина, напрямую связывающая графический адаптер и процессор. Обычно слот AGP окрашен в какой-либо отличающийся от остальных цвет. Он может присутствовать и на материнских платах со встроенным графическим адаптером. При установке видеокарты в него встроенный видеоадаптер обычно отключается автоматически.
PCI Express x16. Это относительно новый слот. Он использует скоростную шину PCI Express x16 и также предназначен для установки видеокарты. Предполагалось, что он вытеснит слот AGP, использующий более медленную шину. Тем не менее, в настоящее время выпускаются материнские платы и с PCI Express x16, и с AGP. Производители видеокарт также выпускают карты для обоих слотов. Некоторые материнские платы укомплектованы двумя слотами PCI Express x16, что позволяет использовать в компьютере две видеокарты и добиться увеличения производительности трёхмерной графики.
PCI Express x1. Эти короткие слоты предназначены для подключения различных карт расширения. В настоящее время на рынке компьютерной техники такие карты встречаются редко.
PCI является, пожалуй, самым востребованным слотом. Большинство карт расширения выпущено для установки в него. К таким картам относятся модемы, звуковые и сетевые карты, контроллеры, телевизионные тюнеры (в том числе и приёмники спутниковых сигналов) и т.п. Количество слотов PCI на разных материнских платах может варьироваться от двух до шести.
Вышеуказанные слоты присутствуют в современных материнских платах.
(68) Чипсеты системных плат.
Чипсет материнской платы - северный и южный мост.
Северный мост предназначен для осуществления взаимодействия между процессором, оперативной памятью, видеокартой и южным мостом, а точнее, устройств, которые подключены к южному мосту. Ещё северный мост могут называть системным контроллером. В состав северного моста входят такие важные компоненты:
–контроллер оперативной памяти;
–контроллеры шин для управления потоками информации между процессором и остальными устройствами;
–встроенный графический контроллер, выполняющий функции видеокарты, такое решение применяется в компьютерах эконом-класса;
Процессор, оперативная память, видеокарта являются в компьютере самыми быстрыми устройствами, поэтому они подключены к северному мосту. Южный мост, его ещё называют мостом ввода–вывода, объединяет более медленные устройства, такие, как:
– винчестер;
– приводы компакт–дисков;
– различные устройства PCI–шины;
– контроллер прерываний;
– контроллер прямого доступа к оперативной памяти;
– BIOS;
– часы реального времени (Real Time Clock);
– сетевые карты;
– звук;
– клавиатуру, мышь, джойстики;
Северный
и южный мосты соединяются своей шиной
обмена, по которой передаются данные,
сигналы у
правления
и контроля в обоих направлениях.
Сложившаяся структура чипсета была не всегда такой. Раньше, во времена PC-совместимых компьютеров, собранных на базе процессоров Intel 8086 и до 80486, понятие чипсета, в том виде, как он оформился сейчас, было размыто. На плате находились все эти контроллеры, но как отдельные микросхемы. Даже центральный процессор, хотя в этой статье речь не о нём, до линейки Pentium, состоял из собственно процессора и сопроцессора, который выполнял вычисления в операциях с плавающей точкой.
Однако технологии не стоят на месте, тем более в такой сфере, как IT-индустрия. Успехи в области электроники, а точнее, микроэлектроники, химии, физики и других наук, позволили добиться снижения габаритов и потребляемой электрической энергии электронных компонентов. Сейчас чипсет системной платы - это объединение двух, а иногда и одна, СБИС (Сверхбольшая интегральная схема).
Как пример постоянного поиска и развития в сторону увеличения производительности вычислительных систем, можно привести вариант, впервые применённый фирмой AMD. Фирма на своём процессоре Athlon 64 интегрировала в корпус процессора контроллер памяти, который работал на частоте ядра процессора и тем самым значительно повысилось быстродействие системы. Всё это привело к тому, что северный мост на такой плате отсутствовал.
Ведущими производителями чипсетов системных плат в настоящее время являются следующие фирмы:
– Intel;
– nVidia;
– АМD;
– Via;
(69) Системная магистраль. Основные стандарты системных магистралей (шин).
Магистраль – устройство, которое осуществляет взаимосвязь и обмен информацией между всеми устройствами компьютера.
Магистраль включает в себя три многоразрядные шины, представляющие собой многопроводные линии
Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины:
шину данных,
шину адреса,
шину управления.
Они представляют собой много проводные линии. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода и вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинной языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).
Основные стандарты системной шины следующие: ISA (Industry Standard Architecture), MCA (Micro Channel Architecture), EISA (Extended Industry Standard Architecture), VESA (Video Electronics Standard Architecture), PCI (Peripheral Component Interconnect).
Шина ISA долгое время считалась стандартом в области ПК. Она была разработана на базе 8-разрядных системных шин IBM PC и IBM PC XT. Для работы с внешними устройствами в ней были предусмотрены восемь линий аппаратных прерываний и четыре линии для прямого доступа к памяти. Системная шина и микропроцессор работали на частоте 4,77 МГц. Теоретическая скорость передачи данных могла достигать 4,5 Мбайт/с. В компьютерах PC AT с микропроцессором 80286 стали применять 16-разрядную шину ISA. Благодаря 24-адресным линиям она позволяла напрямую обращаться к оперативной памяти объемом 16 Мбайт. Количество линий аппаратных прерываний в этой шине было увеличено с 8 до 16, а количество каналов для прямого доступа к памяти — с 4 до 8. Шина ISA стала работать асинхронно с микропроцессором на частоте 8 МГц, что привело к увеличению скорости передачи до 16 Мбайт/с. Возможности этой шины позволяли работать с низкоскоростными устройствами (клавиатурой, контроллерами гибких дисков и др.), однако не обеспечивали эффективной работы современных высокоскоростных устройств (видеоконтроллеров, контроллеров жестких дисков и др.). В этой связи начали разрабатывать другие виды системных шин.
Шина МСА, разработанная в 1987 г. фирмой IBM, стала первой высокопроизводительной шиной. Ее отличительной особенностью было то, что она работала с частотой 10 МГц и была 32-разрядной, в результате чего скорость передачи данных достигла 20 Мбайт/с. Однако несовместимость шины МСА с ISA привела к невозможности использования разработанных для шины ISA контроллеров, вследствие чего эта архитектура не нашла широкого применения.
Шина EISA, разработанная в 1989 г., представляет собой расширенную версию шины ISA. В ее разъемы могут вставляться как ее собственные контроллеры, так и контроллеры для шины ISA. Эта шина работает с частотой 8-10 МГц и является 32-разрядной, благодаря чему позволяет адресовать до 4 Гбайт памяти и достигать скорости обмена данными 33 Мбайт/с. К недостаткам шины EISA относятся невысокая скорость обмена данными при обработке изображений, графики и относительно высокая стоимость контроллеров для нее.
Для обеспечения работы с высокоскоростными устройствами были разработаны два стандарта локальных шин: VESA и PCI.
Шина VESA (или VL-bus, VLB) появилась как расширение шины ISA для обмена видеоданными. Она реализует непосредственный доступ процессора к соответствующим контроллерам. Для работы с низкоскоростными устройствами в ПК, имеющими шину VESA, обычно устанавливается другая шина, например EISA. В шине VESA используются 32 линии для передачи данных и 30 линий для передачи адресов. Максимальная скорость передачи по шине теоретически может достигать 130 Мбайт/с. Вторая версия стандарта VESA предусматривает использование 64-разрядной шины данных. Теоретически скорость передачи может достигать 400 Мбайт/с. К шине обычно подключается не более трех устройств.
Шина PCI разработана фирмой Intel для своего нового высокопроизводительного процессора Pentium, однако может использоваться и в других компьютерных платформах. К ней может быть подключено до 10 устройств. В шине PCI используется 32- или 64-разрядная передача данных, при этом скорость передачи данных теоретически может достигать соответственно 132 и 264 Мбайт/с.
Шина AGP (Accelerated Graphics Port) представляет собой новый стандарт передачи данных, который позволяет графической карте использовать оперативную память ПК. Архитектура шины PCI не справляется с задачами, в которых современная ЗЭ-графика с высоким разрешением (1024×768 и более точек) должна еще и быстро перемещаться на экране монитора. Такие анимации PCI обрабатываются медленно и с искажениями. Наращивать объем видеопамяти на самой видеокарте нецелесообразно, поскольку это не способствует увеличению скорости вывода графики на экран монитора из-за ограниченной тактовой частоты шины PCI (33 МГц).
(70) Буферизация шин. Управление системной магистралью.
Буферизация (от англ. buffer) — метод организации обмена, в частности, ввода и вывода данных в компьютерах и других вычислительных устройствах, который подразумевает использование буфера для временного хранения данных. При вводе данных одни устройства или процессы производят запись данных в буфер, а другие — чтение из него, при выводе — наоборот.
Что такое буферизованный модуль? Для чего нужна буферизация?
Как известно, в микросхемах DRAM ячейкой, в которой хранится информация, является конденсатор. Как следствие, одновременно с информационной емкостью модулей памяти растет и емкость электрическая. Тем, кто знаком с теорией электрических цепей, известно также, что постоянная времени (грубо говоря, время зарядки) конденсатора прямо пропорциональна емкости. В результате, по мере роста емкости (уже неважно какой) модулей памяти им требуется все больше времени, чтобы воспринять сигнал от контроллера . Соответственно, если банально наращивать емкость модулей памяти при существующем контроллере, рано или поздно "запаздывание" модуля достигнет такого значения, что нормальная совместная работа двух устройств станет невозможной.
Проблема была осознана примерно к моменту появления 168-контактных DIMM, и при разработке контроллеров для систем с этими модулями (первыми, кажется, были PowerMac) было предложено следующее решение - контроллер общается с DRAM не напрямую, а через микросхему, именуемую буфером, которая сама по себе имеет низкую емкость, и, соответственно, способна мгновенно принимать сигнал от контроллера, освобождая системную шину . Дальнейшая зарядка ячеек DRAM идет уже без участия контроллера. Сам по себе буфер представляет собой дополнительную микросхему, размеры которой, в принципе, могут быть разными, но обычно меньше, чем чипы собственно памяти. В зависимости от количества банков буферов может быть больше одного.
Однако прежде, чем 168-контактные DIMM прочно вошли в обиход, произошло еще одно событие - появились и стали легкодоступны микросхемы с рабочим напряжением 3.3В. Все та же теория гласит, что время зарядки конденсатора пропорционально также и напряжению, таким образом, снижение напряжения несколько сняло остроту проблемы. К моменту массовой разработки контроллеров памяти для DIMM-ориентированных систем индустрия оказалась полностью дезориентированной, в результате, в компьютерах разных производителей могут применяться DIMM практически любой комбинации буферизованность/напряжение. Насколько можно судить, небуферизованные модули не работоспособны в системах, предназначенных для модулей буферизованных, и наоборот (в действительности установить DIMM с "неверной буферизацией" не позволяет наличие ключа, см. соответствующий вопрос ). SDRAM DIMM в буферизованном исполнении не встречаются, однако уже разработана аналогичная буферу конструкция и для них. Она носит название register, а соответствующие модули - registered .
Управление системной магистралью
Операция на системной магистрали начинается с того, что управляющий модуль устанавливает на шине кодовое слово модуля - отправителя и активизирует линию строба отправителя. Это позволяет модулю, кодовое слово которого установлено на шине, понять, что он является отправителем. Затем управляющий модуль устанавливает на кодовое слово модуля - получателя и активизирует линию строба получателя. Это позволяет модулю, кодовое слово которого установлено на шине, понять, что он является получателем.
После этого управляющий модуль возбуждает линию строба данных, в результате чего содержимое регистра отправителя пересылается в регистр получателя. Этот шаг может быть повторен любое число раз, если требуется передать много слов. Данные пересылаются от отправителя получателю в ответ на импульс, возбуждаемый управляющим модулем на соответствующей линии строба. При этом предполагается, что к моменту появления импульса строба в модуле - отправителе данные подготовлены к передаче, а модуль - получатель готов принять данные. Такая передача данных носит название синхронной (синхронизированной).
Процессы на магистралях могут носить асинхронный характер. Передачу данных от отправителя получателю можно координировать с помощью линий состояния, сигналы на которых отражают условия работы обоих модулей. Как только модуль назначается отправителем, он принимает контроль над линией готовности отправителя, сигнализируя с ее помощью о своей готовности принимать данные. Модуль, назначенный получателем, контролирует линию готовности получателя, сигнализируя с ее помощью о готовности принимать данные.
При передаче данных должны соблюдаться два условия. Во-первых, передача осуществляется лишь в том случае, если получатель и отправитель сигнализируют о своей готовности. Во-вторых, каждое слово должно передаваться один раз. Для обеспечения этих условий предусматривается определенная последовательность действий при передачи данных. Эта последовательность носит название протокола.
В соответствии с протоколом отправитель, подготовив новое слово, информирует об этом получателя. Получатель, приняв очередное слово, информирует об этом отправителя. Состояние линий готовности в любой момент времени определяет действия, которые должны выполнять оба модуля.
Каждый шаг в передаче данных от одной части системы к другой называется циклом магистрали (или часто машинным циклом). Частота этих циклов определяется тактовыми сигналами ЦП. Длительность цикла магистрали связана с частотой тактовых сигналов.