12. Назначение и основные функции базовой системы ввода-вывода

ВIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода/вывода) – это программa, предназначенная для первоначального запуска компьютера, инициализации и настройки оборудования, подключённого к материнской плате, и обеспечения функций ввода/вывода. BIOS записывается в микросхему постоянной памяти, расположенную на системной плате. По сути, BIOS есть набор драйверов (драйвер – программа управления устройством), обеспечивающих работу системы при запуске компьютера или при загрузке в безопасном режиме.

Изначально основным назначением BIOS было обслуживание устройств ввода/вывода (клавиатуры, экрана и дисковых накопителей), поэтому ее и назвали «базовая система ввода/вывода». В современных компьютерах BIOS выполняет несколько функций:

• Запуск компьютера и процедура самотестирования (POST, PowerOn Self Test). Программа, расположенная в микросхеме BIOS, загружается первой после включения питания компьютера. Она детектирует и проверяет установленное оборудование, настраивает устройства и готовит их к работе. Если во время самотестирования будет обнаружена неисправность оборудования, то процедура POST будет остановлена с выводом соответствующего сообщения или звукового сигнала. Если же все проверки прошли успешно, самотестирование завершается вызовом встроенной подпрограммы для загрузки операционной системы.

• Настройка параметров системы с помощью программы BIOS Setup. Во время процедуры POST оборудование настраивается в соответствии с параметрами BIOS, хранящимися в специальной CMOS-памяти (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Изменяя эти параметры, пользователи могут настраивать работу отдельных устройств и системы в целом по своему усмотрению. Редактируются они в специальной программе настройки, которую также называют BIOS Setup или CMOS Setup. Изменяя параметры BIOS, мы можем добиться оптимальной работы всех компонентов системы, однако к этому следует основательно подготовиться, поскольку ошибочные значения приводят к тому, что система будет работать нестабильно или не будет работать вообще.

• Поддержка функций ввода/вывода с помощью программных прерываний BIOS. В составе системной BIOS есть встроенные функции для работы с клавиатурой, видеоадаптером, дисководами, жесткими дисками, портами ввода/вывода и др. Эти функции широко используются в операционных системах, подобных MS-DOS, и практически не используются в современных версиях Windows.

• Идентификация и конфигурация устройств PCI, PCI BIOS

• Обслуживание аппаратных прерываний от системных устройств (таймера, клавиатуры, дисков), BIOS Hardware Interrupts

• Автоматическое распределение системных ресурсов, PnP BIOS

Все функции или их часть исполняет системный модуль BIOS, хранящийся в микросхеме ПЗУ или флэш-памяти на системной плате. Большинство сервисных функций выполняется в 16-битном режиме, хотя некоторые новые функции могут иметь и альтернативные вызовы для 32-битного исполнения.

13. Центральный процессор компьютера: принципы организации, параметры

Микропроцессор, иначе, центральный процессор (ЦП) – Central Processing Unit (CPU) – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем (БИС или СБИС).

В общем случае в состав микропроцессора входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), блок управления и синхронизации, ЗУ, регистры и другие блоки, необходимые для выполнения операций вычислительного процесса. Как БИС микропроцессор характеризуется степенью интеграции, потребляемой мощностью, помехоустойчивостью, нагрузочной способностью активных выводов (определяющей возможность подключения к данному микропроцессору других БИС), технологией изготовления, типом корпуса, техническим ресурсом, устойчивостью к механическим, климатическим и радиационным воздействиям. Как вычислительное устройство микропроцессор характеризуется производительностью, разрядностью обрабатываем данных выполняемых команд, возможностью увеличения разрядности, числом команд (микрокоманд), количеством внутренних регистров, возможностью обеспечения режима прерывания (уровней приоритета), способностью к обработке десятичных кодов, объемом адресной памяти, наличием канала прямого доступа к памяти, типом и числом входных и выходных шин и их разрядностью, наличием и видом программного обеспечения, способом управления.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

• чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

• чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств;

• прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;

• обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ;

• выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.

Архитектура микропроцессора – принцип его внутренней организации, общая структура, конкретная логическая структура отдельных устройств. Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

В соответствии с архитектурными особенностями, определяющими свойства системы команд, различают:

• Микропроцессоры с CISC – архитектурой. CISC (Complex Instruction Set Computer) – компьютер со сложной системой команд. Исторически они первые и включают большое количество команд. Все микропроцессоры корпораций Intel и AMD относятся к категории CISC;

• Микропроцессоры с RISC – архитектурой. RISC (Reduced Instruction Set Computer) – компьютер с сокращенной системой команд. Упрощена система команд и сокращена до такой степени, что каждая инструкция выполняется за единственный такт. Вследствие этого упростилась структура микропроцессора, и увеличилось его быстродействие.

• Микропроцессоры с MISC – архитектурой. MISC (Minimum Instruction Set Computer) – компьютер с минимальной системой команд. Последовательность простых инструкций объединяется в пакет, таким образом, программа преобразуется в небольшое количество длинных команд.

Разрядность – максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться или передаваться одновременно.

Разрядность микропроцессора обозначается m/n/k/ и включает:

• m – разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

• n – разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

• k – разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства.

Объем адресуемой памяти – максимальный объем памяти, который может обслужить микропроцессор.

32-х разрядный микропроцессор может обслужить 64 Гб (4х109 байт) памяти, а 64-х разрядный микропроцессор может обслужить 64 Тб (64х1012 байт) памяти.

Набор дополнительных инструкций применяется в современных CISC-микропроцессорах и способен значительно ускорить их работу, при условии поддержки данных наборов со стороны приложения.

Тактовая частота – это количество электрических импульсов в секунду. Тактовая частота задается кварцевым генератором – одним из блоков, расположенных на материнской плате. Тактовая частота кварцевого генератора выдерживается с очень высокой точностью.

CPU Clock – внутренняя частота процессора, на которой работает его вычислительное ядро. Эта частота на системной плате не присутствует, но на плате могут быть средства задания коэффициента умножения. Коэффициент умножения большинства современных процессоров фиксирован изготовителем; раньше его задавали перемычками на системной плате, заземляющими определенные выводы процессора. Новые процессоры способны динамически изменять коэффициент умножения (для управления потреблением). Микропроцессор, работающий на частоте 2 ГГц, выполняет 2 миллиарда рабочих тактов в секунду. В зависимости от сложности обрабатываемой команды процессору для выполнения задачи необходимы сотни и тысячи тактов. Но для выполнения простых операций бывает достаточно одного такта. Чем выше тактовая частота ядра, тем выше скорость обработки данных.

Любой процессор обязательно оснащен процессорной шиной, которую в среде x86 CPU принято называть FSB (Front Side Bus). Эта шина служит каналом связи между процессором и всеми остальными устройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жестким диском, и т. д. Между собственно памятью и процессором находится контроллер памяти. Соответственно процессор посредством FSB связывается с контроллером памяти, а уже тот, в свою очередь, по специальной шине – с модулями ОЗУ на плате.

Микропроцессор имеет две частоты – тактовая частота ядра и частота системной шины. Чем выше частота системной шины, тем выше скорость передачи данных между микропроцессором и остальными устройствами.

Кэш-память – быстрая память малой емкости, используемая процессором для ускорения операций, требующих обращения к памяти. Кэш – промежуточное звено между микропроцессором и оперативной памятью.

Дешифратор (декодер). На самом деле, исполнительные блоки всех современных x86-процессоров вовсе не работают с кодом в стандарте x86. У каждого процессора есть своя, «внутренняя» система команд, не имеющая ничего общего с теми командами (тем самым «кодом»), которые поступают извне. В общем случае, команды, исполняемые ядром – намного проще, «примитивнее», чем команды стандарта x86. Именно для того, чтобы процессор «внешне выглядел» как x86 CPU, и существует такой блок как декодер; он отвечает за преобразование «внешнего» x86-кода во «внутренние» команды, исполняемые ядром (при этом достаточно часто одна команда x86-кода преобразуется в несколько более простых «внутренних»).

Регистры процессора. Регистр – совокупность устройств, используемых для хранения информации, и обеспечения быстрого доступа к ней. К регистрам общего назначения относят:

• Регистр AX является основным сумматором и применяется для всех операций ввода-вывода, некоторых операций над строками и некоторых арифметических операций.

• Регистр BX является базовым регистром. Это единственный регистр общего назначения, который может использоваться в качестве индекса для расширенной адресации.

• Регистр CX является счетчиком. Он необходим для управления числом повторений циклов и для операций сдвига влево или вправо. Регистр (CX) используется также для вычислений.

• Регистр DX является регистром данных. Он применяется для некоторых операций ввода-вывода и операций умножения и деления над большими числами.