Аверянов Основы современной информатики 2007
.pdfВпоследствии IBM довольно быстро утратила монополию на контроль рынка ПК. Именно этим объясняется разработка IBM но-
вого семейства: машины IBM PS/1, PS/2, PS/VP и т.д. (PS-Personal System). В этом новом семействе IBM отказывается от принципа открытой архитектуры компьютеры абсолютно не совместимы на аппаратном (конструктивном) уровне с предыдущими моделями IBM PC, хотя и сохраняют программную совместимость. Однако эта система не имела такой популярности, а девять ведущих американских фирм, объединившись, продолжили линию IBM PC. IBM предприняла очередную попытку обойти конкурентов на рынке персональных компьютеров, объединившись с фирмами Apple и Motorola. Совместными усилиями был разработан новый микропроцессор POWER, однокристальный вариант которого POWER PC используется для персональных компьютеров, разрабатываемых этими фирмами. И хотя по многим параметрам эти ПК значительно превосходят IBM PC, преодолеть монополию IBM PC пока не удается. Поскольку семейство ПК IBM PC – самые распространенные в мире настольные и переносные компьютеры общего пользования, полезно рассмотреть динамику их развития и современное состояние.
Первая модель ПК этого семейства IBM PC имела ОП 64 Кбайт, шину расширения – ISA, накопитель на гибких дисках – 360 Кбайт
(1981 г.).
Следующий класс ПК – IBM PC/XT (Extended Technology) –
имел ОП 1 Мбайт, винчестерские диски, процессор 8088 (1983 г.).
Наконец, в 1984 г. появились ПК IBM PC/AT (Advanced Technology) с процессором 80286/287, шиной ISA, адресуемой памятью 16 Мбайт и набором стандартной периферии.
В настоящее время класс машин AT развивается в нескольких направлениях, 16-разрядный процессор заменен на 32-разрядный; ОП адресуется в пространстве четырех и даже 64 Гбайт; хотя шина ISA по-прежнему сохранена, появился ряд новых шин гораздо большей производительности.
Современные тенденции развития этого класса ПК очень сильно связаны с политикой фирмы Intel, которая пытается исключить из рынка производителей МП конкурентов, разрабатывающих аналогичные процессоры. Развитие компьютеров ПК IBM-клона вступило в этап сегментации, которая определятся спецификациями. Так,
101
спецификация 1999 г., PC99, предусматривает разделение компьютеров по сферам применения на три категории: нижний уровень – базовый офисный или потребительский (Basic Office & Consumer PC), для досуга и развлечений (Entertaiment PC) и рабочие станции (Workstation PC). Многие новые продукты начинают выпускаться сразу в нескольких вариантах, хотя и имеющих единую основу, но ориентированную на разные сегменты рынка.
Для процессоров сегментация проявилась наиболее отчетливо. Фирма Intel выделила три класса процессоров – Celeron для ком-
пьютеров базового уровня, PentiumII/PentiumIII/PentiumIV для ком-
пьютеров производительного уровня (досуг и развлечения) и Xeon для мощных рабочих станций и серверов. Все они созданы на единой основе*, но отличаются типом разъема – Socket 370 Slot1, Slot2 и т.п., что ограничивает миграцию между сегментами.
При этом существующая тенденция, когда с появлением нового процессора ПК предшествующий тип МП опускается на более низкий уровень приложений, затрудняется.
3.3. Архитектура ПК, системные и локальные шины, состав периферийных устройств
Архитектура ПК определятся системой шин, с помощью которых ЦП связан с ОП и периферийными устройствами.
Современная архитектура ПК является результатом довольно длительного развития, необходимость которого связана, прежде всего, с эволюцией МП и расширением спектра периферийных устройств, а также повышением их быстродействия.
Чтобы иметь ясное представление о современной архитектуре ПК полезно посмотреть на динамику ее развития.
На начальном этапе в архитектуре ПК использовалась единая шина (эта конструкция была использована фирмой DEC еще в 1960 – 70 гг. прошлого столетия для своих мини-компьютеров начального уровня).
ПК изначально также строились на основе одной системной шины ISA (Industry Standard Architecture), EISA (Extended ISA) или MCA (Micro Channel Architecture). Необходимость сохранения ба-
ланса производительности по мере роста быстродействия микро-
* За исключением Xeon.
102
процессоров привела к двухуровневой организации шин ПК, а затем и к трехуровневой (которая на начальном этапе применялась только в рабочих станциях и серверах). Динамика развития архитектуры отражена на рис. 3.1, 3.2 и 3.3, где представлена организация компьютеров различной производительности. В табл. 3.2 даны характеристики шин, применяемых ПК с начала их производства и до наших дней.
Рис. 3.1. ISA: все компоненты системы на одной шине
Рис. 3.2. Compaq Desk Pro 386/20: архитектура EISA
103
Рис. 3.3. HP Vectra XP: архитектура PCI
Таблица 3.2
Характеристики шин, применяемых в ПК (данные до 2000 г., быстродействие VSA и PCI указано пиковое, в скобках реальное)
|
Характери- |
XT-bus |
AT-bus |
MCA |
ISA |
EISA |
VSA(VL) |
PCI |
|
|
стика/Тип |
|
|||||||
|
|
|
|
|
Промыш- |
Про- |
|
|
|
|
Разработчик |
IBM |
IBM |
IBM |
ленный |
мышлен- |
VESA |
INTEL |
|
|
|
|
|
|
стандарт |
ный стан- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дарт |
|
|
|
|
Разрядность |
20 |
24 |
24/32, 32 |
20 |
32 |
32 |
32(64) |
|
|
шины адреса |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Разрядность |
8 |
8,16 |
8, 16, 24, |
8, 16, 32 |
8,16 |
32(64) |
32 (64) |
|
|
шины данных |
|
|
32 |
|
|
|
|
|
|
Быстродейст- |
5 |
10 |
20 – 25 |
5 – 10 |
33 |
130(80) |
133(60) |
|
|
вие, Мбайт/с |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
104 |
|
|
|
|
|
ISA – промышленный стандарт, для архитектуры первых моделей ПК (PC, PC/XT, PC/AT 286,386), характеризуется относительно невысокими скоростями обмена информации по шине и невысокой стоимостью, эта архитектура совместима с фирменными шинами
IBM – XT-bus и AT-bus.
EISA – расширенный промышленный стандарт, предложенный для реализации большого объема адресуемой ОП и ускорения вычислительных и обменных операций ПК с микропроцессорами 80386, 80486, является значительно более дорогостоящим расширением шины ISA, поэтому при многошинной организации, как правило, не применяется.
MCA – стандарт фирмы IBM, разработанный для моделей семейства PS/2. Характеризуется значительным ускорением обмена данными между отдельными устройствами ПК (особенно с ОП), однако эта архитектура совершенно не совместима с ISA и EISA.
VL-bus – локальная шина, предложенная ассоциацией VESA (Video Electronics Standard Association). Предназначена для увели-
чения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей (локальной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора). Шина ориентирована на процессор 80486. Следующая спецификация этой шины для процессоров Pentium с ожидавшейся скоростью 400 Мбайт/с дальнейшего распространения не получила.
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) так же, как и VL-bus,
поддерживает канал передачи между ЦП и периферийными устройствами. При работе с процессором 80486 она имеет примерно те же показатели, что и VL-bus. В отличие от последней шина независима от процессора, подключается к нему через специальный адаптер (поэтому название локальной применительно к PCI не совсем точно). Эта шина получила очень широкое распространение и применяется не только в ПК, но и в рабочих станциях, и серверах.
Постоянное увеличение тактовой частоты МП, его способность обрабатывать потоки данных до гигабайт в секунду, привело к появлению самой быстрой внешней шины процессора FSB (Front Side Bus), к которой подключились самые быстродействующие устрой-
ства (внешний кэш, ОП, AGP – Accelerated Graphic Port).
Попыткой сбалансировать быстродействие ЦП и ОП является двойная разрядность этой шины (64 разряда) и организация двух-
105
канальной ОП. И, наконец, полная согласованность по частоте процессора и внутренней кэш первого уровня была достигнута благодаря размещению еще одной шины (BSB – Back Side Bus) внутри кристалла (об этом говорилось выше).
Конструктивно архитектура ПК (системный интерфейс) реализуется на системной плате и связана с понятием Чипсет (Chip set) – набором интегральных схем, формирующих блок вычислительной системы, реализующий все необходимые связи основных компонентов – процессора, памяти и шин расширения.
Два варианта архитектуры ПК для МП фирмы Intel (в современной терминологии – дизайн) представлены на рис. 3.4.
Значительное развитие за истекший период получили также интерфейсы периферийного оборудования. Большую популярность приобрел интерфейс ввода-вывода, который, как правило, применялся в рабочих станциях и серверах. Это интерфейс SCSI (Small Computer System Interface – интерфейс малых вычислительных систем Ultra 160, Ultra 320 и т.п.), который располагается между системной шиной компьютера и периферийными устройствами. Этот интерфейс обеспечивает подключение нескольких внешних устройств (прежде всего дисковых накопителей), обеспечивая высокую скорость передачи. Для малых систем применяются, как правило, диски со встроенными интерфейсами IDE (Integrated Drive Electronics), которые подключаются различными способами к системным интерфейсам и в последнее время составляют конкурен-
цию SCSI (Series ATA).
В связи с широким распространением мультимедийных приложений и значительным увеличением потоков данных разработан новый стандарт подключения графических адаптеров – AGP (Accelerated Graphic Port), получивший широкое распространение, так как значительно ускоряет обмен с видеоадаптером, не перегружая системную шину PCI.
Современные интерфейсы периферийного оборудования (контроллеры) представлены в табл. 3.3.
Следует отметить, что значительное развитие в последнее время получил последовательный интерфейс (USB – Universal Serial Bus), который пришел на смену «старинному» RS 232. В то же самое время использование параллельных интерфейсов значительно сократилось.
106
Рис. 3.4. Классический и хабовый дизайн системных плат
Таблица 3.3
Интегрированные контроллеры
Контроллер |
Краткая |
Функции |
характеристика |
||
PCI |
32-разрядная 33- |
Подключение плат |
МГц шина расши- |
расширения |
|
|
рения |
|
|
|
ISA |
8- или 16-разрядная |
Подключение плат |
|
шина расширения |
расширения |
||
|
|||
|
|
|
|
|
Контроллеры |
|
|
|
параллельного, |
|
|
|
последовательного |
|
|
Super I/O |
портов, PS/2 мыши, |
|
|
|
PS/2 клавиатуры, |
|
|
|
инфракрасного |
|
|
|
порта, флоппи- |
|
|
|
дисковода и др. |
|
|
|
Параллельный 16- |
|
|
|
разрядный порт: |
Подключение жестких |
|
|
АТА66-66 Мбайт/с, |
дисков и других |
|
ATA (IDE) |
АТА100-100 |
||
устройств хранения |
|||
|
Мбайт/с, |
||
|
данных |
||
|
АТА133-133 |
||
|
|
||
|
Мбайт/с |
|
|
|
Последовательный |
Для подключения |
|
Serial ATA |
порт, 1500 Мбит/с |
жестких дисков |
|
|
(150 Мбайт/с) |
|
|
|
|
Подключение принте- |
|
|
|
ров, сканеров, указа- |
|
|
|
тельных устройств, |
|
USB 1.1 |
Последовательный |
устройств хранения |
|
порт, 12 Мбит/с |
данных и других. |
||
|
|
Должен заменить |
|
|
|
устаревшие парал- |
|
|
|
лельный и последова- |
|
|
|
тельные порты |
Примечание
Внекоторых чипсетах встраивается всеверный мост. Более производительные решения – PCI64, PCI-X реализуются обычнона отдельных контроллерах, подключаемых к
северному мосту Относится к устаревшим. При необходимости реализуется на отдельном контроллере, подключаемом через LPC (Low Pin Cjnnector)
Обычно реализуются в отдельном чипе, подключаемом через LPC. Относится к устаревшим
В большинстве моделей поддерживается АТА100. В некоторых АТА133
Реализован в 2002 г.
108
|
|
|
Продолжение табл. 3.3 |
|
|
|
|
|
|
Контроллер |
Краткая характери- |
Функции |
Примечание |
|
|
стика |
|
|
|
|
|
Подключение скоро- |
|
|
USB 2.0 |
Последовательный |
стной периферии |
Интегрированные вари- |
|
(сканеров, устройств |
анты только начинают |
|
||
|
порт, 480 Мбит/с |
хранения данных и |
появляться |
|
|
|
др.) |
|
|
|
|
Подключение скоро- |
|
|
|
|
стных периферийных |
Интегрированные вари- |
|
ЕЕЕ 1394 |
Последовательный |
устройств (сканеров, |
|
|
порт, 400 Мбит/с |
устройств хранения |
анты только начинают |
|
|
|
|
данных и др.) и ау- |
появляться |
|
|
|
|
|
|
|
|
дио/видеоустройств |
Требуются дополнитель- |
|
|
Цифровая часть |
Реализация недорогих |
|
|
АС'97 |
звукового контрол- |
программных звуко- |
ные компоненты (кодеки |
|
|
лера АС'97 |
вых плат или модемов |
и другие) |
|
|
|
|
Реализуется не во всех |
|
LAN |
Последовательный |
Построение локаль- |
моделях. Иногда требует |
|
(Ethernet) |
порт, |
ных сетей |
дополнительных компо- |
|
10-1000 Мбит/с |
нентов. Нынешние реше- |
|
||
|
|
|
||
|
|
|
ния – 10-100 Мбит/с |
|
|
Контролирует |
|
|
|
|
температуру, на- |
|
|
|
|
пряжения питания, |
|
Реализуется не во всех |
|
Мониторинг |
скорость вращения |
|
|
|
|
моделях |
|
||
|
вентиляторов и |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
некоторые другие |
|
|
|
|
параметры |
|
|
|
Создание ПК привело к значительному прогрессу в разработке периферийных устройств компьютеров. Особенно эта тенденция просматривается на примере ВЗУ. При значительно меньших размерах они обладают значительно большей емкостью и быстродействием, чем устройства совсем недавнего прошлого. Спектр этих устройств также значительно расширился. В табл. 3.4 приведены основные типы ВЗУ, применяемые в ПК.
Устройства на магнитной ленте (компакт-кассетах) уже к 2000 г. достигли емкости в десятки гигабайт (тогда как первые такие накопители имели емкости немногим больше 100 Кбайт) и применяются они для резервного копирования и как архивы длительного хранения.
109
|
|
|
Характеристики ВЗУ |
Таблица 3.4 |
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
Тип |
Стри- |
Жесткие |
|
|
Оптические |
Магни- |
|
Флоппи-диски |
тоопти- |
||||||
ВЗУ |
меры |
диски |
|
|
диски |
ка |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обо- |
STD, |
НЖМД |
НГМД |
|
CD-ROM, |
DVD-ROM, |
|
|
CD-R |
DVD-R |
|
||||
SDX, |
|
MO, |
|||||
значе- |
STS, |
(НDD), |
(FDD, |
ZIP |
(worm), |
(worm), |
MOD |
ние |
TS2 |
JAZ |
HIFO) |
|
CD-RW |
DVD-RW |
|
|
|
|
|
(warm) |
(warm) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
4-25 |
6-36 |
1,44 |
|
|
|
|
Объем |
Мбайт |
100-250 |
650 Мбайт |
4,7-17 |
9,1 |
||
Гбайт |
Гбайт |
(100-200 |
Мбайт |
Гбайт |
Гбайт |
||
|
|
|
Мбайт) |
|
|
|
|
Время |
– |
7 – 10 мс |
100 мс |
28 мс |
70 – 300 мс |
80 – 300 мс |
17 – |
доступа |
|
|
|
|
|
|
19 мс |
Жесткие диски по-прежнему составляют основу системных ВЗУ, хотя их емкость также значительно увеличилась (от 5 – 10 Мбайт в первых системах до нескольких десятков гигабайт к 2000 г.). Самыми «долгоживущими» среди ВЗУ являются флоппидиски, представляющие личные архивы пользователей. До последнего времени используются дискеты на 1,44 Мбайт, разработанные фирмой Sony еще в 1980 г. Попытки заменить их аналогичными дисками емкостью свыше 100 Мбайт имели незначительный успех.
Широкое распространение получили компактные устройства магнитооптики, имеющие довольно малое время доступа. Повсеместно в практику рядовых пользователей вошли оптические ВЗУ,
развивающиеся в сторону WARM (Write And Read Many times). С
переходом на новый формат DVD их емкость значительно увеличилась, о чем говорилось ранее.
3.4. Рабочие станции, серверы и суперсерверы
Создание RISC-процессоров и микросхем памяти с большой емкостью привело к окончательному оформлению настольных систем высокой производительности, которые сегодня известны как рабочие станции. Первоначальная ориентация рабочих станций на про-
110