ЭВУ 2 семестр / Презентации ЭВУ в пдф / Левая метода

1

«Архитектура ЭВМ»

1.Перечислите и объясните четыре принципа Фон-Неймана, положенные в основу построения подавляющего большинства ЭВМ. Нарисуйте схему машины Фон-Неймана.

-2

2.Изобразите подробную структурную схему ПК (микропроцессор, память, системная шина, контроллеры, внешние устройчтва и т.д.) и поясните назначение её компонентов - 3

3.Назначение шин PCI и PCI-Express и их сравнение. - 4

4.Назначение шины USB и её архитектура. - 8

5.Материнская плата. Назначение, основные характеристики, устройство, чипсет, северный и южный мосты, BIOS, PnP, слоты, AGP, PCI, PCI-Express, IDE, SATA, PS/2, COM, LPT, D-SUB, DVI, LAN, VRM. - 10

6.Микропроцессоры. Структура Intel x86: УУ, АЛУ, память, интерфейс. Классификация по архитектуре системы команд: CISC и RISC. Параллельная архитектура. - 13

7.Многоядерные процессоры Intel серии Core. Сравнение с Pentium D. Энергопотребление технологии Centrino. Core Duo и Core 2 Duo. - 18

8.Типы памяти: ROM, SRAM и DRAM. Принцип работы DRAM. Подтипы: SIMM, DIMM, RDRAM, DDR SDRAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM. - 25

9.Жесткий диск. Принципы работы накопителей на жестких дисках. Основные компоненты накопителей. Дорожки, секторы, цилиндры. Форматирование диска: низкоуровневое, организация разделов на диске, высокоуровневое. Технология

S.M.A.R.T. - 32

10.Оптический привод. Принцип чтения и записи. Оптические диски: CD-ROM, CD-R, CDRW, DVD, Blu-Ray. - 41

11.Видеокарта. Назначение и основные компоненты видеокарты: BIOS, графический процессор, видеопамять, ЦАП, шина, видеодрайвер. Технологии SLI и CROSSFIRE. Разрешение экрана и битность цвета. - 46

12.Характеристики электросети и факторы, негативно влияющие на качество электропитания. Сетевой фильтр. Блок питания: трансформаторный, импульсный; сравнение. Стабилизаторы. Виды ИБП. - 53

13.Принципы работы и устройство ЭЛТ-мониторов. - 57

14.Принципы работы и устройство ЖК-мониторов (STN, DSTN, TFT). Принципы работы и устройство плазменной панели. - 62

15.Клавиатура. Принцип работы. Скан-коды.

Мышь. Типы. Устройство и принципы работы опто-механических, оптических и лазерных мышей. - 71

16.Сканеры. Виды, принцип действия, основные характеристики. - 76

17.Принтеры. Технологии печати: матричная, струйная, лазерная, светодиодная, термосублимационная, трёхмерное прототипирование. - 79

2

Перечислите и объясните четыре принципа Фон-Неймана, положенные в основу построения подавляющего большинства ЭВМ. Нарисуйте схему

машины Фон-Неймана.

Архитектура фон Неймана

В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым венгерского происхождения ДЖОНОМ фон НЕЙМАНОМ.

1. Принцип двоичного кодирования

Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.

2. Принцип программного управления

Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

3. Принцип однородности памяти

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - чисчло, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

4. Принцип адресности

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:

1.Устройства ввода/вывода информации

2.Память компьютера

3.Процессор, состоящий из устройства управления (УУ) и арифметикологического устройства (АЛУ)

Машины, построенные на этих принципах, называются фон-неймановскими.

Схематичное изображение машины фон Неймана.

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «Машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана (нем. von Neumann), подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Наличие жёстко заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций и представление вычислительного процесса, как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к расмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

3

Изобразите подробную структурную схему ПК (микропроцессор, память, системная шина, контроллеры, внешние устройчтва и т.д.) и поясните назначение её компонентов.

4

Назначение шин PCI и PCI-Express и их сравнение.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus)

Разработка шины PCI началась весной 1991 года как внутренний проект корпорации Intel (Release 0.1). Специалисты компании поставили перед собой цель разработать недорогое решение, которое бы позволило полностью реализовать возможности нового поколения процессоров 486/Pentium/P6 (вот уже половина ответа). Особенно подчеркивалось, что разработка проводилась "с нуля", а не была попыткой установки новых "заплат" на существующие решения. В результате шина PCI появилась в июне 1992 года

(R1.0).

Благодаря такому решению шина получилась, во-первых, процессоронезависимой (в отличие от VLbus), а во-вторых, могла работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Например, процессор работает себе с кэшем или системной памятью, а в это время по сети на винчестер пишется информация.

Основные возможности шины следующие

Синхронный 32-х или 64-х разрядный обмен данными. При этом для уменьшения числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же линиям.

Поддержка 5V и 3.3V логики. Разъемы для 5 и 3.3V плат различаются расположением ключей

Частота работы шины 33MHz или 66MHz (в версии 2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима):

132 МВ/сек при 32-bit/33MHz;

264 MB/сек при 32-bit/66MHz;

264 MB/сек при 64-bit/33MHz;

528 МВ/сек при 64-bit/66MHz.

При этом для работы шины на частоте 66MHz необходимо, чтобы все периферийные устройства работали на этой частоте.

Полная поддержка multiply bus master (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине).

Автоматическое конфигурирование карт расширения при включении питания. Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте

(например, видео + звук и т.д.).

Шина позволяет устанавливать до 4 слотов расширения, однако возможно использование моста PCI-PCI для увеличения количества карт расширения.

PCI-устройства оборудованы таймером, который используется для определения максимального промежутка времени, в течение которого устройство может занимать шину.

Шина поддерживает метод передачи данных, называемый "linear burst" (метод линейных пакетов). Этот метод предполагает, что пакет информации считывается (или

5

записывается) "одним куском", то есть адрес автоматически увеличивается для следующего байта. Естественным образом при этом увеличивается скорость передачи собственно данных за счет уменьшения числа передаваемых адресов.

Шина PCI является той черепахой, на которой стоят слоны, поддерживающие

"Землю" - архитектуру Microsoft/Intel Plug and Play (PnP) PC architecture.

PCI Express

По прогнозам, за следующие десять лет требования к пропускной способности шин ввода-вывода возрастут в 50 раз. Но традиционная архитектура параллельных шин типа PCI и AGP уже почти достигла предела своих возможностей (физический лимит для них - примерно 1 ГГц). PCI Express призвана заменить шину PCI (и ее клон - AGP), исправно работающую в компьютерной технике уже более десяти лет. Напомним, что PCI в свое время пришла на смену "первому поколению" - шине ISA. Однако на сей раз изменения при переходе на новый стандарт куда большие, чем при переходе от ISA к PCI, - они в PCI Express носят не столько количественный, сколько качественный характер, и в целом их можно охарактеризовать как "переход от параллельных шин к последовательным", что является сейчас общеиндустриальной тенденцией развития шин передачи данных.

В то время как процессоры уже не первый год успешно движутся в направлении параллельных архитектур (SIMD-расширения, суперскалярность, конвейеризация, HyperTreading и многоядерность), шины передачи данных не менее успешно переходят на последовательные решения. Причины обеих тенденций схожи и довольно просты - необходимо сбалансированно наращивать производительность всех компонентов компьютеров, однако не всякие существующие архитектурные решения способны эффективно масштабироваться.

Микропроцессорам проще работать с параллельными шинами передачи данных, они обеспечивают лучшую производительность при меньшей частоте, но, к сожалению, их тяжело масштабировать на высокие частоты - при этом сильно повышаются требования к физической разводке шины, заметно возрастает латентность (чтобы синхронизировать "одновременные" сигналы во всех проводах шины), да и места они занимают много - сравните, например, шлейфы IDE (UltraATA) и SerialATA. Поскольку себестоимость производства чипа сегодня все равно выходит примерно одинаковой (если не считать экономию на "ножках микросхемы"), то порой дешевле делать более сложный кристалл

6

контроллера шины, чем плодить золотые контакты и многочисленные проводники на печатной плате. Поэтому стремление разработчиков перейти на параллельные шины довольно естественно - хотя бы с точки зрения экономии контактов и места на разводку шины. С другой - последовательную шину гораздо проще заставить работать на повышенных тактовых частотах, поэтому удается значительно поднять производительность. Более того, отличная масштабируемость последовательных шин вроде PCI Express и HyperTransport относительно легко достигается путем как повышения частоты работы, так и добавлением нескольких последовательных линий к шине.

PCI Express разработана с расчетом на разнообразные применения - от полной замены шин PCI в настольных компьютерах и серверах до использования в мобильных, встроенных и коммуникационных устройствах. Номинальной рабочей частотой шины PCI Express является 2,5 ГГц. При этом пиковая производительность (на один канал передачи данных, без учета двунаправленности) всего на 50% больше, нежели производительность "обычной" 33-мегагерцовой PCI - 200 против 133 Мбайт/с. То есть для перехода на последовательную шину с сопоставимой производительностью понадобилось 75-кратное (!) увеличение тактовой частоты - до значений, о которых два-три года назад можно было только мечтать.

Неудивительно, что PCI Express появилась только сегодня - раньше для нее просто не было технических предпосылок.

О разводке новой шины

Шина PCI Express помимо низкой латентности обладает очень высокой скоростью передачи данных в расчете на один сигнальный контакт - около 100 Мбайт/с. Для сравнения: у обычной шины PCI этот показатель - всего лишь 1,58 Мбайт/с на контакт (32 бит х 33 МГц / 84 сигнальных контакта), у 133-мегагерцовой PCI-X 1.0 - 11,4 Мбайт/с на контакт

(64х133/93), у AGP 8X - 19,75 Мбайт/с на контакт (32х533/108), а у Intel Hub Link 2 - 26,6

Мбайт/с на контакт (2x16 бит на 8х66 МГц/40 контактов). Это позволяет, во-первых, экономить за счет контактов (на корпусах микросхем и позолоченных разъемах), а во-вторых - за счет более компактной разводки шин.

Электрические улучшения (пониженное затухание в линиях передачи и повышенная чувствительность приемников данных) позволяют снизить требования к импедансу входных цепей и увеличить длину проводников шины на платах: сейчас она ограничивается 30,5 см для системных плат (от чипа до разъема), 9 см для плат контроллеров (и видеокарт) и 38 см для соединений между чипами на одной плате. Причем разводка может быть как четырех-, так и шестислойной - без каких-то особо критичных требований.

Разработчики PCI Express не стали изобретать велосипед и взяли за основу наработки в области сетевого оборудования. Получилось что-то очень напоминающее Gigabit Ethernet - и на физическом уровне, и на уровне протоколов передачи данных. Первое и самое главное отличие новой шины: PCI Express является последовательной, а значит, четко разнесены уровни представления данных и уровень их передачи. Если в параллельной шине, например PCI, данные непосредственно появляются на шине (вместе с какой-то дополнительной информацией - CRC, адресом получателя и пр.), что и обуславливает простоту их посылки и получения, то в последовательной шине сказать что-либо о "физическом носителе" заранее невозможно. Информация, которую необходимо передать, просто упаковывается в пакеты, куда заносятся данные о получателе и коды обнаружения/исправления ошибок - а получившийся сплошной поток (где идут вперемешку данные, приложения и вспомогательная информация) уже передается - абсолютно неважно каким способом - через физическую среду.

Приемник, в свою очередь, распаковывает прибывшие пакеты, исправляет ошибки или запрашивает повторную передачу, определяет получателя и направляет пакет далее. Собственно, "последовательность" шины вовсе не значит, что данные передаются побитно

7

(хотя в случае с PCI Express это так), а понимается в том смысле, что данные и служебная информация передаются последовательно, по одним и тем же каналам (в отличие от параллельной передачи той же информации). Стандарт PCI Express предусматривает схему организации данных, показанную на рис.

Как и в любой сети, передаваемые данные дополнительно нарезаются небольшими кусочками - фреймами. При тактовой частоте шины 2,5 ГГц мы получим скорость 2,5 Гбит/с. С учетом выбранной схемы "8/10" выходит 250 Мбайт/с, однако многоуровневая сетевая иерархия не может не сказаться на скорости работы, и реальная производительность шины

оказывается значительно ниже - всего лишь около 200 Мбайт/с в каждую сторону. Впрочем, даже это на 50% больше, чем теоретическая пропускная способность шины PCI. Но это далеко не предел: PCI Express позволяет объединять в шину нескольких независимых линий передачи данных. Стандартом предусмотрено использование 1, 2, 4, 8, 16 и 32 линий - передаваемые данные поровну распределяются между ними по схеме "первый байт на первую линию, второй - на вторую, ..., n-й байт на n-ю линию, n+1-й снова на первую, n+2 снова на вторую" и так далее. Это не параллельная передача данных и даже не увеличение разрядности шины (поскольку все передающиеся по линиям данные передаются абсолютно независимо и асинхронно) - это именно объединение нескольких независимых линий. Именно этим достигается прекрасная масштабируемость PCI Express, позволяющая организовывать шины с максимальной пропускной способностью до 32x200=6,4 Гбайт/с в одном направлении (см. табл.), под стать лучшим параллельным шинам сегодняшнего дня.

PCI Express относится к шинам класса "точка-точка", то есть одна шина может соединять только два устройства (в отличие от PCI, где на общую шину "вешались" все PCIслоты компьютера), поэтому для организации подключения более чем одного устройства в топологию организуемой PCI Express, как и в Ethernet-решениях на базе витой пары или устройствах USB, придется вставлять хабы и свитчи, распределяющие сигнал по нескольким шинам. Это тоже одно из главных отличий PCI Express от прежних параллельных шин.

8

Назначение шины USB и её архитектура.

USB (Universal Serial Bus) – это популярная универсальная последовательная шина. Предназначена для легкого подключения различного вида устройств это клавиатуры, мыши, джойстики, колонки, модемы, мобильные телефоны, ленточные, дисковые, оптические и магнитооптические накопители, флэш-диски, сканеры и принтеры, словом все, что подключается к ПК

Разработка шины началась в 1995 году, когда многие компании, стремясь следовать провозглашенному принципу Plug'n'Play стремились создать нечто, позволяющее сделать процедуру добавления новых устройств в систему максимально простой, да и к тому же универсальное, пригодное для большого числа разного вида устройств. При подключении устройства система автоматически определяет, какой ресурс, включая программный драйвер и пропускную способность, нужен каждому периферийному устройству и делает этот ресурс доступным без вмешательства пользователя.

Спецификация протоколов USB: USB 1.1 – 12 Мбит/с

USB 2.0 - 480 Мбит/с

USB 3.0 – 5 Гбит/с + оптимизация для пониженного уровня энергопотребления и повышенной эффективности (первое полугодие 2008г.)

Подключаемые устройства, потребляющие небольшой ток, могут быть запитаны от шины USB. Максимальный ток, который может обеспечить шина равен 500 мА. Это ток, доступный всем устройствам на шине (при этом на стадии подключения и конфигурирования потребляемый ток не должен превышать 100 мА, в противном случае устройство просто не будет инициировано)

Архитектурная особенность шины USB в том, что её логическая топология - многоуровневая звезда.

комплекс, в обязанности хоста входит:

- слежение за подключением и отключением устройств;

- организация управляющих потоков между USB-устройством и хостом;

9

-организация потоков данных между USB-устройством и хостом;

-контроль состояния устройств и ведение статистики активности; снабжение подключенных устройств электропитанием.

Хост контроллер - аппаратная часть, посредник между хостом и устройствами на

шине.

Концентратор (хаб). Позволяет множественные подключения к одному порту, создавая дополнительные порты. Каждый хаб имеет один восходящий порт, предназначенный для подключения к имеющемуся в наличии свободному порту, и несколько нисходящих, к которым могут быть подключены или снова концентраторы, или конечные устройства, либо совмещенные устройства. Хаб должен следить за подключением и отключением устройств, уведомляя хост об изменениях, управлять питанием портов.

Функциональное устройство. С точки зрения USB, устройство - это набор конечных точек с которыми возможен обмен данными. Число и функции точек зависят от устройства и выполняемых им функций, и определяются при производстве. В обязательном порядке присутствует точка с номером 0 - для контроля состояния устройства и управления им. До осуществления конфигурирования устройства через точку 0 остальные каналы не доступны.

Все передачи данных инициируются хостом в соответствии определенной временной программой. Функциональные устройства сами не могут инициировать передачу, а лишь отвечают на запросы хоста. Если у устройства возникла необходимость передать данные, оно не может никаким образом дать знать об этом хосту. Для того, что бы выполнить такую передачу, хост должен обратиться у устройству с вопросом, не имеет ли оно желание чеголибо ему сказать (послав пакет in). В ответ на что устройство вышлет ему имеющиеся данные и дождется получения подтверждения. Соответственно, если хост не обратиться с таким вопросом, то данные никогда не будут переданы.

10

Материнская плата. Назначение, основные характеристики, устройство, чипсет, северный и южный мосты, BIOS, PnP, слоты, AGP, PCI,

PCI-Express, IDE, SATA, PS/2, COM, LPT, D-SUB, DVI, LAN, VRM.

Материнская плата имеет несколько основных характеристик:

Форм-фактор (AT/ATX) - определяет форму, размеры материнских плат, расположение компонент на плате. Важно: форм-фактор платы определяет, в какой тип корпуса вы можете ее поставить. Корпуса соответственно бывают AT/ATX. ATX стоит дороже, но предоставляет дополнительные возможности: программное включение/выключение компьютера, более надежный разъем питания, лучшая вентиляция корпуса. Существуют платы, которые одновременно поддерживают оба форм-фактора.

Разъем процессора – указывает на виды поддерживаемых материнской платой процессоров.

Количество и тип разъемов для плат расширения (PCI, AGP, PCI-Express, DIMM, IDE, SATA). Для подключения плат расширения (видеокарт, звуковых карт, внутренних модемов, модулей памяти, жёстких дисков и др.) необходимо иметь на плате достаточное количество разъемов расширения соответствующего типа. Слоты для установки оперативной памяти. От слотов для установки плат отличаются наличием специальных замочков- "защелок". Количество слотов обоих типов может варьироваться от 2 до 6.

Chip Set - набор микросхем. Это одна или несколько микросхем, таймеры, систему управления пспециально разработанных для "обвязки" микропроцессора. Они содержат в себе контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти,амятью и шиной - все те компоненты, которые в оригинальной IBM PC были собраны на отдельных микросхемах. Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени с CMOS-памятью и иногда - клавиатурный контроллер, однако эти блоки могут присутствовать и в виде отдельных чипов. В последних разработках в состав микросхем наборов для