2. Классификация по способу действия над операндами:

• ·последовательные АЛУ, где каждая операция выполняется последовательно над каждым разрядом;

• ·параллельные АЛУ, операция выполняется над всеми разрядами данных одновременно;

• ·последовательно - параллельные АЛУ, где слово данных делится на слоги, обработка данных ведется параллельно над разрядами слога и последовательно над слогами.

3. Классификация по использованию систем счисления:

• двоичная;

• двоично- десятичная;

• восьмеричная;

• шестнадцатеричная;

и т.д.

4. Классификация по характеру использования элементов и узлов:

блочные- для выполнения отдельных арифметических операций в структуру АЛУ вводят специальные блоки, что позволяет процесс обработки информации вести параллельно;

конвейерные- в конвейерных АЛУ операция разбивается на последовательность микроопераций, выполняемых за одинаковые промежутки времени (такты) на разных ступенях конвейера, что позволяет выполнять операцию над потоком операндов каждый такт;

многофункциональные- это универсальные АЛУ, выполняющие множество операций в одном устройстве. В таких АЛУ требуется настройка на выполнение данной операции при помощи кода операции.

5.Классификация по временным характеристикам.

По временным характеристикам АЛУ делятся на:

синхронные- в синхронных АЛУ каждая операция выполняется за один такт.

асинхронные- не тактируемые АЛУ, обеспечивающие высокое быстродействие, так как выполняются на комбинационных схемах.

6.Классификация по структуре устройства управления:

АЛУ с жесткой логикой устройства управления;

АЛУ с микропрограммным управлением.

21. Иерархическая структура памяти. Основная память ЭВМ.

Иерархическая структура памяти является традиционным решением проблемы хранения больших объемов данных (рис. 2.15). На самом верху иерархии находятся регистры процессора. Доступ к регистрам осуществляется быстрее всего. Дальше идет кэш-память, объем которой сейчас составляет от 32 Кбайт до нескольких мегабайтов. Затем следует основная память, которая в настоящее время может вмещать от 16 Мбайт до десятков гигабайтов. Затем идут магнитные диски и, наконец, накопители на магнитной ленте и оптические диски, которые используются для хранения архивов.

Память ЭВМ

        совокупность технических устройств и процессов, обеспечивающих запись, хранение и воспроизведение информации в ЭВМ. Память — основная часть любой вычислительной системы или отдельной вычислительной машины, она реализуется аппаратурно — в виде комплекса взаимосвязанных запоминающих устройств (См. Запоминающее устройство) (ЗУ) — и программными средствами. Максимальное количество информации, которое может храниться в П. ЭВМ (ёмкость), определяется суммарной ёмкостью всех ЗУ, а быстродействие П. ЭВМ зависит как от быстродействия отдельных ЗУ, так и от принципов их организации в единую систему памяти и способов обмена информацией внутри этой системы. С увеличением ёмкости П. ЭВМ её быстродействие, как правило, снижается за счёт возрастания времени, необходимого для поиска нужной информации в больших массивах, а также вследствие увеличения времени пробега импульсов по электрическим цепям.

22. Оперативная память ПК. Адресное и ассоциативное ОЗУ, принципы работы.

Операти́вная па́мять— энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой, исходя из названия, временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции. Обязательным условием является адресуемость (каждое машинное слово имеет индивидуальный адрес) памяти.

23. Виды адресации. Линейная, страничная, сегментная память. Стек.

Виды адресации

Адресация- это различные способы указать системе, где находится файл. Адресация бывает двух видов:

полная (абсолютная)

относительная

Полная адресация		адресация, которая не зависит от текущего адреса, т.к. задаёт полный путь до файла.
Относительная адресация		адресация, которая подразумевает обращение к файлу относительно текущего адреса. В частности, сохраняется протокол обращения к файлам, подразумевается, что файл находится на том же сервере или устройстве.

Линейная адресация памяти – схема адресации памяти компьютера.

Благодаря введению механизма линейной адресации можно создавать любое (сколько в память влезет) количество адресных пространств. Причём каждая страница линейного адресного пространства может находиться по любому (естественно, выравненному по границе 4 КБайт) физическому адресу, а благодаря обработчику #PF и на любом накопителе ^[1].

Страничная память — способ организации виртуальной памяти, при котором единицей отображения виртуальных адресов на физические является регион постоянного размера (т. н. страница). Типичный размер 4096 байт, для некоторых архитектур до 128 КБ.

Поддержка такого режима присутствует в большинстве 32битных и 64битных процессорах. Такой режим является классическим для почти всех современных ОС, в том числе Windows и семейства UNIX. Широкое использование такого режима началось с процессора VAX и ОС VMS с конца 70х годов (по некоторым сведениям, первая реализация). В семействе x86 поддержка появилась с поколения 386, оно же первое 32битное поколение.

Сегментная адресация памяти — схема логической адресации памяти компьютера в архитектуре x86. Линейный адрес конкретной ячейки памяти, который в некоторых режимах работы процессора будет совпадать с физическим адресом, делится на две части: сегмент и смещение. Сегментом называется условно выделенная область адресного пространства определённого размера, а смещением — адрес ячейки памяти относительно начала сегмента. Базой сегмента называется линейный адрес (адрес относительно всего объёма памяти), который указывает на начало сегмента в адресном пространстве. В результате получается сегментный (логический) адрес, который соответствует линейному адресу база сегмента+смещение и который выставляется процессором на шину адреса.

Стек (англ. stack — стопка) — структура данных, в которой доступ к элементам организован по принципу LIFO (англ. last in — first out, «последним пришёл — первым вышел»). Чаще всего принцип работы стека сравнивают со стопкой тарелок: чтобы взять вторую сверху, нужно снять верхнюю.

Добавление элемента, называемое также проталкиванием (push), возможно только в вершину стека (добавленный элемент становится первым сверху). Удаление элемента, называемое также выталкиванием (pop), тоже возможно только из вершины стека, при этом второй сверху элемент становится верхним.

24. Кэш-память: назначение, структура, основные характеристики.

промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из оперативной (ОЗУ) и быстрее внешней (жёсткий диск или твердотельный накопитель) памяти, за счёт чего уменьшается среднее время доступа и увеличивается общая производительность компьютерной системы. Доступ к данным, хранящимся в кэше программным путем на процессорах линейки [x86] невозможен.

Структурная единица кэш-памяти называется блоком. В примере, оказанном на рис. 5.4, используются блоки длиной 4 слова. Обмен содержимым между кэш-памятью и основной памятью осуществляется блоками. Кэш-память организуется как ассоциативная память, поэтому при обращении старшие биты адреса используются в качестве признака адреса, а младшие биты - для выбора слова в блоке. Слова внутри блока имеют непрерывные адреса. Как и в случае виртуальной памяти, в каждом блоке имеется поле управляющих данных. Бит V показывает, что в этом блоке хранится правильное содержимое, бит А - к данному блоку осуществляется обращение, бит W - -в данный блок осуществляется запись.

25. Динамическая память. Режимы работы: запись, хранение, считывание, режим регенерации.

Динамическая память - DRAM (Dynamic RAM) - получила свое название от принципа действия элемента памяти, хранящего один бит информации. Запоминающим элементом служит конденсатор, являющийся емкостью перехода исток -  сток полевого транзистора. При записи логической единицы в элемент памяти конденсатор заряжается, при записи нуля - разряжается. При чтении информации конденсатор тоже разряжается и, если заряд был не нулевым, усилитель считывания устанавливает на выходе единичное значение потенциала, и  конденсатор специальной схемой перезаписи снова заряжается до потенциала логической единицы. При отсутствии обращения к элементу динамической памяти со временем, за счет токов утечки, конденсатор разряжается и информация теряется, поэтому такая память требует постоянного периодического перезаряда конденсаторов методом перезаписи каждого элемента (регенерации). Следовательно,  память может работать только в динамическом режиме, с постоянным перезарядом конденсаторов ячеек памяти. Этим она принципиально отличается от статической памяти, реализуемой на триггерных ячейках и хранящей информацию без обращений к ней статично, сколь угодно долго при включенном питании. Благодаря относительной простоте ячейки динамической памяти,  на одном кристалле удается размещать миллионы ячеек и получать сравнительно недорогую полупроводниковую память, пускай и недостаточно высокого быстродействия, но с  умеренным энергопотреблением. Используется динамическая память в качестве оперативной памяти компьютера и оперативной памяти видеоадаптера. 

Регенерация памяти

В различных типах микросхем динамической памяти нашли применение три основные метода регенерации (см. рисунок ниже):

1. одним сигналом RAS (ROR - RAS Only Refresh);

2. сигналом CAS, предваряющим, сигнал RAS (CBR - CAS Before RAS); 3. скрытая и автоматическая регенерация (SR - Self Refresh).

Регенерация одним RAS использовалась еще в первых микросхемах DRAM. На шину адреса выдается адрес регенерируемой строки, сопровождаемый сигналом RAS. При этом выбирается строка ячеек и хранящиеся там данные поступают во внутренние цепи микросхемы, после чего записываются обратно. Так как сигнал CAS не появляется, цикл чтения/записи не начинается. В следующий раз на шину адреса подается адрес следующей строки и т. д., пока не восстановятся все строки, после чего цикл повторяется. К недостаткам метода можно отнести занятость шины адреса в момент регенерации, когда доступ к другим устройствам блокирован. Особенность метода CBR в том, что если в обычном цикле чтения/ записи сигнал RAS всегда предшествует сигналу CAS, то при появлении сигнала CAS первым начинается специальный цикл регенерации. В этом случае адрес строки не передается, а микросхема использует свой внутренний счетчик, содержимое которого увеличивается на единицу при каждом очередном СВR-цикле. Режим позволяет регенерировать память, не занимая шину адреса, то есть более эффективен (см. рисунок ниже).

26. Модификации динамической оперативной памяти. Основные модули памяти. Наращивание емкости памяти.

Основная (Main) память размещается на главной плате в виде модулей - невысоких плат, вертикально вставляемых в специальные слоты (модули памяти приобретаются отдельно). Иногда ее называют главной памятью. Далее, для краткости будем иногда говорить просто память. При выборе памяти необходимо обеспечить:

соответствие по разъемам между слотами системной платы и модулями памяти;

соответствие скорости шины памяти с внешней частотой ЦП;

достаточную емкость памяти.

На модуле размещены чипы памяти, выводы которых впаяны в его плату. Чипы могут располагаться на одной или на обеих сторонах модуля, в один или два ряда, а их число в ряду - доходить до 16. Ключи (пропилы) на модуле не позволят установить плату неправильно. Основная память управляется контроллером памяти, который входит в состав чипсета (северного моста).

27. Статическая память. Применение и принцип работы. Разновидности статической памяти.

28. Устройства специальной памяти: постоянная память (ПЗУ), перепрограммируемая постоянная память (флэш-память), видеопамять.

29. Базовая система ввода/вывода (BIOS): назначение, функции, модификация.

30. Понятие интерфейса. Классификация интерфейсов.

Интерфейс, по определению – это правила взаимодействия операционной системы с пользователями, а также соседних уровней в сети ЭВМ. От интерфейса зависит технология общения человека с компьютером. Интерфейс – это, прежде всего, набор правил. Как любые правила, их можно обобщить, собрать в «кодекс», сгруппировать по общему признаку. Современными видами интерфейсов являются:

1) Командный интерфейс. Командный интерфейс называется так по тому, что в этом виде интерфейса человек подает «команды» компьютеру, а компьютер их выполняет и выдает результат человеку. Командный интерфейс реализован в виде пакетной технологии и технологии командной строки.

2) WIMP – интерфейс (Window – окно, Image – образ, Menu – меню, Pointer – указатель). Характерной особенностью этого вида интерфейса является то, что диалог с пользователем ведется не с помощью команд, а с помощью графических образов – меню, окон, других элементов. Хотя и в этом интерфейсе подаются команды машине, но это делается «опосредственно», через графические образы. Этот вид интерфейса реализован на двух уровнях технологий: простой графический интерфейс и «чистый» WIMP – интерфейс.

3) SILK – интерфейс (Speech – речь, Image – образ, Language – язык, Knowlege – знание). Этот вид интерфейса наиболее приближен к обычной, человеческой форме общения. В рамках этого интерфейса идет обычный «разговор» человека и компьютера. При этом компьютер находит для себя команды, анализируя человеческую речь и находя в ней ключевые фразы. Результат выполнения команд он также преобразует в понятную человеку форму. Этот вид интерфейса наиболее требователен к аппаратным ресурсам компьютера, и поэтому его применяют в основном для военных целей.

Физическая реализация интерфейса – состав и характеристики линий передачи, конструкция средств их подключения, вид и характеристики сигналов

Логическая реализация интерфейса – протоколы взаимодействия (алгоритмы формирования сигналов обмена)

Характеристики интерфейсов:

- вид связи: дуплексная (сообщения могут одновременно передаваться в двух направлениях – два канала связи), полудуплексная (сообщения могут передаваться в двух направлениях, но одновременно – только в одном), симплексная (сообщения могут передаваться только в одном направлении) передачи

- пропускная способность – количество информации, передаваемое через интерфейс в единицу времени

- максимальное допустимое расстояние между устройствами или суммарная длина линий между всеми устройствами интерфейса

- задержки при организации передачи, вызванные необходимостью выполнения подготовительных и завершающих действий по установлению связи между устройствами

Классификация интерфейсов:

- по способу соединения компонентов системы: магистральные, радиальные, цепочные, комбинированные

- по способу передачи информации: параллельные, последовательные, параллельно-последовательные

- по принципу обмена: синхронные, асинхронные

- по режиму передачи информации: односторонняя передача (симплекс), двусторонняя поочередная передача (полудуплекс), двусторонняя одновременная передача (дуплекс)

- по признакам функционального назначения: системные (для организации связи между основными компонентами компьютеров и контроллеров), периферийного оборудования (выполняют функции сопряжения с ПУ), локальных и глобальных ВС

Организация интерфейсов определяется способами передачи информации (параллельная или последовательная, асинхронная или синхронная), соединения устройств и использования линий. Цифровые сообщения могут передаваться в последовательной и параллельно-последовательной форме

Последовательный интерфейс: передача данных осуществляется по одной линии (общее число линий может быть и больше, когда по дополнительным линиям передаются сигналы синхронизации и управления)«–»:малая скорость передачи «+»:низкая стоимость. Применяются для подключения низкоскоростных ПУ, расположенных на значительных расстояниях от ЭВМ

Параллельный интерфейс: передача сообщения выполняется последовательными блоками, содержащими n бит (n – ширина интерфейса, обычно кратна байту – 8, 16). Каждый блок передается одновременно по n линиям

Для исключения возможности приема неправильной кодовой комбинации в параллельных интерфейсах вводят дополнительную линию стробирования. Сигнал, передаваемый по ней, соответствует завершению установления сигналов на входах приемника. Необходимо передать сигнал строба с задержкой относительно момента выдачи информационных сигналов на линии

Группы линий интерфейса: информационный канал и магистраль управления информационным каналом

По информационному каналу передаются коды данных, адресов, команд, состояний

Магистраль управления информационным каналом:

- шина передачи управления (арбитраж и захват информационного канала)

- шина управления обменом (синхронизация обмена)

- шина линии прерываний (идентификация устройства, запрашивающего сеанс обмена информацией)

- шина специальных управляющих сигналов линии (контроль источника питания, контроль передаваемой информации, сигнал общего сброса)

Основные функции интерфейса:

- арбитраж информационного канала

- синхронизация обмена информацией

- координация взаимодействия

- обмен и преобразование информации выполняются информационным каналом интерфейса (преобразование параллельного кода в последовательный код и наоборот, перекодирование информации, дешифрация команд и адресов, логические действия над содержимым регистра состояний)

- буферное хранение информации (не обязательно)

Координация взаимодействия:

- настройка на взаимодействие: опрос и анализ состояния вызываемого устройства (может ли участвовать в обмене); чаще всего реализуется программно

- контроль взаимодействия (разрешение тупиковых ситуаций при асинхронном обмене, повышение достоверности передаваемых данных)

- передача функции управления (в интерфейсах с децентрализованной структурой управления)

 

31. организация взаимодействия ПК с периферийными устройствами.

В предыдущих двух сериях статей рассматривались два основных устройства ПК: процессор (часть 1, часть 2) и оперативная память (часть 1, часть 2, часть 3). Все остальные устройства, имеющиеся в составе персонального компьютера, предназначены для взаимодействия с внешним по отношению к компьютеру миром. Внешний мир - это пользователи ПК, другие ПК, прочие технические устройства, которые могут работать под управлением ПК или совместно с ПК.

Устройства взаимодействия ПК с внешним по отношению к нему миром мы будем именовать «периферийные устройства» персонального компьютера (от слова «периферия», т.е. отдаленная территория в общем смысле этого слова).

В компьютерной терминологии термин «периферия» объединяет собой все устройства ПК, кроме процессора и оперативной памяти. Есть и другие термины для этих устройств, например, «устройства ввода-вывода данных», «дополнительные устройства» и др.

Периферийные устройства персонального компьютера – это клавиатура, манипулятор «мышь», монитор, принтер, жесткий диск, привод CD-/DVD- дисков, модем, сетевая карта (для подключения к сети Интернет), видеокамера, сканер и т.п. Несмотря на великое многообразие периферийных устройств ПК,  все они взаимодействуют с процессором и оперативной памятью примерно одинаковым образом, о чем будет сказано далее.

Периферийные устройства персонального компьютера бывают внутренние и внешние. Внутренние устройства устанавливаются внутрь ПК (внутрь системного блока). Примеры внутренних периферийных устройств персонального компьютера – это жесткие диски, встроенный привод CD-/DVD- дисков и т.п.

Внешние устройства подключаются к  портам ввода-вывода, при этом за взаимодействие этих устройств внутри ПК отвечают порты ввода-вывода. Примеры внешних периферийных устройств персонального компьютера – это принтеры, сканеры, внешние (подключаемые извне ПК) приводы CD-/DVD- дисков, камеры, манипулятор «мышь», клавиатура и т.п.

Каждое внутреннее устройство имеет контроллер (от английского слова controller – устройство управления). Для внешних устройств эту функцию выполняет контроллер порта, к которому это устройство подключено. Этот контроллер порта ввода-вывода автоматически перестраивается в режим работы с внешним устройством, подключаемым к этому порту. Об этом была написана статья «Разъемы ПК: часть 2».

Во всем остальном внутренние и внешние периферийные устройства персонального компьютера  работают по одним и тем же принципам.

Контроллер периферийного устройства (и контроллер порта ввода-вывода) подключается к общей шине ПК. Соответственно, получается, что все периферийные устройства персонального компьютера подключены к общей шине компьютера через контроллеры. И к этой же общей шине подключаются процессор и оперативная память ПК.

Контроллер осуществляет постоянное взаимодействие с процессором и оперативной памятью ПК через общую шину ПК. Контроллер отвечает за получение информации от процессора и из оперативной памяти, и за передачу данных процессору или в оперативную память.

Данная схема связи с периферийным устройством позволяет быстродействующему процессору работать, не замедляя работы из-за относительной по сравнению с процессором медлительности периферийных устройств персонального компьютера. Контроллер периферийного устройства работает со скоростью процессора, не замедляя его работу. А задержки приема-передачи информации от периферийного устройства к процессору и наоборот компенсирует контроллер устройства, беря на себя соответствующие функции «притормаживания» приема-передачи данных.

Такой подход позволяет согласовать между собой высокопроизводительные устройства (процессор и память) с относительно медленными периферийными устройствами персонального компьютера.

Быстродействующие периферийные устройства, например, жесткие диски, могут работать с оперативной памятью в режиме прямого доступа. Это означает, что контроллеры этих устройств могут записывать/считывать данные из ячеек оперативной памяти, минуя обработку этих данных процессором. Подобный режим позволяет не перегружать процессор.

Некоторые периферийные устройства персонального компьютера могут иметь и собственную оперативную память, а также собственный специализированный процессор для автономной обработки данных. Это позволяет еще больше  разгружать основной процессор и основную оперативную память. К таким устройствам относится, например, видеокарта, которая осуществляет вывод информации на экран монитора.

Некоторые видеокарты, например, игровые, которые предназначены для воспроизведения на экране монитора трехмерных картинок с быстро меняющимся пейзажем, кроме всего прочего могут иметь в своем составе специальный процессор, ускоряющий обработку данных.

Требования к конфигурации игровых компьютеров значительно выше, чем к офисным  ПК, так как периферийные устройства игрового ПК должны «помогать» основному процессору компьютера в воспроизведении игровых ситуаций, строящихся на сложной трехмерной графике, разнообразном движении, звуковом сопровождении и т.п.

Благодаря периферийным устройствам компьютер становится доступным для работы пользователей. С появлением «дружественных» пользователям периферийных устройств компьютеры стали незаменимыми помощниками людей.

32. Чипсет: назначение и схема функционирования.

В буквальном переводе чипсет (chipset) означает «набор микросхем». Чипсет, который также называют набором системной логики, — это одна или чаще две микросхемы (чипы), предназначенные для организации взаимодействия между процессором, памятью, портами ввода-вывода и остальными компонентами компьютера. На заре развития компьютерной техники для организации взаимодействия между отдельными элементами ПК использовались десятки отдельных микросхем, что, конечно же, было крайне неудобно. И только с появлением процессора i486 отдельные микросхемы стали объединять в одну-две большие микросхемы, которые и получили наименование чипсета.

созданием шины PCI отдельные микросхемы чипсета стали называть мостами — так появились устоявшиеся термины: северный мост (North Bridge) и южный мост (South Bridge) чипсета, при этом северный мост соединяется непосредственно с процессором, а южный — с северным. В некоторых случаях производители объединяют северный и южный мост в одну микросхему, и такое решение называют одночиповым, а если микросхемы две, то это — двухмостовая схема.

В северный мост чипсета традиционно включены контроллер памяти (за исключением чипсетов для процессоров с архитектурой AMD64), контроллер графической шины (AGP или PCI Express x16), интерфейс взаимодействия с южным мостом и интерфейс взаимодействия с процессором. В некоторых случаях северный мост чипсета может содержать дополнительные линии PCI Express x1 для организации взаимодействия с картами расширения, имеющими соответствующий интерфейс.

На южный мост чипсета возлагается функция организации взаимодействия с устройствами ввода-вывода. Южный мост содержит контроллеры жестких дисков (SATA и/или PATA), USB-контроллер, сетевой контроллер (только MAC-уровень), контроллер PCI-шины и PCI-Express-шины, контроллер прерывания и DMA-контроллер. К тому же в южный мост обычно встраивается звуковой контроллер, и в этом случае еще необходима внешняя к чипсету микросхема кодека. Кроме того, южный мост соединяется с еще двумя важными микросхемами на материнской плате: микросхемой ROM-памяти BIOS и микросхемой Super I/O, отвечающей за последовательные и параллельные порты и за флоппи-дисковод.

Для соединения северного и южного мостов друг с другом используется специальная выделенная шина, причем разные производители используют для этого разные шины (с различной пропускной способностью):

• Intel — DMI (Direct Media Interface),

• ULi — HyperTransport;

• VIA — V-Link;

• SiS — MuTIOL;

• ATI — HyperTransport, PCI Express;

• NVIDIA — HyperTransport.

Как правило, название чипсета совпадает с названием северного моста, хотя более правильным является указание именно совокупности северного и южного мостов, поскольку во многих случаях один и тот же северный мост чипсета может сочетаться с различными вариантами южных мостов.

Чипсет является основой любой материнской платы. Фактически функциональность материнской платы и ее производительность на 90% определяются именно чипсетом, от которого зависят поддерживаемый тип процессора, тип памяти, а также функциональные возможности по подключению периферийных устройств.

Выбор чипсетов на сегодня очень велик. И если процессоры выпускают всего две компании: Intel и AMD, то чипсеты производят и Intel, и VIA, и SiS, и NVIDIA, и ATI, и ULi.

33. Системная шина и её параметры. Интерфейсные шины и связь с системной шиной.

Системная шина — это «паутина», соединяющая между собой все устройства и отвечающая за передачу информации между ними. Расположена она на материнской плате и внешне не видна. Системная шина — это набор проводников (металлизированных дорожек на материнской плате), по которым передается информация в виде электрических сигналов.

Чем выше тактовая частота системной шины, тем быстрее будет осуществляться передача информации между устройствами и, как следствие, увеличится общая производительность компьютера, т. е. повысится скорость компьютера.

В персональных компьютерах используются системные шины стандартов ISA, EISA, VESA, VLB и PCI. ISA, EISA, VESA и VLB, которые в настоящее время являются устаревшими и не выпускаются на современных материнских платах. Сегодня самой распространенной является шина PCI.

Существуют и специализированные шины, например внутренние шины процессоров или шина для подключения видеоадаптеров — AGP.

Все стандарты различаются как по числу и использованию сигналов, так и по протоколам их обслуживания.

Шина входит в состав материнской платы, на которой располагаются ее проводники и разъемы (слоты) для подключения плат адаптеров устройств (видеокарты, звуковые карты, внутренние модемы, накопители информации, устройства ввода/вывода и т. д.) и расширений базовой конфигурации (дополнительные пустующие разъемы).

Существуют 16- и 32-разрядные, высокопроизводительные (VESA, VLB, AGP и PCI с тактовой частотой более 16 МГц) и низкопроизводительные (ISA и EISA с тактовой частотой 8 и 16 МГц) системные шины. Также шины, разработанные по современным стандартам (VESA, VLB и PCI), допускают подключение нескольких одинаковых устройств, например нескольких жестких дисков, а шина PCI обеспечивает самоконфигурируемость периферийного (дополнительного) оборудования — поддержку стандарта Plug and Play, исключающего ручную конфигурацию аппаратных параметров периферийного оборудования при его изменении или наращивании. Операционная система, поддерживающая этот стандарт, сама настраивает оборудование, подключенное по шине PCI, без вмешательства пользователя.

Имеются как 64-разрядные расширения шины PCI, так и 32-разрядные, работающие на частоте 66 МГц.

34. Системная плата: архитектура и основные разъемы.

Что такое системная плата? Системная (иначе - материнская) плата является главным элементом любого современного компьютера и объединяет практически все устройства, входящие в его состав. Основой материнской платы является набор ключевых микросхем, также называемый набором системной логики или чипсетом (подробнее о нем - ниже). Тип чипсета, на котором построена материнская плата, целиком и полностью определяет тип и количество комплектующих, из которых состоит компьютер, а также его потенциальные возможности.

На ней устанавливаются следующие обязательные компоненты:

1. микропроцессор или несколько процессоров

2. память: постоянная (ROM), оперативная (ОЗУ, DRAM), кэш-память (SRAM)

3. шины расширения

4. кварцевый генератор тактовой частоты

5. источник питания (литиевая батарейка) для поддержания работоспособности внутренних часов

6. разъемы для подключения питания от блока питания ПК

7. разъем клавиатуры

8. разъем для кнопок управления

9. разъем для светодиодов на лицевой панели корпуса

10. разъем системного динамика

11. регулятор напряжения питания

12. разъемы для подключения гибких и жестких дисков

13. адаптеры последовательных сом-портов и lpt-портов

14. SCSI-контроллеры, SVGA-адаптеры, в случае интегрированных плат

Архитектура материнской платы напрямую зависит от внешней архитектуры микропроцессора.

Используемые архитектуры.       Для создания материнских плат обычно используют специальный набор микросхем - чипсет. Обычно он состоит из двух основных частей: южного и северного моста (North Bridge, South Bridge), но нужно отметить, что сейчас встречаются варианты, выполненные на одной микросхеме. Северный мост обычно служит для организации связи процессора с памятью и AGP, а южный мост подсоединяется к северному мосту и служит для работы переферией (IDE, ISA, EEPROM и т.д.). Объять необъятное невозможно, поэтому начнем с попытки классификации. Архитектуры материнских плат наиболее верно (на сегодня) разбить на две группы: с использованием для связи между мостами PCI шины, и с применением специальных интерфейсов.

35. Внутренние интерфейсы ПК: шины ISA, EISA, PCI, AGP и их характеристики.

Шины ISA, EISA, MCA

   Наиболее распространены три основных стандарта системной шины для IBM-совместимых ПК:

Industry Standard Architecture (ISA);

Extended Industry Standard Architecture (EISA);

Micro Channel Architecture (MCA).

   ISA - системная шина (ISA-bus), которая была специально разработана в 1984 г. под возможности процессоров i80286 для IBM PC/AT286. Для ISA-шины часто используется другое название - AT-шина. Эта шина была предназначена заменить шину ХТ ПК IBM PC/XT и аналогичных IBM-совместимых ПК на основе процессоров i8086, i8088 и их аналогов. Ввиду неперспективности морально устаревшей шины XT ее особенности и возможности рассматривать здесь нецелесообразно. Шина ISA позволяет передавать 16-разрядные данные и команды с частотой 8 МГц, что соответствует скорости 16 Мбайт/с. Значения этих параметров были сравнительно высокими и достаточными не только для того уровня развития компьютерной техники, они и в настоящее время часто удовлетворяют требованиям ПК для решения задач, не требующих высокой производительности и не критичных к времени их выполнения. Данная шина стала стандартом для IBM-совместимых ПК на длительный срок.    Системная шина EISA (EISA-bus) фактически является расширением шины ISA. Частота шины EISA - 8 МГц. Однако эта шина характеризуется большей разрядностью - 32 бита и более высокой скоростью передачи данных - до 33 Мбайт/с. Шина EISA совместима с ISA-шиной: кроме собственно 32-битных плат EISA-контроллеров на EISA-шине могут быть установлены стандартные 16-битные платы ISA. В настоящее время шина EISA в основном используется в некоторых вариантах файл-серверов компьютерных сетей.    MCA - системная шина с высокой скоростью передачи данных - до 160 Мбайт/с и разрядностью шины данных от 16 до 64 бит. Разработка и исключительное право на ее использование принадлежит фирме IBM. Вероятно поэтому, для ПК, использующих MCA, рынок предлагает сравнительно мало периферийных устройств и по относительно высоким ценам. Вследствие этого популярность данной шины сравнительно низка и производство компьютеров с шиной МСА практически прекращено.

36. интерфейсы периферийных устройств IDE и SCSI. Современная модификация и характеристики интерфейсов IDE/ATA (SATA) SCSI.

IDE (Integrated Device Electronics) - интерфейс устройств со встроенным контроллером. При создании этого интерфейса разработчики ориентировались на подключение дискового накопителя. За счет минимального удаления контролера от диска существенно повышается быстродействие.

Интерфейс EIDE имеет первичный и вторичный каналы, к каждому из которых можно подключить два устройства, то есть всего их может быть четыре. Это может быть жесткий диск, CD-ROM или переключатель дисков.

Интерфейс EIDE

Физически интерфейс IDE реализован с помощью плоского 40-жильного кабеля, на котором могут быть разъемы для подключения одного или двух устройств. Общая длина кабеля не должна превышать 45 см, причем между разъемами должно быть расстояние не менее 15 сантиметров.

IDE (АТА – Advanced Technology Attachment) - параллельный интерфейс подключения накопителей, именно поэтому был изменен (с выходом SATA) на PATA (Parallel ATA). Раньше использовался для подключения винчестеров, но был вытеснен интерфейсом SATA. В настоящее время используется для подключения оптических накопителей.

SATA (Serial ATA) – последовательный интерфейс обмена данными с накопителями. Для подключения используется 8-pin разъем. Как и в случае с PATA – является устаревшим, и используется только для работы с оптическими накопителями. Стандарт SATA (SATA150) обеспечивал пропускную способность равную 150 МБ/с (1,2 Гбит/с).

SATA 2 (SATA300). Стандарт SATA 2 увеличивал пропускную способность в двое, до 300 МБ/с (2,4 Гбит/с), и позволяет работать на частоте 3 ГГц. Стандартны SATA и SATA 2 совместимы между собой, однако для некоторых моделей необходимо вручную устанавливать режимы, переставляя джамперы.

SATA 3, хотя про требованию спецификаций правильно называть SATA 6Gb/s. Этот стандарт в двое увеличил скорость передачи данных до 6 Гбит/с (600 МБ/с). Также к положительным нововведениям относится функция программного управления NCQ и команды для непрерывной передачи данных для процесса с высоким приоритетом.

Хоть интерфейс и был представлен в 2009 году, особой популярностью у производителей он пока не пользуется и в магазинах встречает не так часто.  Кроме жестких дисков этот стандарт используется в SSD (твердотельные диски).

Стоит заметить, что на практике пропускная способность интерфейсов SATA не отличаются скоростью передачи данных. Практически скорость записи и чтения дисков не превышает 100 Мб/с. Увеличение показателей влияет только пропускную способность между контроллером и кеш-памятью накопителя.

SCSI(Small Computer System Interface) – стандарт применяется в серверах, где необходима повышеная скорость передачи  данных. SAS (Serial Attached SCSI) – поколение пришедшее на смену стандарта SCSI, использующее последовательную передачу данных. Как и SCSI используется в рабочих станциях. Полностью совместив с  интерефейсом SATA. CF (Compact Flash) – Интерфейс для подключения карт памяти, а также для 1,0 дюймовых винчестеров. Различают 2 стандарта: Compact Flash Type I и Compact Flash Type II, отличие в толщине.

37. Внешние интерфейсы компьютера. Последовательные и параллельные порты (RS-32, LPT).

38. Назначение, характеристики и особенности внешних интерфейсов USB, IEEE 1394 (Fire Wire). Интерфейс стандарта 802.11 (Wi-Fi).

39. Режимы работы процессора.

Режимы работы процессора

Процессоры могут работать в различных режимах. Под термином «режим» подразумевается способы, которым процессор создает (и обеспечивает) для себя рабочую среду. Режим работы процессора задает способ адресации к оперативной памяти и способ управления отдельными задачами. Процессоры персональных компьютеров могут работать в трех режимах: реальном, защищенном и виртуальном режимах.

Реальный режим

Первоначально персональные компьютеры фирмы IBM могли адресовать только 1 Мбайт оперативной памяти. Это решение, принятое в начале развития персональных компьютеров, продолжало соблюдаться и в последующее время — в каждом компьютере следующего поколения процессор должен был уметь работать в режиме совместимости с процессором Intel 8086. Этот режим назвали реальным. Когда процессор работает в реальном режиме, он может обращаться к памяти только в пределах 1 Мбайт (как и процессор Intel 8086), и не может использовать 32-разрядные и 64-разрядные операции. Процессор попадает в реальный режим сразу же после запуска. В реальном режиме работают операционные системы DOS и стандартные DOS-приложения.

Защищенный режим

Начиная с процессоров Intel 80286 и компьютеров типа IBM PC/AT, появляется защищенный режим. Это более мощный режим работы процессора по сравнению с реальным режимом. Он используется в современных многозадачных операционных системах. Защищенный режим имеет много преимуществ:

■ В защищенном режиме доступна вся системная память (не существует предела 1 Мбайт).

■ В защищенном режиме операционная система может организовать одновременное выполнение нескольких задач (многозадачность).

■ В защищенном режиме поддерживается виртуальная память — операционная система при необходимости может использовать жесткий диск в качестве расширения оперативной памяти.

■ В защищенном режиме осуществляется быстрый (32/64-разрядный) доступ к памяти и поддерживается работа 32-х разрядных операций ввода-вывода.

Каждая выполняемая на компьютере программа имеет свою собственную область памяти, которая защищена от доступа со стороны других программ. Когда какая-либо программа пытается обратиться по неразрешенному для нее адресу памяти, генерируется ошибка защиты памяти. Все современные операционные системы используют защищенный режим, включая Windows 98/Ме, Windows NT/2000/XP, OS/2 и Linux. Даже операционная система DOS (обычно работающая в реальном режиме) может использовать доступ к памяти защищенного режима с помощью программного интерфейса DPMI (DOS Protected Mode Interface — интерфейс защищенного режима операционной системы DOS). Этот интерфейс используется компьютерными играми и другими программами под DOS для того, чтобы преодолеть барьер в 640 Кбайт основной памяти DOS. С появлением процессора Intel 386 защищенный режим был усовершенствован: увеличено максимально доступное адресное пространство, расширена система команд. Поэтому он иногда называется усовершенствованным защищенным режимом.

Процессоры получили возможность переключаться из реального режима работы в защищенный и обратно (для возврата из защищенного режима в компьютерах на базе процессора 80286 использовались специальные аппаратные решения). Именно с появлением процессоров семейства 386 защищенный режим стал широко использоваться в операционных системах.

Виртуальный режим

Защищенный режим используют графические многозадачные операционные системы, такие как Windows. Иногда возникает необходимость выполнения DOS-программ в среде операционной системы Windows. Но DOS-программы работают в реальном режиме, а не в защищенном. Для решения этой проблемы был разработан виртуальный режим или режим виртуального процессора 8086. Этот режим эмулирует (имитирует) реальныйрежим, необходимый для работы DOS-программ, внутри защищенного режима. Операционные системы защищенного режима (такие как Windows) могут создавать несколько машин виртуального режима — при этом каждая из них будет работать так, как будто она одна использует все ресурсы персонального компьютера. Каждая виртуальная машина получает в свое распоряжение 1 Мбайтное адресное пространство, образ реальных программ BIOS и т.п. Виртуальный режим используется при работе в DOS-окне или при запуске DOS-игр в операционной системе Windows 98/Ме. При запуске на компьютере DOS-приложения операционная система Windows создает виртуальную DOS-машину, в которой выполняется это приложение.

40. Характеристика реального режима работы процессора 8086. Адресация памяти реального режима.

Реальный режим

Реальный режим иногда называют режимом 8086, поскольку он основан на инструкциях процессоров 8086 и 8088. В первом IBM PC использовался процессор 8088, который мог выполнять 16-разрядные команды, применяя 16-разрядные внутренние регистры, и адресовать только 1 Мбайт памяти, используя для адреса 20 разрядов. Все программное обеспечение PC первоначально было предназначено для этого процессора; оно было разработано на основе 16-разрядной системы команд и модели памяти объемом 1 Мбайт. Например, операционные системы DOS и Windows от 1.x до 3.x, а также все приложения для этих ОС написаны в расчете на 16-разрядные команды. Эти 16-разрядные операционные системы и приложения были разработаны для выполнения на первоначальном процессоре 8088.

Более поздние процессоры, например 286, также могли выполнять те же самые 16-разрядные команды, что и первоначальный 8088, но намного быстрее. Другими словами, процессор 286 был полностью совместим с первоначальным 8088 и мог выполнять все 16-разрядные программы точно так же, как 8088, только значительно быстрее. 16-разрядный режим, в котором выполнялись команды процессоров 8088 и 286, был назван реальным режимом. Все программы, выполняемые в реальном режиме, должны использовать только 16-разрядные команды, 20-разрядные адреса и поддерживаться архитектурой памяти, рассчитанной на емкость до 1 Мбайт. Для программного обеспечения этого типа обычно используется однозадачный режим, т.е. одновременно может выполняться только одна программа. Нет никакой встроенной защиты для предотвращения перезаписи ячеек памяти одной программы или даже операционной системы другой программой; это означает, что при выполнении нескольких программ вполне могут быть испорчены данные или код одной из них, что может привести всю систему к краху (или останову).

Адресация памяти в реальном режиме

Вы наверное знаете, что для работы с памятью используются две шины - шина адреса и шина данных. Физически память устроена таким образом, что возможна адресация как 16-битовых слов, так и отдельных байтов памяти. Кроме того, процессоры i80386 и i80486 могут адресовать 32-битовые слова памяти.

В любом случае так называемый физический адрес передаётся из процессора в память по шине адреса. Ширина шины адреса определяет максимальный объём физической памяти, непосредственно адресуемой процессором. На рис. 1 показана схема взаимодействия процессора и памяти через шины адреса и данных.

Например, компьютер IBM XT оснащён 20-разрядной шиной адреса и 16-разрядной шиной данных. Это означает, что имеется возможность адресоваться к 216 байтам памяти, т.е. к 1 мегабайту памяти. Причём возможно адресоваться к байтам и словам размером в 16 бит.

Так как адреса принято записывать в шестнадцатеричной форме, то мы можем записать диапазон физических адресов для 20-разрядной шины адреса следующим образом:

00000h <= [физический адрес] <= FFFFFh

41. Основные понятия защищенного режима. Адресация в защищенном режиме. Дескрипторы и таблицы. Система привилегий. Защита.

42. Основы программирования процессора.

43. Основные команды процессора: арифметические и логические команды, команды перемещения, сдвига, сравнения, команды условных и безусловных переходов, ввода/вывода.

44. основные характеристики процессоров. Идентификация и совместимость процессоров. Типы сокетов.

45. Процессоры нетрадиционной архитектуры.

46. Назначение и характеристики вычислительных систем. Организация вычислений в вычислительных системах.

47. ЭВМ параллельного действия, понятия потока команд и потока данных.

48. Конвейеризация вычислений. Конвейер команд, конвейер данных. суперскаляризация.

49. Классификация многопроцессорных ВС с разными способами реализации памяти совместного использования: UMA, NUMA, COMA.

50. Классификация многомашинных ВС: MPP, NDW, COW. Назначение, характеристики, особенности.