5. Последовательные и параллельные порты Ввода/вывода

Обычно шина предназначена для обмена информацией между несколькими уст­ройства ми, в то время как порт - только между двумя (между шиной и внешним устрой­ством). Например, шина AGP фак­тически является портом.

Для управления периферийными устройствами используется расположенный на материнской плате контроллер ввода/вывода, который подключен непосредственно к микро­схеме южного моста чип­сета. Контроллер ввода/вывода; обычно поддерживает два последовательных порта СОМ1 и COM2, порты PS2, один параллельный порт LPT и порт клавиатуры. Порт С0М1 используется обычно для подключения манипулятора «мышь», COM2 - для подключения внеш­него модема, LPT-для принтера или ска­нера. Разъемы портов ввода/вывода располо­жены на материнской плате, но обязательно выведены на зад­нюю панель корпуса ком­пьютера либо с помощью специальных шлейфов, либо непосредственно с мате­рин­ской платы. Появление новых, более быстродействующих, стандартов интерфейсных шин USB и FireWire вытесняет старые малопроизводитель­ные порты .К шине FireWire может быть од­новременно подключено до 63 устройств, а к шине USB - до 127. Такое большое число одно­временно подключенных к компьютеру устройств с помощью шины USB объясняется ее топо­логией, которая представляет собой соеди­нение «звезда». Всего через один корневой концентратор может быть под­ключено 127 кон­центра­торов или USB-устройств. Однако, учитывая относи­тельно невысокую пропуск­ную способность шины, оптималь­ным числом следует считать 4—5 одновременно под­ключенных устройств. При этом более скоростные устройства следует под­ключать бли­же к корневому концентратору. Шина USB при­звана заме­нить порты ввода/вывода СОМ1, COM2, LPT, порт клавиатуры и т.д.

Вы познакомившись с общим устройством материнской платы современного компьютера, узнали, что производитель­ность материнской платы напрямую связана с набором мик­ро­схем (чипсетом) и частотой системной шины.

5. Оперативная память

Оперативная память компьютера располагается на материнской плате, Кратко ее называют ОЗУ (Оперативное Запоминающее Устройство) или RAM (Random Access Memory - Память с произвольным доступом), потому что в любой момент времени можно обра­титься к произвольно выбранной ячейке этой памяти. В оперативной памяти хра­нятся программы и данные участвующие в процессе обработки. Когда вы запускаете какую-нибудь про­грамму, она сначала считы­вается (переносится) с винчестера или другого внешнего но­сителя данных в оперативную па­мять. Особенностью ОЗУ персонального компьютера является то, что она энергозависима, т.е. информация в ней теряется сразу после выклю­чения электропитания.

Для пользователя основной характеристикой оперативной памяти является ее раз­мер, ко­торый измеряется в мегабайтах (1 Мбайт = 1 048 576 байт).. Конструктивно оперативная память выполнена в виде модулей, так что их можно легко заме­нить или ус­тановить дополнительные. Старые мате­ринские платы для процессоров Pentium, Pen­tium II и Pentium III могут иметь разъемы либо для подключения только 72-контактных модулей памяти SIMM (Single In­line Memory Module), либо для подключения модулей памяти SIMM, или 168-контактных модулей DIMM. На современных материнских платах, рассчитанных на процессоры Pentium 4, ис­пользу­ются 168-коитактные (32-разрядная шина данных) модули DIMM памяти SDRAM и 184-кон­тактные модули DIMM памяти DDR SDRAM (64-разрядная шина данных).

Для модулей памяти важны такие ее характеристики, как тип (FPM, EDO, BEDO, SDRAM и т.д.), время доступа, напряжение питания и др. Причем время доступа для некоторых типов памяти измеряется в наносекундах, а для некоторых, на­пример, для SDRAM, характеристикой быстродействия служит частота, на которой мо­жет работать память. В частности, для 100-мегагерцевой памяти SDRAM необходима материн­ская плата, которая может обеспечить работу системной шины также на частоте 100 МГц. Причем время доступа для 100 МГц памяти вовсе не 10 наносекунд, как следо­вало бы ожидать, а несколько тактов по 10 наносекунд.

Рассмотрим подробнее принципы работы различных типов оперативной памяти. Опера­тивная память подразделяется на два типа: с динамической (Dynamic RAM, DRAM) и ста­тиче­ской (Static RAM, SRAM) выборкой. В первом случае значение бита информа­ции в ячейке оп­ределяется наличием или отсутствием заряда на миниатюрном конденса­торе, ко­торый управля­ется 1-2 транзисторами. В статической памяти применены специ­альные элементы - триггеры, имеющие два устойчивых состояния, реализованные на 4-6 транзи­сторах. Быстродействие ста­тической памяти SRAM выше, чем быстродействие ди­намиче­ской памяти DRAM, но статиче­ская память SRAM значительно дороже из-за большего числа транзисторов на ячейку. Обычно модули памяти DRAM применяют в опе­ративной и видеопамяти, а модули SRAM - в качестве быстрой буферной кэш-памяти в процессорах, на материнских платах, в жестких дисках.

Содержимое динамической памяти остается неизменным в течение очень корот­кого промежутка времени, поэтому она должна периодически обновляться. Как мы уже упо­минали, запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, кото­рый может нахо­диться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор за­ряжен, то в ячейку запи­сана логическая единица (1), если разряжен - логический 0. В иде­альном конденсаторе заряд может сохраняться сколь угодно долго, но в реальном кон­денсаторе существует ток утечки, поэтому информация, записанная в динамическую па­мять, со временем будет утрачена, так как конденсаторы ячеек памяти полностью разря­дятся. Процесс обновления динамической памяти называется регенерацией памяти (Re­fresh). Процессор имеет доступ к данным, нахо­дящимся в динамической памяти только в те­чение циклов, свободных от регенерации. Специ­альная схема через опреде­ленные про­межутки времени (например, каждые 2 мс) осуществляет чтение и запись всех ячеек па­мяти. В эти моменты процессор находится в состоянии ожидания. Автома­тическая реге­нерация памяти происходит также при выполнении каждой операции чте­ния или записи ячейки памяти.

Ячейки в динамической памяти образуют матрицу, состоящую из строк и столб­цов. При считывании данных содержимое одной строки целиком переносится в буфер, кото­рый реализо­ван на элементах статической памяти. После этого в строке считывается зна­чение (О или 1) нужной ячейки. При считывании информации из ячеек памяти проис­хо­дит ее разрушение, по­этому производится перезапись считанной информации, т.е. со­дер­жимое буфера вновь запи­сывается в прежнюю строку динамической памяти.

Основными характеристиками микросхем памяти являются:

• тип;

• емкость;

• разрядность;

• быстродействие;

• временная диаграмма.

Существуют следующие типы памяти: FPM (Fast Page Mode), EDO (Extended Data Out), BEDO (Burst EDO), SDRAM (Synchronous DRAM), RDRAM (Rambus DRAM), DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM), SLDRAM (SyncLink DRAM), VCM DRAM (Virtual Channel Memory DRAM). Память типа EDO считается более быстрой по сравнению с FPM, однако реально это преимущество не так очевидно из-за примене­ния на материн­ской плате быстродействующего кэша второго уровня. Без кэша произво­дительность систем с памятью типа EDO быстрее на 20%, чем систем с памятью FPM, однако если размер кэша второго уровня равен хотя бы 256 килобайтам, это пре­восход­ство не пре­вышает 1-2%.

• SDRAM - один из наиболее популярных типов памяти. Все операции в SDRAM синхро­низированы с внешней частотой системы. Это позволяет увеличить производи­тельность по сравнению с асинхронными DRAM типа FPM и EDO. Это очень важно для общей про­изводи­тельности системы, так как для большинства персональных компьюте­ров частота шины явля­ется узким местом, ограничивающим их производительность. Пи­ковая пропу­скная способность памяти SDRAM достигает 1 Гбайт/с при тактовой частоте системной шины 133 МГц.

Созданы два вида памяти RDRAM: DRDRAM (Direct RDRAM) и CDRAM (Con­current RDRAM). Память CDRAM отличается высокой эффективностью, что делает по­лезным ее ис­пользование в графических станциях и серверах. Эффективная частота пере­дачи дан­ных со­ставляет 800 МГц. Однако данная память имеет высокую стоимость.

В DRDRAM реализована шина, у которой сигналы управления передаются от­дельно от данных. При этом тактовая частота достигает 400 МГц, но поскольку данные пе­редаются два­жды за такт, эффективная частота составляет 800 МГц. Теоретически пи­ко­вая пропу­скная спо­собность достигает 3,2 Гбайт/с. Однако следует отметить, что на мно­гих тестах DRDRAM усту­пает SDRAM, работающим на частоте 133 МГц.

Чипы памяти GDDR-III, разработанные для применения в составе высокопроизво­дитель­ных графических плат, обеспечивают пропускную способность 1-1,5 Гбит/с на контакт, что почти вдвое выше производительности DDR-II SDRAM.

Микросхемы (чипы) памяти выпускаются различной емкости, которая изме­ряется в Ме­габитах, например 1 Мегабит (здесь обозначение Мб (Mb) - это именно Мегабит, а не Мбайт), 4Mb, 16Mb, 64Mb и 256Mb. Каждая микросхема содержит ячейки, в кото­рых может хра­ниться от 1 до 16 бит данных. Например, 16МЬ-чип может быть скон­фигу­рирован как 4Mbx4, 2Mbx8 или 1МЬх1б, но в любом случае его общая емкость 16Mb.