Организация персонального компьютера и назначение основных функциональных блоков.

Структурная схема персонального компьютера

Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операции над информацией.

В состав микропроцессора входят:

• устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

• арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено длявыполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительныйматематический сопроцессор);

• микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);

• интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной. Интерфейс (interface) - совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. Порт ввода-вывода (I/O ≈ Input/Outputport) - аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к микропроцессору другое устройство ПК.

Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.

Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина. Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает в себя:

• кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

• кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

• кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;

• шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между микропроцессором и основной памятью;

2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Основная память (ОП). Она предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянноезапоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить информацию в ПЗУ нельзя).

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке), В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Внешняя память. Она относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM - CompactDiskReadOnlyMemory - компакт-диск с памятью, только читаемой) и др.

Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

Внешние устройства (ВУ). Это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ВУ иногда составляют 50 - 80% всего ПК, От состава и характеристик ВУ во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом.

ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой; пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. ВУ весьма разнообразны и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ВУ:

• внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;

• диалоговые средства пользователя;

• устройства ввода информации;

• устройства вывода информации;

• средства связи и телекоммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода информации.

Видеомонитор (дисплей) - устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации

Устройства речевого ввода-вывода относятся к быстроразвивающимся средствам мультимедиа. Устройства речевого ввода - это различные микрофонные акустические системы, "звуковые мыши", например, со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать.

Устройства речевого вывода - это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

• клавиатура - устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК

• графические планшеты (диджитайзеры) - для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;

• сканеры (читающие автоматы) - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ASCII, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат

• манипуляторы (устройства указания): джойстик - рычаг, мышь, трекбол - шар в оправе, световое перо и др. - для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;

• сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

• К устройствам вывода информации относятся:

• принтеры - печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель

• графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковые: скорость вычерчивания - 100 - 1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветное изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность и четкость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, "стыки", мультиплексоры передачи данных, модемы).

В частности, показанный на сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модулятор-демодулятор.

Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе - средствам мультимедиа.

Средства мультимедиа (multimedia - многосредовость) - это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др.

К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и вывода информации; широко распространенные уже сейчас сканеры (поскольку они позволяют автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки); высококачественные видео- (video-) и звуковые (sound-) платы, платы видеозахвата (videograbber), снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами. Но, пожалуй, еще с большим основанием к средствам мультимедиа относят внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.

Стоимость компактных дисков (CD) при их массовом тиражировании невысокая, а учитывая их большую емкость (650 Мбайт, а новых типов - 1Гбайт и выше), высокие надежность и долговечность, стоимость хранения информации на CD для пользователя оказывается несравнимо меньшей, нежели на магнитных дисках. Это уже привело к тому, что большинство программных средств самого разного назначения поставляется на CD. На компакт-дисках за рубежом организуются обширные базы данных, целые библиотеки; на СD представлены словари, справочники, энциклопедии; обучающие и развивающие программы по общеобразовательным и специальным предметам.

CD широко используются, например, при изучении иностранных языков, правил дорожного движения, бухгалтерского учета, законодательства вообще и налогового законодательства в частности. И все это сопровождается текстами и рисунками, речевой информацией и мультипликацией, музыкой и видео. В чисто бытовом аспекте CD можно использовать для хранения аудио- и видеозаписей, т.е. использовать вместо плейерных аудиокассет и видеокассет. Следует упомянуть, конечно, и о большом количестве программ, компьютерных игр, хранимых на CD.

Таким образом, CD-ROM открывает доступ к огромным объемам разнообразной и по функциональному назначению, и по среде воспроизведения информации, записанной на компакт-дисках.

Дополнительные схемы. К системной шине и к МП ПК наряду с типовым внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещенно во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Без этого контроллера обмен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через регистр МП, а при его наличии данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ, минуя МП.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД и др.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.

Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний.

Прерывание - временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы.

Прерывания возникают при работе компьютера постоянно [4]. Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям, например, прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естественно, пользователь их не замечает).

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым.

24. Факторы повышения производительности персонального компьютера.Быстродействие, производительность, тактовая частота. Единицами измерения быстродействия служат:

МИПС (MIPS - MegaInstructionPerSecond) - миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);

МФЛОПС (MFLOPS - MegaFLoatingOperationsPerSecond) - миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);

КОПС (KOPS - KiloOperationsPerSecond) для низкопроизводительных ЭВМ - тысяча неких усредненных операций над числами;

ГФЛОПС (GFLOPS - GigaFLoatingOperationsPerSecond) - миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

Пример: При отсутствии конвейерного выполнения команд и увеличении внутренней частоты у микропроцессора тактовый генератор с частотой 33 MГц и обеспечивает выполнение 7 млн. коротких машинных операций (сложение и вычитание с фиксированной запятой, пересылки информации и др.) в секунд; с частотой 100 МГц - 20 млн. коротких операций в секунду.

Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.

Разрядность - это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.

Типы системного и локальных интерфейсов.

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.

Емкость оперативной памяти.

Емкость оперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт), реже в килобайтах (Кбайт). Напоминаем: 1 Мбайт = 1024 Кбайта = 10242 байт.

Многие современные прикладные программы при оперативной памяти емкостью меньше 8 Мбайт просто не работают либо работают, но очень медленно.

Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, дает повышение эффективной производительности ЭВМ при решении сложных задач примерно в 1,7 раза.

Виды и емкость КЭШ-памяти.

КЭШ-память - это буферная, не доступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-память на ячейках электронной памяти.Следует иметь в виду, что наличие КЭШ-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20%.

Наличие математического сопроцессора.

Математический сопроцессор позволяет в десятки раз ускорить выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами.

Возможность работы в вычислительной сети

Возможность работы в многозадачном режиме.

Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в такомрежиме, позволяет значительно увеличить эффективное быстродействие ЭВМ.

Надежность. Надежность - это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции. Надежность ПК измеряется обычно средним временем наработки на отказ.

25. Функции и характеристики системной шины ПК.Системная шина персональных компьютеров IBM представляет собой набор проводников электрических сигналов и систему протоколов соединения устройств при помощи этих проводников. Тип и характеристики протоколов передачи информации по системной шине определяют скорость передачи информации между отдельными устройствами материнской платы. Системные шины персональных компьютеров стандартизируются как по числу контактов и разрядности (числу проводников, используемых для одновременной передачи данных), так и по протоколам общения устройств через проводники. Системная шина соединяет все устройства компьютера в единое целое и обеспечивает их взаимодействие, взаимоуправление и работу с центральным процессором.
В настоящее время, чаще всего, в персональных компьютерах используются системные шины стандартов ISA, EISA, VESA, VLB и PSI. На рисунке изображены четыре разъема шины PSI и три – ISA, расположенные на универсальной материнской плате. Все стандарты различаются как по числу и использованию сигналов, так и по протоколам их обслуживания. Взаимодействие устройств при помощи системной шины контролируется аппаратурой обслуживания шин и их контроллерами. Основа конструктивного исполнения шины входит в архитектуру материнской платы, на которой располагаются ее проводники и разъемы для подключения плат адаптеров устройств (видео VideoCards, аудио SoundCards, интерфейсов накопителей информации, интерфейсных портов ввода/вывода, внутренних модемов и т.п.) и расширений базовой конфигурации. Различают 16-ти и 32-х разрядные, высокопроизводительные (VESA, VLB и PSI 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 PSI) допускают подключение нескольких одинаковых устройств, а шина PSI обеспечивает самоконфигурируемость периферийного оборудования – поддержку стандарта PlugandPlay исключающего ручную конфигурацию аппаратных параметров периферийного оборудования при его изменении или наращивании.
Общий принцип функционирования современных шин различных стандартов состоит в организации устройствами циклов шины во время которых устройства принимают и передают информацию. Цикл шины инициируется устройством – инициатором (masterdrive), которое определяет статус шины и если она не занята другими устройствами, устройство занимает ее и инициализирует интерфейсный контакт с другим устройством (slavedrive) или устройствами – образует циклы шины. Таким образом, исключается ситуация конфликта шины или коллизии. В настоящее время, наиболее распространены протоколы, в которых взаимодействующие устройства равны в своих привилегиях использования шины, однако, продолжают существовать протоколы, предусматривающие одно устройство – инициализатор цикла шины – ведущее, и несколько ведомых устройств. При такой организации протоколов взаимодействия, чаще всего, устройством инициализатором является центральный процессор, а ведомыми – другие системные и периферийные устройства.
Особенности архитектуры персональных компьютеров IBM диктуют достаточно противоречивые принципы стратегии развития и разработки протоколов работы с устройствами. Принципы совместимости становятся противоположными принципам наивысшей производительности. Однако, универсальные стандарты системных шин персональных компьютеров IBM позволяют обслуживать 8-ми, 16-ти и 32-х разрядные устройства, производить выполнение циклов регенерации, циклов прямого доступа к памяти, осуществлять работу с 16-ти разрядным устройством как с 8-ми разрядным с использованием систем конвертирования, подключать различные периферийные устройства и др.. Все системные шины персональных компьютеров IBM реализованы по принципам открытой архитектуры, а технологии производства интегрированных контроллеров и их аппаратных и программных протоколов постоянно совершенствуются.
ISA (IndustryStandardArchitecture - архитектура промышленного стандарта) - основная шина на компьютерах типа PC AT (другое название - AT-Bus). Является расширением XT-Bus, разрядность - 16/24 (16 Мб), тактовая частота - 8 МГц, предельная пропускная способность - 5.55 Мб/с. Разделение IRQ также невозможно. Возможна нестандартная организация BusMastering, но для этого нужен запрограммированный 16-разрядный канал DMA. Конструктив - 62-контактный разъем XT-Bus с прилегающим к нему 36-контактным разъемом расширения.
EISA (Enhanced ISA - расширенная ISA) - функциональное и конструктивное расширение ISA. Внешне разъемы имеют такой же вид, как и ISA, и в них могут вставляться платы ISA, но в глубине разъема находятся дополнительные ряды контактов EISA, а платы EISA имеют более высокую ножевую часть разъема с дополнительными рядами контактов. Разрядность - 32/32 (адресное пространство - 4 Гб), работает также на частоте 8 МГц. Предельная пропускная способность - 32 Мб/с. Поддерживает BusMastering - режим управления шиной со стороны любого из устройств на шине, имеет систему арбитража для управления доступом устройств у шине, позволяет автоматически настраивать параметры устройств, возможно разделение каналов IRQ и DMA.
PCI (PeripheralComponentInterconnect - соединение внешних компонент) - развитие VLB в сторону EISA/MCA. Не совместима ни с какими другими, разрядность - 32/32 (расширенный вариант - 64/64), тактовая частота - до 33 МГц (PCI 2.1 - до 66 МГц), пропускная способность - до 132 Мб/с (264 Мб/с для 32/32 на 66 МГц и 528 Мб/с для 64/64 на 66 МГц), поддержка BusMastering и автоконфигурации. Количество разъемов шины на одном сегменте ограничено четырьмя. Сегментов может быть несколько, они соединяются друг с другом посредством мостов (bridge). Сегменты могут объединяться в различные топологии (дерево, звезда и т.п.). Самая популярная шина в настоящее время, используется также на других компьютерах. Разъем похожа на MCA/VLB, но чуть длиннее (124 контакта). 64-разрядный разъем имеет дополнительную 64-контактную секцию с собственным ключом. Все разъемы и карты к ним делятся на поддерживающие уровни сигналов 5 В, 3.3 В и универсальные; первые два типа должны соответствовать друг другу, универсальные карты ставятся в любой разъем. Существует также расширение MediaBus, введенное фирмой ASUSTek - дополнительный разъем содержит сигналы шины ISA.
USB (UniversalSerialBus - универсальная последовательная магистраль) - новый интерфейс для подключения различных внешних устройств. Предусматривает подключение до 127 внешних устройств к одному USB-каналу (по принципу общей шины), реализации обычно имеют по два канала на контроллер. Обмен по интерфейсу - пакетный, скорость обмена - 12 Мбит/с.
AGP (AcceleratedGraphicsPort - ускоренный графический порт) - интерфейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGP, имеющей выход непосредственно на системную память. В системной памяти размещаются преимущественно текстуры трехмерных объектов, требующие быстрого доступа со стороны как процессора, так и видеоадаптера. Интерфейс выполнен в виде отдельного разъема, в который устанавливается AGP-видеоадаптер.
Интерфейс SCSI (читается "скази"), также как и ESDI, используется для подключения дисков большой емкости к высокопроизводительным компьютерам. Характерная особенность этого интерфейса - использование одного широкого кабеля (50 жил) для подключения всех дисковых накопителей. При включении питания компьютера, оборудованного SCSI-контроллером, на экран выдается сообщение об инициализации контроллера. В этом сообщении есть слово "SCSI", по которому можно легко идентифицировать контроллеры с данным интерфейсом. В настояшее время интерфейс SCSI используется не только для подключения жестких дисков. Данный интерфейс применяется для подключения к компьютеру таких устройств, как принтеры, сканеры, диски Бернулли, лазерные диски, перезаписываемые магнитооптические диски и т. д. Использование интерфейса SCSI позволяет подключить к компьютеру до семи дисков объемом 1 Гбайт и более.
Операционная система MS-DOS может задействовать только два накопителя на жестких магнитных дисках. Для использования остальных дисков необходимо использовать специальное программное обеспечение. Благодаря возможности подключения нескольких дисков большой емкости данный интерфейс подходит для использования в сетевых серверах.
Интерфейс SCSI-II во многом соответствует SCSI, но обладает гораздо более высокой производительностью. Устройства, отвечающие стандарту SCSI-II, совместимы со стандартом SCSI. Благодаря возможности подключения дисков большой емкости и высокой производительности данный интерфейс подходит для использования в сетевых серверах.
Интерфейс IDE Интерфейс IDE имеет производительность, сравнимую с ESDI и SCSI. Этот интерфейс используется в большинстве современных компьютеров. Как правило, можно подключить один или два диска, причем, как и в случае контроллера SCSI, используется один широкий кабель. Этот кабель часто подключается непосредственно к разъему, расположенному на материнской плате компьютера. К достоинствам интерфейса IDE можно отнести легкость подключения жесткого диска IDE к компьютеру и относительно невысокая стоимость.

26. Развитие системы шин ПК.Шина ПК - это канал (магистраль), который связывает между собой процессор, ОЗУ, кэш-память, контроллеры устройств ПК, а также разъемы (слоты) расширения на материнской плате для подключения различных контроллеров устройств ввода/вывода. При этом для сохранения совместимости данные слоты должны быть механически и электрически идентичны в разных моделях IBM-совместимых компьютеров.
Важнейшие характеристики шин: частоты, разрядности, скорости передачи данных. При этом, как правило, частота измеряется в мегагерцах, разрядность - в битах, скорость - в мегабайтах в секунду или в мегабитах в секунду.
Шины ISA, EISA, MCA Наиболее распространены три основных стандарта системной шины для IBM-совместимых
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
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.
Шины VLB, PCI Стандарт локальной шины VESA (VESA localbus) был разработан и введен в 1992 г. фирмами-производителями компьютерной техники, входящими в ассоциацию VESA (VideoElectronicsStandart). При разработке нового стандарта одновременно решались две задачи. Первая - повышение производительности компьютеров за счет увеличения пропускной способности системных шин. Вторая - сохранение преемственности в использовании стандартного оборудования. В результате была создана 32-разрядная локальная шина - VESA localbus (VLB), дополняющая стандартную системную шину ISA при обмене данными процессора с контроллерами монитора, жесткого диска, кэш-памяти, сети и т. д. В соответствии со стандартом максимальное число контроллеров, подключаемых к данной локальной шине, было установлено в количестве не более трех. Тактовая частота VLB соответствовала частоте процессора. При внешней частоте процессора, равной 33 МГц, шина VLB обеспечивала скорость передачи данных до 132 Мбайт/с.
К основным недостаткам шины VLB следует отнести следующие: несовместимость и слабую нагрузочную способность VLB. Действительно, поскольку быстродействие VLB связано с тактовой частотой процессора, контроллеры, подключаемые к шине VLB, должны были обеспечивать работу на этой частоте. На других ПК частота могла отличаться. Слабая нагрузочная способность VLB в основном была связана с тем, что данная шина фактически являлась продолжением контактов собственной шины процессора ПК, что и отражено на приведенном рисунке. Кстати, этим объясняется совпадение частоты шины VLB и внешней тактовой частоты процессора. Каждое подключаемое устройство является дополнительной нагрузкой и искажает форму передаваемых процессором сигналов (их фронтов). Именно поэтому число подключаемых к локальной шине VLB устройств ограничено: стандарт VLB предусматривает подключение к данной шине не более трех устройств, обычно это одно или два устройства. Как правило, это контроллеры монитора и жестких дисков.
Шина PCI имеет практически такие же скоростные свойства, что и шина VLB при частоте процессора равной 33 МГц. Однако число контроллеров не ограничивается тремя, как для VLB, а может достигать десяти. Стандарт шины PCI поддерживает спецификации VESA для BIOS и видеоадаптеров. Кроме того, локальная шина PCI оптимально соответствует 64-битной технологии современных процессоров.

Стандарт PCI предусматривает конфигурирование устройств, подключаемых к компьютеру, программным способом, что соответствует концепции plug-and-play (включил и работай). При этом в момент обнаружения нового устройства персональный компьютер без перезагрузки и выхода из текущего приложения должен установить параметры, необходимые для работы устройств в составе системы: номера прерываний IRQ, номера каналов прямого доступа DMA и т. д. Для реализации этой возможности необходимо, чтобы аппаратно-программное обеспечение ПК (BIOS и ОС) поддерживало plug-and-play. Шина PCI архитектурно сложнее. Однако фирма Intel выпустила ряд специализированных микросхем для шины PCI, упростив тем самым ее реализацию. Это позволило шине PCI полностью вытеснить шину VLB из архитектуры ПК.
Конфигурации ПК с несколькими шинами, например с ISA и PCI, позволили сочетать высокую производительность компьютеров с аппаратной и программной совместимостью широкого спектра контроллеров и узлов ПК, обладающих разными скоростными и электрическими характеристиками.
В настоящее время локальные шины уже не выделяют в отдельный вид. Эти шины считают такими же системными шинами, как и традиционные ISA.

Host-busИтак, появились процессоры с повышенной внешней частотой. Это привело к необходимости пересмотра некоторых концепций архитектурного развития персональных компьютеров, в частности структуры и топологии материнских плат, а также места и значения ранее разработанных локальных шин. Локальная шина PCI, прочно утвердившаяся в компьютерах с процессорами Pentium и PentiumPro, в настоящее время стандартизована и функционирует, как правило, на частоте 33 МГц. Эффективная работа шины PCI обеспечивается соответствующими специализированными наборами микросхем - чипсетами. Эта шина успешно используется для связи с контроллерами мониторов, жестких дисков, локальных сетей, использующих высокоскоростные протоколы, и т. д. Однако для реализации скоростных возможностей Pentium потребовалось введение в архитектуру ПК с процессором Pentium еще одной шины в дополнение к шинам PCI и ISA. Эта дополнительная шина, названная в специальной технической литературе хост-шиной (host-bus), предназначена для скоростной передачи данных (64 разряда) и сигналов управления между процессором, ОЗУ и внешней кэш-памятью (L2). Кроме того, данная шина обеспечивает связь с интегрированным на материнской плате контроллером шины PCI.

DualIndependentBus Дальнейшее повышение производительности процессоров и ПК достигнуто внедрением архитектуры шины DIB (DualIndependentBus - двойная независимая шина). Эта шина решает проблему ограничения пропускной способности шины между процессором и памятью. DIB увеличивает пропускную способность шины в три раза по сравнению с обычным решением. Архитектура DIB состоит из двух шин: шины кэш-памяти второго уровня (L2) и системной шины между процессором и основной памятью. Пропускная способность шины, связывающей процессор Pentium II и кэш L2, масштабируется в зависимости от частоты процессора. Так, шина кэш-памяти процессора версии 266 МГц работает с частотой 133 МГц, то есть в два раза быстрее, чем кэш L2 с фиксированной частотой 66 МГц процессора Pentium. С ростом внутренней частоты процессора увеличивается и разница.
Шина между процессором и ОЗУ еще более повышает производительность за счет поддержки одновременно выполняемых параллельных транзакций, в отличие от процессоров предыдущих поколений, в которых использовались одиночные последовательные транзакции.

AGP Использование AGP решает проблему хранения текстурных карт, необходимых в формировании 3D-изображений. В настоящее время нередки случаи, когда для формирования качественного изображения текстурные карты требуют для своего хранения несколько десятков мегабайт, то есть значительно больше объема обычно устанавливаемой на видеоадаптере памяти. Формирование, хранение и последующая передача подобной информации из ОЗУ в видеоадаптер порождают значительные потоки информации, с которыми традиционная шина PCI часто не справляется. Кроме того, нередко шина PCI перегружена новыми высокоскоростными устройствами, подключаемыми к данной шине, например такими, как диски стандарта UltraDMA или сетевыми адаптерами с пропускной способностью 100 Мбайт/с. За счет исключения интенсивных потоков видеоданных с шины PCI увеличивается скорость работы устройств, подключенных к данной шине, и возрастают общая производительность и устойчивость всей системы компьютера

USB, IEEE 1394 Шина USB обладает большой пропускной способностью, достигающей 12 Мбит/c, что почти в 100 раз превышает возможности COM-порта и в 20 раз - LPT. Это позволяет подключать большое число устройств без ухудшения качества их работы. В соответствии с принятыми спецификациями на USB, длина соединительного кабеля может достигать 5 метров.
Современные операционные системы легко распознают добавленные USB-устройства, реализуя технологию plug-and-play. В случае использования шины USB появляется возможность изменять конфигурацию компьютера включением или отключением внешних устройств без перезапуска системы. Кроме того, последовательное подключение устройств, характерное для USB, позволяет отказаться от большого количества соединительных кабелей, используемых в традиционных случаях.
Спецификация высокоскоростной последовательной шины IEEE 1394 (FireWire) предложена фирмой Sony. Как и USB, она обеспечивает внешнее подключение периферийных устройств к компьютеру. Скорость передачи данных - 100, 200, 400 Мбит/c, расстояние - до 4,5 м, количество устройств - до 63. Шина IEEE 1394 обеспечивает возможность переконфигурации без выключения компьютера

27. Локальные шины ПК.Все описанные ранее шины имеют общий недостаток - сравнительно низкую пропускную способность. Это связано с тем, что шины разрабатывались в расчете на медленные процессоры. В дальнейшем быстродействие процессора возрастало, а характеристики шин улучшались в основном "экстенсивно", за счет добавления новых линий. Препятствием для повышения частоты шины являлось огромное количество выпущенных плат, которые не могли работать на больших скоростях обмена (МСА это касается в меньшей степени, но в силу вышеизложенных причин эта архитектура не играла заметной роли на рынке). В то же время в начале 90-х годов в мире персональных компьютеров произошли изменения, потребовавшие резкого увеличения скорости обмена с устройствами: создание нового поколения процессоров типа Intel 80486, работающих на частотах до 66 MHz; увеличение емкости жестких дисков и создание более быстрых контроллеров; разработка и активное продвижение на рынок графических интерфейсов пользователя (типа Windows или OS/2) привели к созданию новых графических адаптеров, поддерживающих более высокое разрешение и большее количество цветов (VGA и SVGA). Очевидным выходом из создавшегося положения является следующий: осуществлять часть операций обмена данными, требующих высоких скоростей, не через шину ввода/вывода, а через шину процессора, примерно так же, как подключается внешний кэш. Такая конструкция получила название локальной шины (LocalBus). Рисунки наглядно демонстрируют различие между обычной архитектурой и архитектурой с локальной шиной.

Локальная шина не заменяла собой прежние стандарты, а дополняла их. Основными шинами в компьютере по-прежнему оставались ISA или EISA, но к ним добавлялись один или несколько слотов локальной шины. Первоначально эти слоты использовались почти исключительно для установки видеоадаптеров, при этом к 1992 году было разработано несколько несовместимых между собой вариантов локальных шин, исключительные права на которые принадлежали фирмам-изготовителям. Естественно, такая неразбериха сдерживала распространение локальных шин, поэтому VESA (VideoElectronicStandardAssociation) - ассоциация, представляющая более 100 компаний - предложила в августе 1992 года свою спецификацию локальной шины. Основные характеристики VL-bus таковы. Поддержка процессоров серий 80386 и 80486. Шина разработана для использования в однопроцессорных системах, при этом в спецификации предусмотрена возможность поддержки х86-несовместимых процессоров с помощью моста (bridgechip). Максимально число busmaster - 3 (не включая контроллер шины). При необходимости возможна установка нескольких подсистем для поддержки большего числа masterов. Несмотря на то, что изначально шина была разработана для поддержки видеоконтроллеров, возможна поддержка и других устройств (например, контроллеров жесткого диска). Стандарт допускает работу шины на частоте до 66 MHz, однако электрические характеристики разъема VL-bus ограничивают ее до 50 MHz (это ограничение, естественно, не относится к интегрированным в материнскую плату устройствам). Двунаправленная (bi-directional) 32-разрядная шина данных поддерживает и 16-разрядный обмен. В спецификацию заложена возможность 64-разрядного обмена. Поддержка DMA обеспечивается только для busmasters. Шина не поддерживает специальных "инициаторов" DMA. Максимальная теоретическая пропускная способность шины - 160 МВ/сек (при частоте шины 50 MHz), стандартная - 107 МВ/сек при частоте 33 MHz. Поддерживается пакетный режим обмена (для материнских плат 80486, поддерживающих этот режим). 5 линий используется для идентификации типа и скорости процессора, сигнал BurstLast (BLAST#) используется для активизации этого режима. Для систем, не поддерживающих этот режим, линия устанавливается в 0. Шина использует 58-контактный разъем МСА. Максимально поддерживается 3 слота (на некоторых 50-мегагерцовых шинах возможна установка только 1 слота). Слот VL-bus устанавливается в линию за слотами ISA/EISA/MCA, поэтому VL-платам доступны все линии этих шин. Поддерживается как интегрированный кэш процессора, так и кэш на материнской плате. Напряжение питания - 5 В. Устройства с уровнем выходного сигнала 3.3 В поддерживаются при условии, что они могут работать с уровнем входного сигнала 5 В. Шина VL-bus явилась огромным шагом вперед по сравнению с ISA как по производительности, так и по дизайну. Одним из преимуществ шины являлось то, что она позволяла создавать карты, работающие с существующими чипсетами и не содержащие большого количества схем дорогостоящей управляющей логики. В результате VL-карты получались дешевле аналогичных EISA-карт. Однако и эта шина не была лишена недостатков, главными из которых являлись следующие. Ориентация на 486-ой процессор. VL-bus жестко привязана к шине процессора 80486, которая отличается от шин Pentium и PentiumPro/Pentium II. Ограниченное быстродействие. Как уже было сказано, реальная частота VL-bus - не больше 50 MHz. Причем при использовании процессоров с множителем частоты шина использует основную частоту (так, для 486DX2-66 частота шины будет 33 MHz). Схемотехнические ограничения. К качеству сигналов, передаваемых по шине процессора, предъявляются очень жесткие требования, соблюсти которые можно только при определенных параметрах нагрузки каждой линии шины. По мнению Intel, установка недостаточно аккуратно разработанных VL-плат может привести не только к потерям данных и нарушениям синхронизации, но и к повреждению системы. Ограничение количества плат. Это ограничение вытекает также из необходимости соблюдения ограничений на нагрузку каждой линии.

28.Механизм прерываний ПК.В процессе выполнения любой программы, внутри ЭВМ или внешней среде, могут возникать некоторые события, которые требуют немедленной, определенной для этого события реакции, как со

стороны ЭВМ, так и со стороны программы. ВМ временно прекращают выполнение текущей программы, переходит к выполнению некоторой другой программы, специально предусмотренной для этого случая, а по завершении специальной программы ЭВМ возвращается к выполнению исходной программы. Такой процесс перехода к специальным программам и обратно носит названия прерывание, причем исходная программа называется прерванной, а специальная программа – прерывающая.Необходимые реакции на различные события обеспечивает в ПК система прерывания(комплекс аппарат. и программ. средств обеспечивающих выявление и обработку прерывания – приостановка исполнения текущей пр-мы вместо которой начинает действовать другая программа, соответ. данному типу прерываний ).

Любое прерывание текущей программы заключается в том, что:

1) Процессор прекращает ее выполнение.2) Запоминает информацию, нужную для продолжения выполнения программы с точки прерывания. 3) Переходит к выполнению специальной программы. 4) После исполнения специальной программы, управление возвращается исходной программе.

Каждое ПУ имеет свою пр. прерываний.

Типы прерываний:

1).аппаратные, внешние (формируются ПУ при их неполадках), от дисковода, прерывание от таймера

2).внутренние аппаратные (вырабатываются МП при выполнении пр., когда встреч. необычные условия: переполнение, деление на 0, ошибки в пр.)

3). программные (возникают не случайно, в отличии от аппаратных) Сама исполняющая пр. дает знать о там, что ей нужна помощь от другой пр. В МП имеются команды пр. вызова той или иной подпр. прерывания.

Аппаратные прерывания: (Рис1)Каждое аппаратное прерывание имеет свои линии, которые связаны с ПУ. По этим линиям поступают сигналы – запросы на прерывания. Для организации правильной работы основной и прерывающей программы нужно управление. Эта координация реализуется системами прерывания. Основными функциями являются следующие:

1) временной останов выполняющей программы и выбор запроса на обслуживание 2) запоминание состояния прерванной программы. 3) инициирование программ – обработчиков прерывания. 4) обслуживание – выполнение прерывающей программы. 5) восстановление состояния прерывающей программы и возврат к выполнению исходной программы. Эти функции также называют последовательностью обработки любого запроса на прерывание. Когда ПУ требует обслуживания МП, то это устройство посылает сигнал. Любой запрос на прерывание формируется по соответствующей причине. Обычно: IR [0:n] –регистр прерывания. От момента выработки запроса до момента прерывания существует некоторое время, время реакции системы прерывания. Любой запрос фиксируется в фиксированном бите слова регистра прерывания.

Начиная с 286Мп –стандартом предусматривается 16 линий: IRQ 0 – от таймера, 1- от клавы, 2- от портов, 3- послед, 4- паралл, 5- винчестер и т.д.

При поступлении сигнала запроса прерывания по соотв. линии посылается запрос по шине INT на прерывание в МП. МП выдает сигнал на INTA разрешение на прерывание. По номеру прерывания происходит обращение к ТВП.

ТВП хранит начальные адреса программ обработки прерываний. нач. адреса(вектора) указывают на начало пр. Найдя соотв. вектор, этот вектор передается в МП на счетчик команд и начинает выполнятся пр. обработки данного процесса.

Перед тем, как начать исполняться обработчику, МП должен запомнить состояние прерываемой пр. с помощью стековой памяти. Запросы поступают в любой

момент времени, следовательно, к моменту, когда может быть разрешено прерывание в регистре запроса может находится несколько запросов (по крайней мере два). Возникает задача выбора запроса на обслуживание. Любой запрос в компьютере снабжается своим приоритетом. Обычно в качестве приоритета берут 0,1,…n. Степень важности обработчика пропорционален номеру (0 – самый высокий приоритет). Порядок выбора запросов определяется дисциплинами обслуживания. По способу исполнения приоритетов различаются дисциплины с абсолютными и относительными приоритетами. Если к моменту разрешения прерывания выбранный запрос оказывается выше приоритета текущей программы, то возможно два варианта действия: 1) текущая программа прерывается в тот момент, когда выбран приоритетный запрос (дисциплины с абсолютным приоритетом) 2) текущая программа не прерывается, продолжается до момента естественного прерывания (дисциплины с относительным приоритетом).

29. Стековая память. Используется для организации прерывания. Ст.п. использует принцип «последним вошел, первым вышел». Под ст.п. отводится ячейка ЛЗУ или несколько регистров МП. В отличии от обычной адресации ОЗУ, ст.п. в адресации не нуждается, управляется с помощью регистра – указателя стека. Под стековую память отводятся часть ячеек ОЗУ и часть регистров МП(16 ячеек). Указатель стека определяет адрес ячейки стек. память к ячейкам ОЗУ не используется нет прямой адресации, а используется указатель стека. Число, которое находится в стеке, указывает на последнюю свободную ячейку стека или на его вершину. Заполнение стековой памяти начинается с вершины.

(ус)=15=(1111), что указывает на свободную 15-ю ячейку.

Запись: происходит запись чисел А и В в стек. А-15 стек свободен,(15)=А одновременно из указателей стека вычитается 1. (ус)-1=(ус)=14 – новый указатель стека, новая вершина стека. По новой вершине заканчивается в В-14 ,(14)=В ,(ус)-1=(ус)=13.

Чтение: происходит в обратном порядке (ус)+2=(ус)=13+1=14, т.к. ячейка 14 занята. Из ячейки считывается число В. (ус)+1=(ус)=15, из яч. 15 считывается А.

Обеспечивается быстрое заполнение и считывание использующееся для быстрых операций, например при пр. прерываниях.

Адреса - - N N+1 N+2 N+3

Команды - - - INTM - -

Команда вызова подпрограммы указывается номер прерывания М по которому должна быть вызвана подпр. обработки. Подпр. прерм.б. найдена с помощью ТВП и в соответствии с ТВП находится адрес 1-ой команды обработчика прерывания (подпр), которая должна обеспечить обработку. В подпр. посл. Команда IRET. Это говорит о том, что управление будет передаваться в основную пр. по адресу N+2.

Адреса N N+1 - - - -

Подпрограмма

Команды - - - - - IRET

На шаге N+1 МП должен заполнить ячейку выхода из основ. программы N+1 и результаты вычислений.

С помощью ст.п. запоминается информация о состоянии регистров с промежут. результатами и содержимое счетчика команд в момент выхода из основной программы. Вся информация заносится в ст.п. По команде IRET происходит возвращение в основную программу по адресу N+2, где N+1 восстановленное число из ст.п. Их ст.п. извлекаются заполненные промежуточные результаты.

30. Иерархия запоминающих устройств ЭВМ. К числу основных требований, предъявляемых к ЗУ стационарных ЭВМ, относятся: большая емкость, рассчитанная на хранение десятков миллионов чисел и команд; высокое быстродействие, соответствующее скорости работы арифметическо-логического блока ЭВМ; приемлемые стоимость, габариты, масса, потребляемая мощность.

Техническая реализация этих требований возможна путем организации иерархической структуры памяти ЭВМ,объединяющей ЗУ различных типов, отличающихся по быстродействию и емкости.

В структурном отношении память ЭВМ прежде всего делится на внутреннюю и внешнюю (рис. 4.2). Принадлежность ЗУ к внутренней или внешней памяти определяет способ обращения программ пользователей к этим ЗУ, а не технику их соединения между собой и с центральным процессором (ЦП). Например, накопитель на магнитных дисках (НМД), подсоединенный через канал, в одной ЭВМ будет выполнять функцию внутреннего, а в другой — внешнего ЗУ.

Внутренняя память — совокупность ЗУ, к которым обращение программ пользователя производится непосредственно. К таким ЗУ относятся оперативные, сверхоперативные и постоянные ЗУ, а также локальная память.

Оперативные ЗУ (ОЗУ) служат для хранения операндов, программ, промежуточных и конечных результатов обработки информации, непосредственно используемых в процессе выполнения операций центральным процессором. ОЗУ выполняются на ферритовых сердечниках, тонких магнитных пленках, полупроводниковых элементах, выполненных в виде БИС. Емкость современных ОЗУ обычно составляет от нескольких десятков тысяч до миллиона слов; время цикла от 0,5 до 10 мкс. Время цикла ОЗУ на порядок больше цикла работы центрального процессора.

Сверхоперативное ЗУ (СОЗУ) выполняет роль согласующего звена между быстродействующими устройствами ЦП и более медленного ОЗУ. СОЗУ имеет быстродействие, соизмеримое с быстродействием процессора (порядка 10—100 не), и служит для хранения операндов, необходимых для выполнения текущей последовательности команд программы, служебной информации, используемой при управлении вычислительным процессом. Такие СОЗУ выполняют на ИС разной степени интеграции. Они имеют небольшую емкость порядка 32—512 слов.

Постоянные ЗУ (ПЗУ) используются для хранения и выдачи постоянной информации. К такой информации относятся различные константы (например, 1, 0, 10, л, ... и др.), табличные значения, тестовые программы, стандартные подпрограммы для вычисления значений элементарных функций (например, е^х, Inx, s'mx, созх и др.), для преобразования вводимых чисел в ЭВМ из одной системы счисления в другую и т. п. ПЗУ выполняются на диодах, интегральных схемах, магнитных сердечниках трансформаторного типа.

В отличие от ОЗУ в процессе решения задачи ПЗУ позволяют производить только считывание информации без ее стирания. Поэтому ПЗУ являются более простыми, надежными и дешевыми, а также более быстродействующими по сравнению с ОЗУ.

Внешняя память — это совокупность ЗУ, к которым программы пользователей обращаются через процедуры ввода-вывода. К ней относятся внешние и буферные ЗУ.

Внешние ЗУ (ВЗУ) — накопители на магнитных барабанах (НМБ), дисках (НМД), лентах (НМЛ) и оптических дисках (ДОД), которые используются для хранения больших массивов информации в течение длительного времени. Они обладают сравнительно низким быстродействием (порядка нескольких секунд). Буферные ЗУ (БЗУ) используются для повышения эффективности обмена информацией между ОЗУ и периферийными устройствами ЭВМ, работающими с разной скоростью. БЗУ применяются, например, в каналах ввода-вывода и терминальных устройствах для накопления информации, передаваемой в ОЗУ; в алфавитно-цифровом печатающем устройстве (АЦПУ) перед выводом данных на печать. БЗУ занимает промежуточное положение между ОЗУ и ВЗУ по емкости и быстродействию; они выполняются на интегральных схемах, магнитных барабанах и дисках, ферритовых сердечниках.

31. Порты ввода - вывода ПК.Контролеры портов ввода-вывода. Одним из контролеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контролер портов ввода-вывода. Часто этот контролер интегрирован в материнскую плату. Контролер портов ввода-вывода соединяется кабелями с разъемами на задней стенке компьютера, через которые к компьютеру подключается принтер, мышь и некоторые другие устройства.

Порты ввода-вывода бывают следующих типов:

Параллельные (обозначаемые LTP1-LTP4), к соответствующим разъемам на задней стенке компьютера (имеющим 25 гнезд см. рисунок), обыкновенно подключаются принтеры.

Последовательные (обозначаемые COM1-COM3). К соответствующим разъемам на задней стенке компьютера (имеющим 9 или 25 штырьков), обычно присоединяют мышь, модем и другие устройства.

Игровой порт – к его разъему (имеющему 15 гнезд, см. рисунок) подключается джойстик. Игровой порт имеется не у всех компьютеров. Как правило, контролер портов компьютера поддерживает один параллельный и два последовательных порта.

Замечание: Параллельные порты выполняют ввод и вывод с большой скоростью, чем последовательные (за счет использования большего количества проводов в кабеле).

Некоторые устройства (скажем, отдельные высокоскоростные модемы) могут подключаться и к параллельным и к последовательным портам.

Иногда через параллельные и последовательные порты по специальному кабелю осуществляется обмен информации между двумя компьютерами.

32. Организация ОЗУ с поразрядной выборкой. В современных ЭВМ широко применяют следующие типы запоминающих устройств (ЗУ): регистровую память, встраиваемую в процессор, сверхоперативную память (СОЗУ) и оперативную память (ОЗУ). СОЗУ имеет быстродействие соизмеримое с быстродействием процессора и служит для хранения данных, необходимых для выполнения текущей последовательности команд программы. Оно имеет небольшую емкость.

По способу запоминания информации ЗУ делят на статические и динамические. В динамических ЗУ запоминающим элементом(ЗЭ) служит конденсатор, хранящий бит информации в форме наличия или отсутствия заряда, который не может оставаться бесконечно долго. Поэтому необходим цикл регенерации.

Статическое ОЗУ представляет собой матрицу ЗЭ, каждый из которых может быть установлен в одно из двух устойчивых состояний. Таким элементом обычно является триггер. Накопительная матрица памяти является основой ОЗУ. Организация (построение) матрицы определяется способом выборки ЗЭ при записи или считывании.

В данной работе предлагается изучить организацию матрицы с пословной выборкой. Структурная схема матрицы представлена на рис. 1.5

Адресная шина Ai активизируется при записи или считывании адресным кодом на входе дешифратора (на Рис. 1.5 дешифратор не показан). Например, на разрядные входы P₁...-Рm подаются коды двоичного записываемого слова. Тогда оно заносится в ЗЭ i-ой строки матрицы, при условии подачи на входы управления (R/W) (считывание/запись) каждого ЗЭ сигнала записи (W = 0), а также наличия на адресной шине А_i сигнала выбора i-го слова.

Каждый ЗЭ имеет свою схему управления (рис. 2.5), позволяющую путем подачи соответствующих входных сигналов записывать информацию в триггер, либо производить выборку информации из него.

Схема управления работает следующим образом. При считывании логический сигнал 1 со входа R/W поступает на схему совпадения И 1. На эту же схему поступает со входа Select логический сигнал 1 (выбора ЗЭ) с адресной шины. На выходе схемы И 1 (на выходе ЗЭ) появится сигнал равный по значению сигналу Q на выходе триггера. Во время считывания информации триггер оказывается заблокированным нулевыми сигналами со схем И 2, И 3 и не изменяет своего состояния.

При записи 1 в триггер со входа (Input) поступает 1, а сигнал R/W равен 0. Таким образом, выход ЗЭ заблокирован (выходной сигнал равен 0). Инвертированный входной единичный сигнал блокирует схему И 2, а неинвертированный входной сигнал совместно с инвертированным R/W и единицей с адресного входа вызывают на выходе И 3 логическую 1, устанавливающую триггер в единичное состояние (Q = 1). При записи в триггер 0 логическая 1 формируется на выходе И 2

Рис 2.5

33.Модули памяти ОЗУ.Оперативная память (RAM, RandomAccessMemory) по требованию процессора предоставляет хранящуюся в ней информацию, причем делать это она должна достаточно быстро, чтобы избежать длительного простоя процессора.

Особенностью RAM является то, что она относится к семейству динамической памяти: ее содержимое должно перезаписываться через определенное время, иначе информация будет потеряна. Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который находится либо в заряженном, либо в разряженном состоянии.

В конденсаторе существует ток утечки, поэтому со временем, когда конденсаторы запоминающих элементов оказываются полностью разряженными, записанная информация утрачивается.

Для динамической памяти (DRAM, Dinamic RAM) применимо такое понятие, как регенерация, или освежение (refresh). Регенерация ячеек памяти выполняется автоматически во время циклов чтения или записи данных. Но при выполнении любой программы нельзя с уверенностью сказать, что каждый раз происходит обращение ко всем ячейкам (скорее, наоборот, можно гарантировать, что этого практически никогда не происходит).

Поэтому была создана специальная схема, которая через заданные промежутки времени принудительно регенерирует память путем осуществления доступа ко всей памяти. Во время цикла освежения процессор приостанавливается, что естественно, замедляет работу системы.

Альтернативой динамической памяти может служить статистическая память (Static RAM, SRAM), которая в целом идентична динамической, но не требует процедуры регенерации.

Применение SRAM в качестве микросхем оперативной памяти дало бы существенный прирост производительности, но при этом непомерно увеличилась бы цена компьютера из-за ее дороговизны, особенно если учесть современные объемы оперативной памяти и требуемое быстродействие.

Принцип работы оперативной памяти заключается в следующем. Ячейки памяти конфигурируются в матрицу строк и столбцов, и полный адрес ячейки данных (одного бита информации) делится на два компонента: адрес строки (rowaddress) и адрес столбца (columnaddress).

34. Модули SDRAM.Синхронная оперативная память (Synchronous DRAM) - это первая технология оперативной памяти, разработанная для синхронизации работы памяти с тактами работы центрального процессора с внешней шиной данных.

Синхронная работа SDRAM имеет таймер ввода данных, таким образом, системный таймер - устройство пошагового контроля деятельности центрального процессора - может также управлять работой памяти.

Память повышенного быстродействия. Особенности:

1. Синхронный метод передачи данных на шине f_t_ш=f_t_п.ш. (ш-шины, п.ш. процессорные шины) т.е. f_FSB=f_сп.

Свою очередь процессор и f_t через множитель связанный с f_FSB; тем самым обеспечивается синхронизация между работой процессора и памяти. Эта синхронность позволяет точно узнать когда готовы данные для счета информации. Исключаются циклы ожидания свойственные асинхронному обмену. Следовательно, отсутствует временное согласование.

2. Использование двух или четырех банков памяти. Весь массив модули памяти разделен на два использованных банка. Позволяет совмещать выборку из одного банка с становления адреса в другом. Доступ чередуется, устраняет задержку, обеспечивает создание непрерывного потока данных из памяти.

3. Конвертность. Память организована конвертным образом, что позволяет произвести обращение по новому адресу столбца ячейки на каждом тактовом цикле. Адрес памяти делиться на два полуадреса. Один из которых старших – полуадрес строки, младший - столбца (матрицы). Подаются на одиночные выходы поочередно. Позволяет уменьшить количество выходов у микросхем в два раза.

Характеристики быстродействия .

Тайминг памяти:

T_L-T_RSD-T_RP

Показывает 3 вида задержек, чтобы считать данные памяти.

T_RP– время деактивациистроки.

Время доступа к памяти в SDRAM различают 2 времени:

1) время доступа при случайных обращениях (при выборках)

2) время доступа при стропичном режиме.

1 – T_RAS (примерно 1 для всех видов памяти, приблизительно 50 нс

РС 100 – T_RAS =2+2+1=5=50нс

РС 133 - T_RAS=3+3+1=7=52,5нс

2 – время доступа при стропичном режиме сокращается и составляет величину = 1такту.

35. Временные характеристики ОЗУ. Для передачи на микросхему памяти адреса строки служит сигнал RAS (RowAddressStrobe), а для адреса столбца - сигнал CAS (ColumnAddressStrobe).

В процессе обращения к памяти (для записи или считывания информации) на адресные входы микросхемы подается вначале код адреса строки и одновременно с ним (или с задержкой) сигнал RAS, затем, с незначительной задержкой, код адреса столбца, сопровождаемый сигналом CAS.

Время доступа к блоку RAM определяется в первую очередь временем чтения (разряд конденсатора) и регенерации (заряд конденсатора).

Важной характеристикой элементов памяти является время доступа, характеризующееся интервалом времени, в течение которого информация записывается в память или считывается из нее. Время доступа у оперативной памяти измеряется в наносекундах.

В принципе на материнскую плату можно установить элементы памяти с несколько различным временем доступа, но это может привести к нестабильной работе системы или вообще к отсутствию оной. Поэтому при установке модулей памяти необходимо обращать внимание на то, чтобы модули имели идентичные параметры.

Хотя сейчас все делается для того, чтобы максимально облегчить жизнь пользователю, и проблемы могут возникнуть в основном только если вы пытаетесь совместить слишком старую и новую память или модули отличаются частотами, на которые они рассчитаны.

В некоторых микросхемах для доступа к памяти реализован так называемый пакетный режим (Burst). Он заключается в том, что при необходимости чтения одного слова (последовательности битов) CPU вместе с ним читает еще три, расположенные рядом.

Время пересылки обычно измеряют в тактах процессора и записывают, например, таким образом: 3-2-2-2. Эта запись означает, что если на первую пересылку данных требуется 3 такта CPU, то на следующие три - только 2 такта. Понятно, что чем меньше эти значения, тем лучше.

Кроме пакетного режима для повышения быстродействия динамической памяти используется метод управления памятью с чередованием адресов (InterleavingMode), который базируется на том, что адреса логически связанных байтов чаще всего располагаются в памяти друг за другом.

Как уже отмечалось, после завершения доступа к микросхеме требуется пауза для подготовки к следующему этапу записи или считывания. Чтобы по возможности избежать таких пауз, существует система чередования памяти, то есть помещение следующих друг за другом ячеек памяти в различные банки, из которых CPU должен считывать данные попеременно.

Пока в одном из чипов происходит регенерация данных, процессор может без промедления обратиться к следующему байту из другого банка.

Циклы ожидания (WaitState), которые вставляются между обращениями к памяти, существенно замедляют работу системы. Еще одним способом для улучшения производительности подсистемы памяти является разбиение памяти на страницы (PacingMode).

Этот метод базируется все на том же факте, что каждый поступающий в CPU байт обычно находится вблизи от байта, уже считанного из памяти и логически связанного с ним.

Следовательно, повторения сигнала RAS и связанных с этим издержек можно избежать, если адреса строк выбираемых ячеек лежат в пределах одной страницы, то есть адрес строк неизменен.

Можно выделить пять важнейших логических областей оперативной памяти:

Стандартная оперативная память (ConventionalMemory)

EMS-память (Extended Memory Specification)

UMA (Upper Memory Area)

HMA (High Memory Area)

XMS (eXtendedMemorySpecification)

36. Факторы определяющие производительность ОЗУ. Если мы сравним производительность устаревших процессоров с производительностью применяемой тогда оперативной памяти, то убедимся, что эти значения приблизительно идентичны.Когда появились процессоры с частотой 100 MHz, частота памяти составила 66 MHz, то есть примерно в полтора раза меньше, и в дальнейшем частота памяти стала все быстрее отставать от частоты CPU. Сравнив частоту современных процессоров с частотой используемой ныне оперативной памяти, мы придем к неутешительному выводу: за последние десять с лишним лет быстродействие центральных процессоров увеличилось более чем в 30 раз, в то время как памяти - приблизительно раза в четыре, максимум - пять.Другими словами, сейчас частота процессоров превосходит частоту оперативной памяти в 7 – 10 раз. Выходит, что память существенно тормозит всю систему.Микросхемы памяти в процессе развития аппаратных средств РС не могли угнаться за появлявшимися чуть ли не каждый месяц все более быстрыми процессорами.Вначале это пытались как-то компенсировать разгоном уже существующих и оправдавших себя технологий, но возможности такого способа быстро иссякают: уже 166-мегарецевая SDRAM получалась слишком дорогой из-за сложности создания соответствующих чипов. Да и все же разгон - это экстенсивное решение. В общем, на рынке к 2000 году не оказалось памяти, которая смогла бы обеспечить требуемую производительность.В то же время отказываться от весьма неплохой и популярной памяти SDRAM по ряду причин было нежелательно. Но технологии, в который раз пытающиеся залатать SDRAM путем добавления кэша SRAM, вроде ESDRAM, или же путем оптимизации ее работы, вроде VCM SDRAM, не могли уже ничем помочь, во многом опять-таки из-за большой стоимости.На выручку пришла технология передачи данных одновременно по двум фронтам сигнала, когда за один такт передаются сразу два пакета данных.В случае с используемой 64-битной шиной это дает 16-байтный за такт. Или, в случае с теми же 133 мегагерцами, уже не 1064, а 2128 Мб/с. Впрочем, чипы DDR SDRAM первыми стали использовать производители видеокарт. Им проще: на карте они в праве применять что угодно, лишь бы на выходе был стандартный сигнал. Да и пропускная способность памяти все же всегда была узким местом, скорее, для графических чипов, чем для центральных процессоров. Так что производители видеокарт гораздо раньше воспользовались технологией DDR SDRAM.Образцы DIMM-модулей с DDR SDRAM появились в конце 2000 года. Практически сразу появились чипсеты и материнские платы на них, поддерживающие DDR SDRAM. В 2001 году уже сложился самостоятельный рынок, пусть и не очень большой, рассчитанный на технологию DDR.

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 1094; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!