Курс лекций информатика

-двухканальный IDE-контроллер, обеспечивающий работу с накопителями, в частности жесткими дисками и оптическими дисководами;

-USB-контроллер, обеспечивающий работу с устройствами, подключаемыми к универсальной последовательной шине;

-контроллер ввода-вывода, который поддерживает работу внешних портов: последовательного (COM), параллельного (LPT), инфракрасного, а также контроллера флоппи-дисковода.

Большинство современных чипсетов реализуют в своем южном

мосту аудиоконтроллер AC’97 (Audio Codec).

4.3.2. Системные и локальные шины

Все устройства компьютера связаны друг с другом системой проводников по которым происходит обмен информацией - системной шиной (Bus). Сигналы, передаваемые по системной шине, различаются по своему функциональному назначению и поэтому, в ее составе выделяют группы проводников, в зависимости от типа передаваемой информации:

адресную шину, шину данных, шину управления и шину питания.

Максимальный адрес ячейки памяти, к которому может обратиться процессор, зависит от разрядности адресной шины. Если адресная шина одноразрядная, то по ней можно передать только два адреса - 0 и 1, и соответственно, можно обратиться только к двум ячейкам памяти - ячейке с адресом 0 и ячейке с адресом 1. Если адресная шина двухразрядная, то по ней можно передать четыре адреса: 00, 01, 10, 11 и обратиться к четырем ячейкам памяти. Количество ячеек, к которым можно обратиться, определяется как 2n, где n - разрядность адресной шины. Исходя из этого, если адресная шина 16-разрядная, то можно обратиться к 65536 ячейкам памяти, при 20-разрядной шине - к 1048576 ячейкам. Таким образом, разрядность адресной шины определяет максимально допустимый объем адресуемой оперативной памяти.

82

Разрядность шины данных связана с представлением чисел в памяти ЭВМ. Так, на IBM-совместимых компьютерах для записи числа требуется два байта или 16 бит. Для передачи такого числа потребуется 16-битная (16-разрядная) шина. При 8-разрядной шине число передается в два приема. Современные модели имеют 64-разрядную шину данных.

По шине управления происходит передача служебных сигналов, команд управления и адресов устройств.

Для повышения производительности ПК наряду с системной шиной, появились локальные шины, связывающие между собой процессор и внешние устройства.

Для подключения внешних устройств к системной шине и локальным шинам служат слоты (разъемы) расширения, имеющие специфический внешний вид для каждой из шин.

Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) была предназначена для одновременной передачи 8 бит информации и 20 разрядов адреса. Объем адресуемой памяти составлял 1 Мбайт. Для подключения плат расширения использовались специальные 62контактные разъемы. Теоретически скорость передачи данных могла достигать более 4,5 Мбайт/с, реальная пропускная способность достигала 1,2 Мбайта/с. Внешний вид слотов расширения шина ISA представлен на рисунке 4.

Системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture)

появилась в сентябре 1988 года как 32-разрядное расширение шины ISA с полной обратной совместимостью. В EISA впервые появилась автонастройка плат расширения (Plug-n-play). EISA обеспечила 32разрядную адресацию памяти и передачу данных, в том числе и в режиме DMA (Direct Memory Access - прямой доступ к оперативной памяти без загрузки центрального процессора). Теоретическая скорость передачи по шине EISA может достигать 33 Мбайт/с. EISA работает с частотой 8-10 МГц, а скорость передачи увеличивается в основном благодаря увеличению разрядности шины. EISA-разъемы имеют два ряда контактов,

83

один из которых (верхний) использует сигналы шины ISA, а второй (нижний) — соответственно EISA. В EISA-разъем можно было установить и ISA-карту, так как ее контакты не доходили до контактов EISA.

Появление локальной шины VLB было первым шагом к формированию архитектуры ПК с несколькими шинами, имеющими разную пропускную способность. Локальная шина не заменяла собой ISA или EISA, а дополняла их за счет нескольких (не более трех) разъемов локальной шины. Первоначально эти шины использовались для обмена процессора с видеоадаптером, для которого уже не хватало скорости работы ISA (отсюда и термин — локальная шина). Шина VLB представляла собой двунаправленную 32-разрядную шину данных с теоретической пропускной способностью 160 Мбайт/с (при частоте шины 50 МГц) и 107 Мбайт/с при частоте 33 МГц и позволяла таким периферийным устройствам, как видеоадаптеры и контроллеры накопителей, работать с тактовой частотой до 66 МГц.

Спецификация локальной шины PCI была представлена компанией Intel в июне 1992 года как процессорно-независимая шина. Передачей данных по этой шине управляет не центральный процессор, а включенная между ним и PCI-шиной специальная микросхема (мост). Это позволило получить заметное повышение производительности компьютера так как процессор может продолжать свою работу даже тогда, когда данные записывают в ОЗУ или считываются из него. То же самое происходит и при обмене данными между двумя PCI-устройствами.

Шина PCI является синхронной 32или 64-разрядной шиной, работающей на частоте 33 или 66 МГц. Шина PCI поддерживает автоматическое определение и конфигурирование плат расширения (режим Plug-n-play). Максимально возможная скорость передачи данных по шине PCI составляет от 132 Мбайт/с для 32-бит/33 МГц до 528 Мбайт/с для 64-бит/66 МГц реализаций шины.

Разработчики графических адаптеров столкнулись с проблемой недостаточного быстродействия шины PCI для ряда задач, возникающих

84

при обработке трехмерной графики. В связи с этим была разработана

локальная шина для обмена с видеоадаптером - AGP (Accelerated Graphic Port). AGP работает на частоте 66 МГц. Вначале были предусмотрены два режима передачи данных — 1x (66 МГц, 266 Мбайт/с) и 2х (133 МГц, 532 Мбайт/с за счет передачи данных по фронту и срезу тактовых импульсов). В мае 1998 года корпорация Intel разработала новый стандарт AGP - AGP 2.0 со скоростью передачи данных 4х и 8х. Скорость передачи данных в режиме 4х была увеличена еще в два раза по сравнению с режимом 2х и достигла 1064 Мбайт/с. Для подключения устройств к AGP-шине используется специальный разъем.

В мобильных компьютерах для подключения плат расширения памяти и периферийных устройств (модемов, сетевых карт, сменных жестких дисков и т.д.) используются 68 контактные разъемы стандарта PC-

сard, ранее называвшиеся PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). Они предназначены для подключения специально разработанных малогабаритных устройств (54х85,6 мм) толщиной 3-3, 5мм или 10,5 мм.

Внешний вид PC card

Рис. 10

Шина USB, появившаяся в 1996 г., предназначена для подключения до 127 устройств средне- и низкоскоростных периферийных устройств, при этом поддерживается их автоопределение, а также так называемое «горячее» подключение, то есть подключение к работающему компьютеру

85

без его перезагрузки. Скорость передачи данных по USB составляет в версии 1.0 12 Мб/сек, а в версии 2.0 480 Мб/сек. Длина кабеля USB может достигать 5 метров.

4.3.3. Интерфейсы передачи данных

Вслучае, когда обмен информацией ведется между периферийным устройством и контроллером, соединяющая их линия передачи данных называется интерфейсом передачи данных, или просто интерфейсом. Среди применяемых в современных и перспективных ПК интерфейсов можно отметить IDE, SCSI, FireWire (IEEE 1394) и др.

Интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics) используется для подключения накопителей жестких дисков, приводов CD и DVD, накопителей LS-120 и ZIP, магнитооптики, стримеров и т. п. В качестве синонима интерфейса IDE применяется термин ATA (AT Attachment).

ВIDE впервые введен стандарт для обмена данными между контроллером и системной шиной за счет использования специальной электроники совмещенной для управления и диском и этой шиной (отсюда

иназвание интерфейса).

Всоответствии со спецификацией к одному разъему IDE можно подключить два устройства. Режим работы (master или slave) задается на каждом из этих устройствах. Таким образом реализована адресация устройств на шине IDE.

Физически интерфейс IDE реализован при помощи плоского 40или 80-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 см.

Интерфейс IDE поддерживает несколько способов обмена. До недавнего времени основным способом обмена был PIO (Programmed Input/Output), при котором обмен данными производился через регистры процессора под его непосредственным управлением. Следствием этого является высокая загрузка процессора при операциях ввода/вывода.

86

Максимальная скорость передачи данных составляет 16,7 Мбайт/с. Вторым способом является использование режима прямого доступа к памяти (DMA), при котором контроллер интерфейса IDE и контроллер прямого доступа к памяти материнской платы пересылают данные между диском и оперативной памятью, не загружая центральный процессор. В качестве дальнейшего развития DMA была предложена спецификация UltraDMA/66 с пиковой производительностью 66 Мбайт/с. В настоящее время полную поддержку производителей получили режимы ATA/100 и ATA/133 с производительностью, соответственно до 100 и 133 Мбайт/с. Но стандарт ATA100 допускает использование максимального объема жесткого диска до 137 Гбайт, что связано с 28-битной адресацией сектора. Однако современные диски вплотную подошли к этому пределу — их максимальный объем составляет 120 Гбайт, поэтому дальнейшее увеличение емкости дисков в стандарте ATA100 просто невозможно. В стандарте же ATA133 используется 48-битная адресация сектора, что позволяет адресовать диски с объемом до 144 Пбайт (петабайт).

Интерфейс SCSI получил широкое распространение вместе с появлением в середине 80-х годов компьютеров Макинтош производства Apple. Разрядность SCSI-1 составляет 8 бит, тактовая частота — 5 МГц, максимальная скорость передачи не превышает 5 Мбайт/с. Контроллер SCSI-1 позволяет подключать до 7 устройств. Дальнейшим развитием этого интерфейса стал стандарт Fast SCSI (SCSI-2). Его тактовая частота была повышена до 10 МГц, что позволило поднять скорость передачи до 10 Мбайт/с. В 1993 году начались работы по созданию более быстрого варианта интерфейса SCSI, который бы мог работать на тактовой частоте 20 МГц. Новая модификация интерфейса получила название Ultra SCSI (SCSI-3). В спецификацию Ultra SCSI добавлен ряд команд для поддержки накопителей CD и графических устройств. Скорость передачи достигла 20 Мбайт/с, длина кабеля составляет 3 м в случае подключения до трех устройств и 1,5 м, если число устройств от трех до семи.

87

Интерфейс SATA.Спецификация Serial ATA II в окончательной версии принята в октябре 2002 г. Пропускная способность для SATA II составляет 300 Мбайт/с и панируется ее увеличение до 600 Мбайт/с. Стандарт SATA подразумевает последовательную передачу данных, а потому в кабелях передачи данных используются всего две пары проводов. Одна из них работает на передачу, а другая — на прием. Всего же в кабеле SATA допускается использование семи проводников, три из которых «земля». Максимальная длина кабеля составляет 1 м.

Интерфейс RS-232 (новое название EIA-232D) используется до настоящего времени для подключения низкоскоростных устройств (таких как мышь, модем и др.). В современном IBM -совместимом компьютере может использоваться до четырех последовательных портов.

Интерфейс параллельного порта (LPT) чаще всего используется для подключения к нему принтера или сканера. Персональный компьютер работает максимум с тремя параллельными портами. Подсоединение кабеля к адаптеру параллельного интерфейса производится через 25контактный разъем, а со стороны принтера используется специальный 36контактный разъем типа Centronics. Длина подключаемого кабеля обычно не превышает 3 м. Известно несколько модификаций параллельных скоростных интерфейсов, например EPP (Enhanced Parallel Port) и ECP (Extended Capabilities Port). Эти интерфейсы обеспечивают скорость до 2-5 Мбайт/с и поддерживают двустороннюю передачу данных. В настоящее время обе модификации объединены в одном стандарте IEEE 1284.

Интерфейс игрового (game) порта, как правило, расположен либо на звуковой плате, либо на многофункциональной плате ввода/вывода и позволяет подключать к компьютеру аналоговые устройства, например джойстик. Он же может служить для подключения музыкальных инструментов с интерфейсом MIDI (Musical Instruments Device Interface).

Для связи мобильных компьютеров с настольными, а также для подключения к ним периферийных устройств используется так же

беспроводный интерфейс, работающий в инфракрасном диапазоне - IrDa.

88

Принцип его работы довольно прост: светодиод (LED), работающий в инфракрасном диапазоне, излучает последовательность импульсов, которую принимает соответствующий фотодиод и затем преобразует обратно в электрические сигналы. Подобная связь имеет ряд преимуществ: низкую цену, невысокое энергопотребление и отсутствие вредных высокочастотных излучений. Первый стандарт ассоциации IrDа (Infrared Data Association) появился в июне 1994 года. Скорости передачи данных могут составлять 1,152 или 4,0 Мбит/с.

4.4.Процессоры ПК

Процессор представляет собой устройство, предназначенное для выполнения некоторого заданного набора операций по обработке данных и для управления процессом этой обработки.

Внешний вид процессора

Рис. 11

Выполняемые процессором команды предусматривают, как правило, арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную) и перемещение данных (между регистрами, оперативной памятью и портами ввода/вывода). Процессор может общаться с внешними устройствами используя адресную шину, шины данных и управления. Микропроцессор, как универсальный блок обработки информации был разработан в 1962 году.

По набору команд выделяют:

89

процессоры с полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer);

процессоры с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer).

Лидером в разработке микропроцессоров с полным набором команд

считается компания Intel со своей серией x86. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISCпроцессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд. Разработчики этой архитектуры (Торнтон, Крэй и др.) осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата. Среди других особенностей RISCархитектур следует отметить наличие достаточно большого количества регистров (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 - 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу по распределению регистров под переменные. Для обработки, как правило,

90

используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

Основными характеристиками процессора являются: тактовая частота, разрядность процессора, поддерживаемая частота системной шины.

Скорость работы процессора характеризуется тактовой частотой и выражается в мегагерцах или гигагерцах. Современные процессоры имеют тактовую частоту от 2 до 4 Ггц.

Разрядность процессора определяет, сколько бит информации может принять (передать) процессор за один такт работы, что во многом обусловливает его производительность. Современные процессоры имеют разрядность 64 и готовятся к выпуску 128 разрядные.

В настоящее время выпускаются процессоры, поддерживающие частоты 100, 133, 166, 200, 266, 400, 533 и 800 МГц.

Повышение производительности процессора может осуществляться разными способами. Первый - увеличение тактовой частоты процессора. В этом случае рост производительности достигается за счет уменьшения времени выполнения каждой микрокоманды. Однако увеличение тактовой частоты не может быть бесконечным и определяется технологией изготовления процессора. Кроме того, рост производительности не прямо пропорционален росту тактовой частоты, а наблюдается некая тенденция насыщаемости, когда дальнейшее увеличение тактовой частоты становится нерациональным.

Другой способ повышения производительности заключается в увеличении исполнительных блоков (АЛУ) внутри самого процессора. В этом случае возможно параллельное выполнение нескольких процессорных инструкций одновременно. Отход от последовательного выполнения команд и использование нескольких исполняющих блоков в современных процессорах позволяют одновременно обрабатывать несколько процессорных микрокоманд, то есть организовывать

91