Cовременный компьютер
 Скачать 160.5 Kb.
|
CОВРЕМЕННЫЙ КОМПЬЮТЕРПлан: Введение Процессоры Материнские платы Оперативная память Кэш-память BIOS и CMOS RAM Новые виды памяти Жеские диски Видеоконтроллеры Магнитооптика Устройства с многократной записью Введение Современную жизнь практически невозможно представить без компьютеров и даже не верится, что не так давно, до начала 70-х годов вычислительные машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, а об их применении ничего не было известно Но пришел 1971г, когда еще почти неизвестная фирма Intel из американского городка Санта-Клара (шт. Калифорния) выпустила первый микропроцессор. Это событие в корне изменило ситуацию и с фантастической скоростью превратило компьютер в повседневный рабочий инструмент десятков миллионов людей. Именно микропроцессору мы обязаны тем, что появился новый класс вычислительной техники – персональные компьютеры. Сейчас ими пользуются все – школьники, студенты, бухгалтеры, ученые, инженеры. Настольные компьютеры решают все новые и новые задачи, которые раньше были доступны лишь машинам, занимавшим целые этажи в исследовательских институтах. Наверное, никогда прежде человек не имел в своих руках инструмента, обладающего столь колоссальной мощью при столь микроскопических размерах Процессоры Эра персональных компьютеров началась 15 ноября 1971 г. В этот день начались поставки первого в мире микропроцессора Intel 4004 - такое обозначение получил первый прибор, послуживший отправной точкой абсолютно новому классу полупроводниковых устройств Можно сказать, что компания Intel сама создала новый рынок и захватила его целиком, но тем не менее развитие никогда не прекращалось. Посмотрим, какой путь прошли процессоры за последние 25 лет 80286 Этот процессор был представлен 1 февраля 1982 г. Новый чип оказался весьма впечатляющим. Он остался 16-ти разрядным, но по производительности новый процессор в 3—6 раз превзошел своего предшественника i8086. Тактовая частота первой модификации составляла 8 МГц. Благодаря использованию многовыводного корпуса разработчики смогли применить схему с раздельными шинами адресов и данных. Новые технологии позволили обращаться к физической памяти объемом до 16 Мбайт. Также впервые была представлена идея многозадачности – возможности выполнять различные программы отдельно друг от друга в одно и то же время. Эта идея не была реализована под Dos, но позже позволила создать такую операционную систему, как Windows. Кроме того, аппаратура i80286 обеспечивала работу с виртуальной памятью объемом до 1 Гбайт. Можно сказать, что это был первый “настоящий” процессор Новый ЦП имел два режима работы - реальный и защищенный . В первом случае он воспринимался как быстрый ЦП i8086 с несколько расширенной системой команд и прекрасно подходил тем потребителям, для которых, помимо скоростных характеристик, жизненно важным было сохранение существующего задела ПО. Работа в защищенном режиме позволяла использовать преимущества прибора в полном объеме, и прежде всего — большой объем основной памяти 80386 Процессор i80386, ставший первенцем 32-х разрядных систем, был представлен 17 октября 1985 г. Он уже являлся процессором для ЭВМ общего назначения. Благодаря новым тежнологиям (КМОП-технологии с проектными нормами 1 мкм и двумя уровнями металлизации) на кристалле удалось разместить 275 тыс. транзисторов и реализовать полностью 32-х разрядную архитектуру процессора. Это обеспечило адресацию физической памяти объемом до 4 Гбайт и виртуальной памяти емкостью до 64 Тбайт. Среднее время выполнения команды было значительно уменьшено благодаря предварительному выбору команд в буфер на 16 инструкций, конвейеру команд и аппаратной реализация функций преобразования адреса. Новый процессор мог выполнять 3-4 млн. операций в секунду. Превысив в 6 – 8 раз производительность своего предшественника i8086, новый прибор остался совместимым с ним на уровне объектных кодов Новый кристалл имел три режима работы ѕ реальный , защищенный и режим виртуального МП i8086 . Совместимость на уровне объектных кодов с устройствами i8086 и i80286 обеспечивалась в реальном режиме. В этом режиме программисту вообще представлялось, что он имеет ЦП i8086, выполняющий соответствующие программы с большей скоростью и обладающий расширенной системой команд и регистрами. Благодаря этому компания сохранила прежних клиентов, которые хотели модернизировать свои системы, не отказываясь от имевшегося программного обеспечения, и привлекла тех, кому изначально требовалась высокая скорость обработки информации. Но в реальном режиме предельный объем адресуемой памяти составлял 1 Мбайт, что было существенным ограничением. Но от него свободен защищенный режим, позволяющий воспользоваться всеми преимуществами архитектуры нового процессора. В этом режиме объем адресуемой памяти увеличивался до 4 Гбайт, а объем поддерживаемых программ до 64 Тбайт. Защищенный режим обладал более высоким быстродействием и возможностями организации истинной многозадачности Последний режим давал возможность одновременного исполнения ОС и прикладных программ написанных для МП i8086, i80286 и 80386. Поскольку объем памяти, адресуемой 386-м процессором, не ограничен значением 1 Мбайт, он позволял формировать несколько виртуальных сред i8086 i80486, запущенный корпорацией Intel в серийное производство 10 апреля 1989г, на несколько лет вперед стал лучшим процессором Pentium В конце 80-х годов многие предсказывали скорый отказ от кристаллов CISC, потому что стремительно развивались RISC-процессоры. Усложнение программного обеспечения и постоянное расширение сферы применения компьютеров требовали существенного роста вычислительной мощи ЦП Но корпорация Intel посчитала, что в микропроцессорах использованы не все возможности СISC-архитектуры и отказываться от нее пока рано. Кроме того, стоимость накопленного прикладного програмного обеспечения измерялась миллиардами долларов, и фирме просто не простили бы отказ от совместимости с предыдущими моделями В основу нового процессора была положена суперскалярная архитектура, которая и дала возможность получить пятикратное повышение производительности по сравнению с моделью 486DХ. Высокая скорость выполнения команд достигалась благодаря двум 5-ступенчатым конвейерам, позволявшим одновременно исполнять несколько инструкций. Для постоянной загрузки обоих конвейеров из кэш'а требуется широкая полоса пропускания . Совмещенный буфер команд и данных обеспечить ее не мог, и разработчики воспользовались решением из арсенала RISC-процессоров, оснастив Pentium раздельными буферами команд и данных. При этом обмен информацией с памятью через кэш данных осуществлялся совершенно независимо от процессорного ядра, а буфер инструкций был связан с ним через высокоскоростную 256-разрядную внутреннюю шину. Несмотря на то что новый кристалл был спроектирован как 32-разрядный, для связи с остальными компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная шина данных с максимальной пропускной способностью 528 Мбайт/с. Еще одной "изюминкой" архитектуры, позаимствованной у представителей универсальных ЭВМ стала схема предсказания переходов По скорости выполнения команд с плавающей точкой Pentium в пять - семь раз превзошел процессор 486DX2/50 и почти на порядок - микросхему 486DX/33 Pentium Pro 27 марта 1995 г. Intel представила микропроцессор шестого поколения, получивший название Pentium Pro. Стремление выжать из CISC-архитектуры практически все, на что она способна, заставило разработчиков этого продукта пользоваться почти всеми техническими решениями, которые ранее применялись в супер ЭВМ и мэйнфреймах (благо, достигнутая степень интеграции это уже позволяла). Прежде всего речь идет об использовании механизма динамического разделения порядка выполнения команд нескольких многоступенчатых конвейеров вместо двух 5-ступенчатых конвейеров, характерных для Pentium. Новый ЦП имеет их три, в каждом из которых 14 ступеней. Подобный многофазный конвейер позволил обеспечить высокую тактовую частоту процессора (133 МГц в первой модели). Для осуществления постоянной загрузки конвейера необходимы высокоэффективный кэш команд и высококачественная схема предсказания переходов. Поэтому в отличие от своего предшественника, имевшего двухвходовой ассоциативный кэш инструкций, Pentium Pro обладает более эффективным четырехвходовым кэш'ем, а также схемой предсказания ветвлений на 512 входов. Кроме того, для повышения производительности была применена буферная память второго уровня емкостью 256 Кбайт, расположенная в отдельном чипе и смонтированная в том же корпусе, что и процессор. Кристалл кэш'а связан с процессором собственной синхронной 64-разрядной шиной, работающей на тактовой частоте процессора Технические характеристики нового ЦП обеспечили ему устойчивый сбыт в секторе высокопроизводительных серверов и рабочих станций, на долю которого приходится пока наибольший объем продаж кристалла. Что касается персональных компьютеров, то здесь распространение Pentium Pro пока сдерживается относительно высокой стоимостью и недостаточным объемом прикладного ПО, в полной мере использующего все преимущества процессора Материнские платы Почти все современные платы используют шину PCI и поддерживают спецификацию PCI-2.0. Архитектура системных плат с шиной PCI за довольно короткий промежуток времени претерпела существенные изменения, направленные в конечном счете, на повышение производительности, — от РСI Bridge до РСI Host Concurrent Bus, допускающей конкурентные циклы процессор-память и PCI-память CHIPSET Появление chipset Triton фирмы Intel, со значительно расширенными по сравнению с ранними версиями возможностями по управлению шиной и применению новых типов памяти, установило новый стандарт на производительные системы на основе процессоров типа Pentium (90, 100, 120 MHz и т. д.) Triton (82430FX PCIset) поддерживает: спецификацию РС1 РС12.0 (Triton VX— РС1 2.1); внешние тактовые частоты 50/ 60/ 66 MHz; обмен по шине РС1 на частотах 25/30/33 MHz; 256 или 512 KB кэш-памяти второго уровня — pipeline burst SRAM, асинхронную SRAM; от 4 до 128 MB EDO DRAM или FPM DRAM; содержит встроенный Bus Master IDE контроллер на 4 устройства (режимы PIO mode 4 и MultiWord DMA mode 2). Естественно, что все новые модели chipset по своим возможностям находятся примерно на уровне Triton и, кроме того, поддерживают и Pentium, и процессоры К5 и М1 фирм AMD и Cyrix Chipset фирмы Acer Laboratory Inc. под названием Aladdin M1511/12/13 предназначен как для двухпроцессорных, так и однопроцессорных конфигураций. Рассчитан на процессоры Pentium (от 60/66 MHz на 5V до 150 MHz, 2.5 V). В однопроцессорной конфигурации можно применять также Cyrix М1 и AMD К5. Предусмотрена поддержка pipeline burst SRAM и EDO DRAM. Имеется встроенный контроллер Enhanced IDE Новые chipset для процессоров семейства 486, например ALI М 1489 фирмы, используют некоторые решения, разработанные для Pentium, в частности, возможность применения памяти типа EDO DRAM, а также поддерживают процессоры MISC фирмы Cyrix и Enhanced 486 фирмы AMD КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ВСТРОЕННЫЕ УСТРОЙСТВА Во всех новых моделях системных плат для Pentium предусмотрена поддержка процессоров не только на 90/100 MHz, но и 120, 133, 150 MHz, а в некоторых —155, 167, 180 и 200 MHz. Разные значения напряжения питания, требующиеся для разных моделей процессоров, обеспечиваются регуляторами напряжения, как встроенными, так и в виде внешних модулей Voltage Regulator Module — VRM (для них предусмотрены специальные разъемы). Практически обязательными стали встроенные контроллеры Enhanced IDE на 4 устройства с поддержкой режимов PIO mode 3, 4 и DMA Mode 2 (Bus Master IDE). На почти во все системные платы, как для Pentium, так и для семейства 486, встраивают также контроллеры флоппи-дисков и Enhanced Ports. Последовательные порты, благодаря применению универсального асинхронного приемопередатчика UART 16550 с FIFO регистром, позволяют осуществлять безошибочный высокоскоростной обмен данными. В некоторых случаях предусмотрена также поддержка последовательного инфракрасного порта Infrared (IrDA). Соответствующий модуль подключается через 5-штырьковый разъем. IrDA обеспечивает обмен данными на расстоянии до одного метра со скоростью 115 kbps. Инфракрасными портами снабжаются в настоящее время многие переносные устройства (notebook, laptop), а также принтеры Системные платы типа AII-In-One, в которых кроме встроенных контроллеров и портов имеется также и графический адаптер и, зачастую, звуковая плата, выпускаются в больших количествах, особенно фирмой Intel. Применение плат All-In-One ограничивалось всегда необходимостью использования специального корпуса типа slim, ultra slim, super slim и, кроме того, небольшим числом слотов расширения и недостаточными возможностями для дальнейшей модернизации. Тем не менее, тенденция интегрировать, как можно больше устройств в системную плату прослеживается вполне отчетливо (и не обязательно только в платах типа AII-In-One). Так, например, встроенные SCSI-адаптеры применяются уже достаточно давно СИСТЕМНЫЕ ПЛАТЫ PENTIUM Фирма ASUSTeK выпускает широкий набор системных плат под Pentium, как в однопроцессорной, так и в двухпроцессорной конфигурации. Используются chipset фирмы Intel (Triton, Neptune), а также фирмы SiS. Во всех платах применены версии BIOS фирмы AWARD и SCSI BIOS фирмы NCR, реализованные на основе Flash EPROM емкостью 1 M bit Пример: Модель РС1/1-Р55ТР4ХЕ рассчитана на процессоры Р54С с тактовыми частотами 75, 90, 100, 120, 133, 150 MHz. В ней используется chipset Intel Triton. Встроенный Bus Master Enhanced IDE контроллер обеспечивает обмен данными в режимах Р10 mode 3 и 4 и DMA mode 2. Имеются контроллеры флоппи-дисков и Enhanced Ports. BIOS фирмы Award поддерживает режим Plug&Play. Плата снабжена дополнительным слотом MediaBus, который может использоваться совместно со слотом РС1 для подключения комбинированных адаптеров, например графического, совмещенного со звуковой платой (шина MediaBus является неким аналогом шины ISA, только выведена на другой разъем) СИСТЕМНЫЕ ПЛАТЫ 486 Фирма ASUSTeK поставляет классические, очень тщательно сконструированные модели плат для процессоров семейства. 486. Используется chipset фирм Intel и SiS. Все платы поддерживают широкую номенклатуру процессоров производства Intel (включая Pentium OverDrive Р24Т), AMD, Cyrix, UMC. Хотя локальная шина VLB, разработанная в свое время специально под процессоры семейства 486, сейчас активно вытесняется шиной РС1, на рынке все еще имеется большое количество качественных графических и других адаптеров, выполненных в этом конструктиве. Поэтому разъем под шину VLB сохранен даже в системных платах, использующих РС1. Модель PVI-486SP3 (с шинами PCI/VLB/ISA) собрана на chipset SiS 85С496&85С497, использует BIOS фирмы Award и поддерживает до 512 KB кэш-памяти. Плата имеет полный набор встроенных контроллеров. Модель PVI-486AP4 использует chipset Intel Green PC 824.20EX PCIset (Intel Aries) и содержит только Enhanced IDE контроллер. Наконец модель VL/1-486SV2GX4 на популярной микросхеме SiS 471 ориентирована на шину VLB (2 слота). Среди особенностей можно отметить поддержку кэш-памяти большого объема - до 1МВ. Новые версии плат PVI предусматривают Plug&Play, для более старых возможен upgrade для BIOS ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ Системная плата должна обеспечивать достижение максимально высокой производительности как процессора и оперативной памяти, так и других частей компьютера — графических адаптеров, жестких дисков и прочих. Поэтому тестирование системной платы на производительность, предполагающее оценку быстродействия практически всех компонентов, дает полезную информацию не только о ней самой, но и об этих компонентах. Сопоставление результатов может помочь в выборе того или иного технического решения и конкретных типов комплектующих. Следует сразу оговориться, что не стоит абсолютизировать результаты какого-либо тестирования. Идеальных тестов не бывает, они в той или иной мере рассчитаны на оценку либо выделенных подсистем компьютера, либо на некоторые интегральные характеристики. В данном случае это не более чем ориентир, особенно полезный при настройке системы. Лучший тест - это конкретная рабочая среда конкретного пользователя Анализ результатов тестирования показывает, что хотя применение новых типов памяти и дает некоторый выигрыш в производительности, он невелик. Это легко понять с учетом того, что даже стандартная кэш-память второго уровня обеспечивает для типовых задач доступ к оперативной памяти со скоростью, достаточно близкой к максимально возможной для данного типа процессора, так что дальнейшее ускорение дается с большим трудом и не может быть значительным. Тем не менее, применение новых типов памяти является вполне оправданным, так как позволяет поднять реальную производительность при работе со многими приложениями и в мультизадачной среде. Из некоторых источников и публикаций можно сделать и еще один важный вывод. Он заключается в том, что главное средство повышения производительности всех подсистем компьютера, включая графическую и, с некоторыми оговорками, жесткие диски, — это использование более мощного процессора Оперативная память Практически все компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором вычислительных операций. Таким образом, этот вид памяти обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой — RAM (Random Access Memoiy). Для построения запоминающих устройств типа RAM используют микросхемы статической и динамической памяти Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнения микропроцессоров программы. Постоянная память имеет собственное наз-вание — ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, чт'о она обеспечивает только режимы считывания и хранения. Постоянная память обладает тем преимуществом, что может сохранягь информацию и при отключенном питании. Это свойство получило название энергонезависимость. Все микросхемы постоянной памяти по способу занесения в них информации (программированию) делятся на масочные (ROM), программируемые изготовителем, однократно программируемые пользователем (Programmable ROM) и многократно программируемые пользователем (Erasable PROM). Последние в свою очередь подразделяются на стираемые электрически и с помощью ультрафиолетового облучения. К элементам ЕРROM с электрическим стиранием информации относятся и микросхемы флэш-памяти. От обычных EPROM они отличаются высокой скоростью доступа и стирания записанной.информации. Вешняя память реализована обычно на магнитных носителях Оперативная память составляет не большую, но, безусловно, важнейшую часть персонального компьютера. Если от типа процессора зависит количество адресуемой памяти, то быстродействие используемой оперативной памяти во многом определяет скорость работы процессора, и в конечном итоге влияет на производительность всей системы Практически любой персональный IBM-совместимый компьютер оснащен оперативной памятью, реализованной микросхемами динамического типа с произвольной выборкой. (DRAM, Dynamic Random Access Memory). Каждый бит такой памяти физически представлен в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. Поскольку время хранения заряда конденсатором ограничено (из-за "паразитных" ; утечек), то, чтобы не потерять имеющиеся данные, необход]имо периодическое восстановление записанной информации, которое и выполняется в циклах регенерации (refresh cycle). Это является, пожалуй, одним из основных недостатков динамической памяти, в то время, как по критерию, увеличивающему информационную емкость, стоимость и энергопотребление, этот тип памяти во многих случаях предпочтительнее статической памяти (SRAM, Static RAM). Последняя в качестве элементарной ячейки памяти использует так называемый статический триггер. Этот тип памяти обладает высоким быстзодействием и, как правило, используется в самых "узких". местах системы, например, для организации памяги Корпуса и маркировка Элементы динамической памяти для персональных компьютеров бывают конструктивно выполнены либо в виде отдельных микросхем в корпусах типа DIP (Dual In line Package), либо в виде модулей памяти типа SIP/SIPP (Single In line Pin Package) или типа SIMM (Single In line Mernory Module). Модули памяти представляют собой небольшие текстолитовые платы с печатным монтажом с установленными на них микросхемами памяти в DIP-корпусах. При этом для подключения к системной плате на SIMM используется печатный ("ножевой") разъем, а на модулях SIP — штыревой Логическая организация памяти Используемый в IBM PC/XT процессор i8086 через свои 20 адресных линий может иметь доступ к пространству памяти всего в 1 Мбайт. Но в то время, когда появились эти компьютеры, возможность увеличения доступной оперативной памяти в 10 раз (по сравнению с обычными 64 Кбайт) была просто фантастической. Отсюда наверно и появилась "волюнтаристская" цифра — 640 Кбайт. Эти первые 640 Кбайт адресуемого пространства в IBM-совместимых компьютерах называют обычно стандартной памятью (conventional memory). Оставшиеся 384 Кбайт были зарезервированы для систем использования и носят название памяти в верхних или высших адресах (UMB, Upper Memory Blocks). Эта область памяти резервируется под размещение системного ROM BIOS (Read Only Меш Basic Input Output System), видеопамяти и ROM-памяти, полнительных адаптеров Дополнительная, или ехрanded-памягь Почти на всех персональных компьютерах область UMB редко оказывается заполненной полностью. Пустует, как правило, область расширения системного ROM BIOS часть видеопамяти и области под дополнительные модули ROM. На этом и базируется спецификация дополнительной памяти EMS (Expanded Memory Specification), разработка фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft (поэтому называемая иногда LIM-спецификацией) еще в 1985 г. и позволяющая использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц) памяти. В выделяется незанятое "окно" (page frame) в 64-Кбайт, которое разбито на 16-килобайтные страницы. Программные и аппаратные средства позволяют отображать любой 16-килобайтный сегмент этой дополнительной expanded-иамйти в любой из выделенных 16-килобайтных страниц окна. Хотя микропроцессор всегда обращается к данным, хранимым в окне (адрес 1 Мбайт), адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти относительно окна на несколько мегабайт. Спецификация LIM/EMS 4.0 позволяет использовать до 2048 логических страниц и расширить объем адресуемой памяти до 32 Мбайт. Кроме этого, как и в EMS, физические страницы могут быть расположены в любом месте памяти , отличный от 16 Кбайт. Таким образом могут задействоваться области видеопамяти и UMB. Возможности спецификации позволяют, в частности, организовать многозадачный режим работы Paсширенная, или ехрanded-памягь Компьютеры, использующие процессор i80286 с 24-разрядными адресными шинами, физически могут адресовать 16 Мбайт, а в случае процессоров i80386/486 — 4 Гбайта памяти. Такая возможность появляется только при защищённом режиме работы процессора (protected mode), которого операционная система MS DOS не поддерживает. Расширенная память располагается выше области адресов 1 Мбайт. Для работы с extended-памятью микропроцессор должен переходить из реального в защищенный режим и обратно. Микропроцессоры i80386/486 выполняют эту операцию достаточно легко, чего не скажешь о i80286. При наличии соответствующего программного драйвера расширенную память можно эмулировать как дополнительную. Аппаратную поддержку в этом случае должен обеспечивать процессор не ниже i80386 или вспомогательный набор специальных микросхем |