Лабораторная работа. 05.10.2021 Лабораторная работа № 2. Лабораторная работа 2 Идентификация блоков системной платы и разъемов для подключения внешних узлов
 Скачать 0.79 Mb.
|
|
05.10.2021 Лабораторная работа № 2 Идентификация блоков системной платы и разъемов для подключения внешних узлов Цель: Рассмотреть организацию ЭВМ на основе шинной архитектуры. Изучить компоненты материнской Краткие теоретические сведения Структура связей компонентов в микропроцессорных системах Чаще всего в микропроцессорных системах применяется так называемая шинная структура связей между отдельными устройствами, входящими в систему. Суть шинной структуры связей сводится к следующему. Классическая структура связей. При классической структуре связей все сигналы и коды между устройствами передаются по отдельным линиям связи. При этом в системе получается очень много линий связи и разных протоколов обмена информацией. Если рассматривать шинную структуру связей, то в ней все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (так называемая мультиплексированная передача). Причем передача по всем линиям связи может осуществляться в обоих направлениях (двунаправленная передача). В результате количество линий связи существенно сокращается, а правила обмена (протоколы) упрощаются. Группа линий связи, по которым передаются сигналы или коды как раз и называется шиной (англ. bus). Понятно, что при шинной структуре связей легко осуществляется пересылка всех информационных потоков в нужном направлении, например, их можно пропустить через один процессор, что очень важно для микропроцессорной системы. Однако при шинной структуре связей вся информация передается по линиям связи последовательно во време- ни, по очереди, что снижает быстродействие системы по сравнению с классической струк- турой связей. Шинная структура связей. Однако на данный момент основные производители делают новые шаги и переходят на более современные структуры связей. Основной прорыв совершила корпорация Intel, представив общественности Quick Path Interface (QPI). Quick Path Interface Данная схема, как мы видим из рисунка была разработана с учѐтом как постоянного увеличения количества ядер ЦП, так и увеличения количества самих ЦП. Как видно из рисунка такая система предполагает непосредственное обращение процессора к опера- тивной памяти, что подразумевает наличие контроллеров памяти на самих процессорах. А это уже является модифицированной классической структурой связей. Но, как говорится, всѐ новое — это хорошо забытое старое, и, как результат, скорость работы данных систем в разы превышает скорость работы систем на основе шинной структуры. Компания AMD также не стоит на месте и предлагает технология HyperTransport, которая представляет собой высокопроизводительный интерфейс типа ―точка-точка‖ предназначенный для связи интегральных микросхем. Другим ключевым новововедением стандарта HyperTransport стала появившаяся совместимость с интерфейсом PCI-Express, в добавок к уже существующей поддержке PCI и PCI-X. Стоит отметить, что HyperTransport 3.0 способна обес-печить пропускную способность до 20,8 Гб/с в каждом из направлений, что яв-ляется крайне высоким показателем. Hyper Transport Сейчас многие производители увлечены данными концепциями и без со-мнения за ними будет будущее, однако на рынках ещѐ достаточно материнских плат на шинной структуре и в подавляющем большинстве в тех компьютерах, которыми мы пользуемся. А потому в дальнейшем в лабораторной работе мы будем говорить о шинно-ориентированных материнских платах. Материнская плата ПК Материнская плата (англ. motherboard, MB, также используется название англ. mainboard — главная плата; сленг. мама, мать, материнка) — это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило, материнская плата со- держит разъѐмы (слоты) для подключения дополнительных контроллеров, для подключе-ия которых обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express. В системную магистраль (системную шину) микропроцессорной системы входит три основные информационные шины: адреса, данных и управления. Основные компоненты материнской платы: 1. Центральный процессор. 2. Набор системной логики (англ. chipset) — набор микросхем, обеспечивающих подключение ЦПУ к ОЗУ и контроллерам периферийных устройств. Как правило, совре- менные наборы системной логики строятся на базе двух интегральных микросхемах (ИМ): «северного» и «южного мостов»: - Северный мост (англ. Northbridge), MCH (Memory controller hub), систем- ный контроллер — обеспечивает подключение ЦПУ к узлам, использующим высокопро- изводительные шины: ОЗУ, графический контроллер. В качестве шины для подключения графического контроллера на современных материнских платах используется PCI Express. Ранее использовались общие шины (ISA, VLB, PCI) и шина AGP. - Южный мост (англ. Southbridge), ICH (I/O controller hub), периферийный контроллер — содержит контроллеры периферийных устройств (жѐсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин для подключения периферийных устройств (шины PCI, PCI- Express и USB), а также контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не тре- бующие высокой пропускной способности (LPC — используется для подключения загру- зочного ПЗУ; также шина LPC используется для подключения мультиконтроллера (англ. Super I/O) — микросхемы, обеспечивающей поддержку «устаревших» низкопроизводи- тельных интерфейсов передачи данных: последовательного и параллельного интерфейсов, контроллера клавиатуры и мыши). 3. ОЗУ. 4. Загрузочное ПЗУ — хранит ПО, которое исполняется сразу после включения питания. Как правило, загрузочное ПЗУ содержит BIOS, однако может содержать и ПО, работающие в рамках EFI. Как правило, северный и южный мосты реализуются в виде отдельных инте- гральных микросхем, однако существуют и одночиповые решения. Именно набор систем- ной логики определяет все ключевые особенности материнской платы и то, какие устрой- ства могут подключаться к ней. В виде схемы всѐ выглядит следующим образом: Компоненты материнской платы В системную магистраль (системную шину) микропроцессорной системы входит три основные информационные шины: адреса, данных и управления. Шина данных Это основная шина, ради которой и создается вся система. Количество ее разря- дов (линий связи) определяет скорость и эффективность информационного обмена, а так- же максимально возможное количество команд. Шина данных всегда двунаправленная, так как предполагает передачу информации в обоих направлениях. Наиболее часто встре- чающийся тип выходного каскада для линий этой шины — выход с тремя состояниями. Обычно шина данных имеет 8, 16, 32 или 64 разряда. Понятно, что за один цикл обмена по 64-разрядной шине может передаваться 8 байт информации, а по 8-разрядной — только один байт. Разрядность шины данных определяет и разрядность всей магистра- ли. Например, когда говорят о 32-разрядной системной магистрали, подразумевается, что она имеет 32-разрядную шину данных. Шина адреса Вторая по важности шина, которая определяет максимально возможную слож- ность микропроцессорной системы, то есть допустимый объем памяти и, следовательно, максимально возможный размер программы и максимально возможный объем запомина- емых данных. Количество адресов, обеспечиваемых шиной адреса, определяется как $ 2^N$, где N — количество разрядов. Например, 16-разрядная шина адреса обеспечивает 65536 адресов. Разрядность шины адреса обычно кратна 4 и может достигать 32 и даже 64. Шина адреса может быть однонаправленной (когда магистралью всегда управляет только процессор) или двунаправленной (когда процессор может временно передавать управле- ние магистралью другому устройству, например контроллеру ПДП). Как в шине данных, так и в шине адреса может использоваться положительная логика или отрицательная логика. При положительной логике высокий уровень напряжения соответствует логической единице на соответствующей линии связи, низкий — логи- ческому нулю. При отрицательной логике — наоборот. Шина управления Это вспомогательная шина, управляющие сигналы на которой определяют тип те- кущего цикла и фиксируют моменты времени, соответствующие разным частям или ста- диям цикла. Кроме того, управляющие сигналы обеспечивают согласование работы про- цессора (или другого хозяина магистрали, задатчика, master) с работой памяти или устройства ввода/вывода (устройства-исполнителя, slave). Управляющие сигналы также обслуживают запрос и предоставление прерываний, запрос и предоставление прямого до ступа. Сигналы шины управления могут передаваться как в положительной логике (реже), так и в отрицательной логике (чаще). Линии шины управления могут быть как одно- направленными, так и двунаправленными. Типы выходных каскадов могут быть самыми разными: с двумя состояниями (для однонаправленных линий), с тремя состояниями (для двунаправленных линий), с открытым коллектором (для двунаправленных и мультиплек- сированных линий). Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла — адрес, в конце цикла — данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине управления. Понятно, что мультиплексированная шина ад- реса/данных обеспечивает меньшую скорость обмена, требует более длительного цикла обмена (Рис. 3.4.). По типу шины адреса и шины данных все магистрали также делятся на мультиплексированные и немультиплексированные. Мультиплексирование шин адреса и данных Порты и контроллеры. Рассматривая IBM-совместимую компьютерную архитектуру можно разделить все устройства на системные (процессор, оперативная память и т.д.) и внешние, которые подразделяются на запоминающие (жесткий диск, CR-ROM и т.д.) и устройства вво- да/вывода (клавиатура, принтер и т.д.). Каждое из устройств должно подсоединяться к си- стемной шине. Существуют следующие основные способы подключения устройств к си- стемной шине: Разъем Используется для системных устройств. Обычно встроен в материнскую плату. Устройство подключенное к разъему с точки зрения архитектуры является жизненно не- обходимым для работы ПК. Системная шина также имеет разъемы на материнской плате для подключения контроллеров. Наиболее распространненными являются PCI, AGP и PCI- Express. Используя разъем устройство подключается непосредственно к системной шине Порт Представляет собой аналог разъема с тем отличием, что порт предназначен для подключения внешних устройств не соединяющихся напрямую с материнской платой. Ра- боту устройств подключенных посредством порта обычно контролирует операционнная система. Различают: параллельные порты, в которых данные передаются параллельными блоками. Последовательные порты: COM. последовательные порты, в которых данные передаются последова- тельно друг за другом. Параллельные порты: LPT. последовательно-параллельные порты, в которых данные передаются последовательно, но параллельными блоками. Последовательно-параллельные порты: USB. Синонимом порта является интерфейс. Контроллер Обеспечивает сопряжение внешнего устройства и системной платы. Контроллеры бывают либо интегрированными (встроенными) в материнскую плату(контроллер клавиа- туры, жесткого диска и т.д.), либо выполняются в виде отдельной платы, вставляющейся в разъем на МП, в этом случае контроллер называют адаптером (видеоадаптер, сетевой адаптер и т.д.). Общая организация узлов и устройств ЭВМ: Архитектура ЭВМ. Интерфейсы Стандартный интерфейс — совокупность унифицированных технических про- граммных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия раз- личных функциональных элементов в автоматических системах обработки информации (СОИ) при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение инфор- мационной, электрической и конструктивной совместимости указанных элементов. В интерфейсе стандартизируются: Назначение и количество линий интерфейса. Параметры электрических сигналов. Протоколы обмена информацией. Конструктивные параметры. В зависимости от использования можно выделить 3 типа интерфейса: машинно-ориентированные - интерфейсы, которые решают задачу подклю- чения конкретного периферийного устройства (УВВ) к ЭВМ конкретного типа, системный - сопряжение устройств (модулей), имеющих системное назначе- ние и исполнение, т.е. основное назначение которых создание системы. Си- стемный интерфейс не решает конкретную задачу ввода/вывода, а, прежде всего, стандартизует устройства для решения этой задачи, приборный - предназначен для соединения различных приборов, в том числе работающих автономно от ЭВМ. Виды интерфейсов В зависимости от типа соединяемых устройств внутренний интерфейс ЭВМ (например, интерфейс системной шины, НМД), предназначенный для сопряжения элементов внутри системного блока ПЭВМ; интерфейс ввода-вывода — для сопряжения различных устройств с системным блоком (клавиатурой, принтером, сканером, мышью, дисплеем и др.); интерфейсы межмашинного обмена (для обмена между разными машинами) — для сопряжения различных ЭВМ (например, при образовании вычислительных сетей); интерфейсы «человек — машина» — для обмена информацией между чело- веком и ЭВМ. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) Базовая версия PCI: Тактовая частота шины 33 МГц, используется синхронная передача данных; Пиковая пропускная способность 133 МБ в секунду; Параллельная шина данных шириною 32-бита; Адресное пространство 32-бита (4 ГБ); Сигнальный уровень 3.3 или 5 вольт. Архитектура шины PCI (Peripheral Component Interconnect) многопроцессорная; двухшинная архитектура; 32, 64 – разрядная адресация данных; синхронная шина; производительность 133 Мбайт/сек – 4,3 Гбайт/сек , частота 33 МГц – 133 МГц, эффективная частота до 533 МГц, использование технологий DDR и QDR; пакетная передача данных, транзакции; арбитрация; таймер-задержка; два метода адресации; три адресных пространства: ОЗУ, регистры ввода/вывода, автоконфигурация; поддержка автоконфигурации; контроль четности. Шина PCI Express - Последовательная системная шина общего назначения; Дата рождения — 22 июля 2002 года — опубликована базовая спецификация про- токола и сигнального уровня, а также базовая спецификация на форм-фактор и энергопо- требление карт и разъемы; Фактически — совокупность независимых самостоятельных последовательных ка- налов передачи данных; Сигнальный уровень 0.8 вольт. Каждый канал состоит из двух дифференциальных сигнальных пар (необходимо только 4 контакта) Характеристики PCI-EXPRESS Используется избыточное защищенное от помех кодирование — каждый байт при передаче представляется десятью битами; Пропускная способность 2.5 Гигабита (250 МБ) в секунду для одного канала в каж- дом направлении одновременно (полный дуплекс), однако, следует учесть, что эффектив- ная скорость передачи данных за вычетом избыточного кодирования составляет 2 Гигаби- та (200 МБ) ровно; Стандартизированы 1, 2, 4, 8, 16 и 32 канальные варианты (до 6.4 эффективных Ги- габайт в секунду соответственно, при передаче в одну сторону и вдвое больше при пере- даче в обоих направлениях). При передаче данных они передаются параллельно (но не синхронно) по всем доступным каналам: Принцип работы PCI-EXPRESS Вся контрольная информация передается по тем же линиям что и данные, исполь- зуется стек протоколов, из нескольких уровней, включая маршрутизацию данных; Стандарт предусматривает и альтернативные носители сигнала, такие как оптиче- ские волноводы; Возможность динамического подключения и конфигурации устройств; Возможность распознавания и использования альтернативных (улучшенных) про- токолов обмена. Контрольные вопросы: Какие шины входят в состав системной магистрали? Что такое «порт»? Каковы наиболее распространенные типы портов? Какие компоненты содержит материнская плата? В чем их назначение? Порядок выполнения работы 1. Опишите подробно представленную материнскую плату на рисунке ниже. Выделить основные компоненты, а также их назначение. : Пример материнской платы. |