Лекции_Вычислительные машины_new. Лекция История развития вычислительной техники
 Скачать 5.16 Mb.
|
ТЕМА 4. Структурные модели современных системных платЛекция 9. Шины обмена информацией в ЭВМ Для обмена данными между устройствами процессор использует различные шины, состоящие из каналов связи, соединяющих блоки ЭВМ. Системная шина обычно включает в себя шины данных, адреса и управления, и обеспечивает ввод/вывод (I/O) информации. Так как ЭВМ состоит из узлов с различным быстродействием, то обмен между устройствами происходит по шинам с разными характеристиками и назначением. Наиболее быстродействующей является системная шина процессора, которая связывает его с внешним кэш и контроллером памяти/шины. Обмен данными по этой шине происходит с наибольшей частотой (например, для 66,6 Гц), при которой надежно работают элементы внешнего кэш и схема контроллера памяти. Под управлением процессора его шина переключается через контроллер для обмена информацией с ОЗУ или локальной шиной, как показано на рис. 3. Основное ОЗУ обычно строится на более дешевых микросхемах памяти с большей емкостью, но меньшим быстродействием, чем внешний кэш. Локальная шина взаимодействует через адаптеры также с медленными устройствами (контроллеры гибких и жестких дисков, звуковые платы), поэтому скорость обмена процессора через контроллер с основным ОЗУ и локальной шиной замедляется. Для повышения быстродействия ЭВМ при свободной шине процессора внешний кэш заполняется данными из основного ОЗУ. Или по каналам основное ОЗУ, используя режим DMA (канал прямого доступа), заполняется данными от различных устройств через локальную шину. Компьютеры с локальной шиной PCI, подключаемой к шине процессора через ИС “моста”, появились в 1993 г. Иногда шину PCI называют "антресольной", т.к. она кроме шины процессора реализует дополнительный уровень обмена данными с частотой 33,3 или 66,6 МГц и разрядностью 32 или 64. Скорость обмена в данном случае может достигать 33 МГц x 64 бит = 264 Мб/с. Преимуществом второго уровня является то, что шина PCI работает параллельно с шиной процессора, используя DMA-канал при доступе к основному ОЗУ. К основной шине PCI через разъемы (слоты) могут подсоединяться дополнительные платы. Так, на системной плате INTEL 430VXPCI/EIDE с МП Pentium и чипсетом i430VX имеется 4 слота расширения с режимом PnP, за которыми зарезервированы 4 сигнала прерывания INT (A, B, C, D). С помощью этих сигналов подключаемые устройства осуществляют обмен информацией с блоками ЭВМ используя шину PCI. Примером таких устройств могут быть устройства обработки телевизионных изображений, графические адаптеры с видеопамятью до 2 Мб и более, мультимедийные и другие устройства, требующие обмена информацией со скоростью нескольких десятков Мб/с. Через интерфейс шины расширения к PCI-шине подсоединяется обычно "медленная" 32/16-разрядная системная шина EISA или ISA (8,33 МГц). К этой шине подключаются последовательные порты обмена информацией COM1 и COM2. Обычно порт COM1 используется для подключения "мыши". Последовательным портам COM1/COM2 ставятся в соответствие адреса 3F8h/2F8h и линии прерываний 4/3 контроллера прерываний 8259. Стандарт последовательного порта RS-232C использует асинхронный приемопередатчик ИС 16550А, осуществляющий преобразование 16-разрядного параллельного кода в последовательный и наоборот. Компьютеры могут обмениваться информацией с помощью последовательных портов используя кабель или модем. К шине EISA также подключается параллельный порт LPT1, через который с помощью программ-драйверов осуществляется вывод текстовой и графической информации на принтер. Также на системной плате имеются слоты расширения (до четырех) ISA/EISA, к которым могут подсоединяться дополнительные устройства через соответствующие адаптеры. Основные внешние носители информации НЖМД и CD-ROM подключаются к локальной шине SCSI через соответствующий адаптер или к шине EISA через разъемы EIDE на системной плате – посредством 40-жильных ленточных кабелей. Обычно НЖМД, с которого осуществляется загрузка DOS, является первым (Master), а CD-ROM – вторым устройством EIDE (Slave), которое подсоединяется ко второму разъему. Кроме адаптера к шине SCSI может подключаться до семи устройств, которым присваиваются номера (SCSI ID). В большинстве компьютеров можно устанавливать до четырех основных адаптеров, а общее число устройств (НЖМД, CD-ROM, сканер и др.) достигает 28.  Внешний кэш Рис. 3. Структура ЭВМ на базе Pentium Клавиатура на 101/105 клавиш обычно подключается в компьютере непосредственно через свой микроконтроллер (ИС 8048) к универсальному периферийному интерфейсу (ИС 8042), установленному на системной плате, который выдает прерывание IRQ1 микропроцессору через порт I/O с адресом 60h. Через порты 60, 61, 64h процессор осуществляет обмен данными с клавиатурой. Для совместного использования программ, данных и электронной почты компьютеры могут быть объединены в локальную сеть. В сети один или несколько компьютеров выполняют функции ведущих (файл-серверы) – они хранят основной объем информации (базы данных, программы) на накопителях большой емкости (20 Гб и более). Остальные компьютеры в сети называются рабочими станциями. Сети могут иметь различную конфигурацию. Связь между компьютерами на небольшие расстояния осуществляется с помощью коаксиальных кабелей, которые через разъемы подключаются к сетевым адаптерам, установленным через слоты на PCI-шине. Плата сетевого адаптера "прослушивает" все сигналы на линии и выбирает сообщения, предназначенные ей. При необходимости адаптер передает свою информацию файл-серверу, когда появляются паузы в передаче информации. В качестве новых шин на системных платах с процессором Pentium I/II/III/4 используется шина AGP, которая была создана фирмой Intel на базе стандарта 64-разрядной шины PCI R2.1 для уменьшения количества дорогой памяти непосредственно на видеокарте и быстрого доступа к дешевой системной памяти. Шина AGP имеет единственный AGP-порт. Шина AGP работает значительно быстрее шины PCI за счет увеличения рабочей частоты и разрядности. Новые видеоадаптеры на AGP шине позволяют существенно увеличить обработку 2D и 3D графики за счет большой пропускной способности шины, составляющей 500Мб/с. Шина AGP по сравнению с PCI имеет особенности: - шина способна передавать два блока (AGP 2x) или четыре блока (AGP 4x) данных за один 66 МГц цикл; - устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI адрес и данные передаются по одним и тем же линиям); - конвейеризация операций чтения/записи позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций. Шина AGP 1.0. имеет два основных режима работы: Execute и DMA. В режиме DMA основной памятью является память карты. Текстуры хранятся в системной памяти, но перед использованием (execute) копируются в локальную память карты. Таким образом, AGP действует в качестве "тыловой структуры", обеспечивающей своевременную передачу текстур из ОЗУ в локальную память. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute локальная и системная память для видеокарты логически равноправны. Текстуры не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4 Кб, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия необходимо предусмотреть механизм, отображающий последовательные адреса на реальные адреса 4 килобайтных блоков в системной памяти. Эта задача выполняется с использованием специальной таблицы GART, расположенной в памяти. В 1998 г. спецификация шины AGP получила дальнейшее развитие (Revision 2.0). В результате появилась возможность осуществлять 4 транзакции (пересылки блока данных) за один 66-мегагерцовый такт (AGP 4x), что соответствует пропускной способности шины 1 Гб/с. Основные узлы компьютера, которые располагаются на системной плате с процессором Pentium II/III и с шинами AGP, PCI и ISA, показаны на рис. 4. - интерфейс IDE (ATA-3) с контроллером Ultra DMA со скоростью обмена 33,3; 66,6 или 100Мб/с без участия МП; - универсальная последовательная шина USB, подключаемая к шине EISA для обслуживания одновременно нескольких периферийных устройств (клавиатуры, мыши, CD-ROM, принтеров и модемов) через один или два разъема со скоростью обмена 12 Мб/с; - последовательный скоростной интерфейс IEEE 1394, подключенный к PCI через плату расширения FireWire для обмена с цифровыми видеокамерами и устройствами со скоростью до 400 Мб/с.  Рис. 4. Организация компьютера с процессором Pentium II/III Лекция 5. Системная плата с процессором Pentium Многослойная системная (материнская) плата является основой, на которой размещается процессор, ОЗУ, сверхбольшие ИС (чипсет), платы расширения, разъемы, ИС и интерфейсы периферийных устройств, которые объединяются в единую систему с помощью печатного монтажа. ИС, разъемы, переключатели на ней устанавливаются в определенные места и распаиваются по весьма точной технологии на автоматической линии. Внешний вид системной платы с МП Pentium показан на рис. 5. Наряду с разъемом для подключения источника питания на системной плате находятся разъемы для подключения периферийных устройств, а также панель ZIF для установки процессора, разъемы для расширения памяти (как правило, это четыре 72-контактных разъема для модулей SIMM и от одного до четырех разъема для 64-разрядных 168-контактных модулей DIMM), кэш второго уровня при медленной DRAM. На системной плате также распаяны ИС чипсета, контроллер I/O, CMOS RAM, а также несколько регуляторов напряжения, позволяющих изменять напряжение питания МП. Иногда системные платы оснащаются SCSI-адаптером и интерфейсом с PS/2-мышью. Тактовый генератор системной платы Pentium обычно обеспечивает частоту синхронизации 66,6 МГц, а МП с Pentium II – IV имеют частоту синхронизации 100 и 133 МГц и диапазон внутренних частот МП обеспечивается умножением. Чипсет обеспечивает взаимодействие основных компонент ЭВМ: МП, ОЗУ, кэш-2, НЖМД через системные шины FSB, PCI и ISA. Обычно он состоит из двух СБИС: системного контроллера и сопряжения шины процессора – PCI-ISA (мост) и ИС подключения EIDE интерфейса, а иногда контроллера клавиатуры и таймера реального времени. В качестве основного чипсета Pentium использовались ИС Intel Triton II двух разновидностей THX (82430HX – 2 ИС) и TVX (82430VX – 4 ИС), а в качестве основной памяти на платах устанавливались модули SIMM или DIMM на EDO DRAM емкостью до 64 Мб и кэш-2 на статических ИС ОЗУ емкостью 256 или 512 Кб. Динамические ИС SDRAM устанавливались на системных платах с Pentium II, где эффективность их в быстродействии обмена становилась очевидной на частоте 83 или 100 МГц с чипсетом 440LX. Системные платы имели 3 размера, удовлетворяющие стандарту ЭВМ АТ. Это обычный размер 305 х 350 мм, Baby – 220 х 250 мм и Mini – 220 х 250 мм. С целью улучшения пользовательских и технических характеристик ЭВМ новый стандарт ATX фирмы Intel с 1995 г. [4] рекомендует платы размером 12 х 9,6 и 11,2 х 8,2 (Mini ATX) дюйма. На новой плате Bаby элементы смещены на 90°, их расположение показано на рис. 6 В соответствии с новым стандартом, МП располагается непосредственно в зоне действия вентилятора блока питания. Разъемы имеют доступность для пользователя, а платы расширения могут быть установлены длинноразмерными в любой из слотов. АТХ блоки питания имеют напряжения питания 5, 12 и 3,3 В. Благодаря новым блокам питания ATX существенно расширились возможности управления питанием компьютера. Появилась возможность программного управления питанием компьютера. Системная плата процессора Pentium III Назначение системной платы процессора Pentium III – интеграция элементов и узлов ЭВМ в единую систему путем печатного монтажа. Платы изготавливаются многими фирмами, обычно соответствуют стандарту АТХ и обеспечивают функциональную преемственность, заключающуюся в возможности подключения ранних моделей периферийных устройств. Так, системные платы фирм Acorp, ASUSTeK, Intel, «Формоза», соответственно именуемые Acorp 6M 810C, ASUS MEW, Intel CA810, Formoza i810F, изготавливаются на основе чипсета Intel 810. Каждая плата имеют в своем составе 3-5 слотов шины PCI, 1 слот AMR, 2 слота DIMM, поддерживает ОЗУ 512 Мб, Ultra DMA 33/66 и системную шину 66/100 МГц, 2 порта USB, имеет разъемы PS/2 для подключения мыши, клавиатуры, а некоторые платы содержат несколько слотов шины ISA. Аналогичную структуру и функциональное назначение имеют и другие платы, построенные на базе чипсетов 440 LX/EX/BX/ZX/GX/ZX-66, 810Е, 810-L, 810-DC100, 820, 450 GX/NX, Apollo Pro+/133/133+ от VIA, Sis 630, Sis 5600/5595 и тд. [22].     Рис. 7. Расположение системной платы в корпусе АТХ Рассмотрим в качестве примера более подробно плату Intel JN440BX, изготовленную с чипсетом Intel 440BX. Системная плата Intel JN440BX, поддерживающая процессоры Pentium III и Pentium II с тактовой частотой процессорной шины 100 МГц, выполнена на базе набора Intel 82440BX. Наличие в нем встроенного сетевого адаптера, способного работать со скоростью 100 Мб/с, встроенных графической и аудиоподсистем, режима удаленного включения Wake-on-LAN, поддержка до 384 Мб основной памяти в низкопрофильном форм-факторе NLX явилось основой для создания настольных ПК. Системная плата JN440BX содержит высококачественный встроенный аудиопроцессор Crystal 4235 на шине ISA и встроенный графический акселератор ATI Rage Pro Turbo на шине AGP, способный эффективно воспроизводить двумерную и трехмерную графику. Она полностью удовлетворяет спецификации интерфейса DMI, обеспечивающей повышенный уровень сохранности данных. Поддержка шины USB обеспечивает совместимость с новейшими высокопроизводительными и специализированными периферийными устройствами. Характеристики системной платы JN440BX: - форм-фактор соответствует стандарту NLX версии 1.2; - три 168-контактных разъема для установки модулей памяти DIMM; - поддерживает до 384 Мб синхронной оперативной памяти SDRAM с рабочими частотами 66 и 100 МГц и модули памяти с ECC; - контроллер PCI/AGP типа Intel 82440BX; - интегрированный контроллер PCI на базе PIIX4E, поддерживающий режим мастера шины; - двухканальный интерфейс EIDE, один интерфейс НГМД; - таймер реального времени; - автоматическое определение тактовой частоты шины процессора; - контроллер ввода-вывода SMC FDC37C777; - поддержка стандартных функций ввода-вывода: 1 параллельный порт, 2 последовательных порта, контроллер клавиатуры и мыши; - 1 интерфейс последовательной универсальной шины USB на системной плате, поддержка второго интерфейса на переходной плате; - аудиопроцессор Crystal Audio 4235; - режим полного дуплекса, обеспечивающий одновременную запись и воспроизведение звука под Windows; - поддержка функций включения, выключения и настройки систем при помощи BIOS; - совместима со спецификациями PC'97; - схема для поддержки внешнего громкоговорителя; - поддержка дополнительного разъема Audio NLX; - встроенный 64-разрядный графический акселератор ATI RAGE PRO TURBO на шине AGP, поддерживающий трехмерную графику; - видеопамять объемом 4 Мб типа SGRAM с рабочей частотой 100 МГц; - воспроизведение двухмерной графики в режимах 8/16/24/32 бит/пиксель и трехмерной графики в режимах сжатия текстур; - разъем AGP поддерживает полностью конвейеризованные режимы и адресацию на частотах 66 и 133 МГц; - адаптер локальной сети для скоростей 10 и 100 Мб/с; - контроллер удаленного включения; - поддержка стандарта PnP; - расширенное управление энергопотреблением APM; - конфигурирование и управление энергопотреблением ACPI. Системные платы с чипсетом Intel 440BX обычно имеют память SDRAM, гнезда Slot1 и AGP-порт. Slot1 – разъём с 242 контактами, предназначен для установки процессора, размещённого в S.E.C.C. картридже. Внутри картриджа размещены кристалл процессора и чипы кэш-2 SRAM (до 512 Kб). На системной плате могут быть установлены 1 или 2 разъёма Slot1. Стандартная частота внешней шины равна 66,6 МГц и выше. Кэш-2 может работать на частоте, составляющей 1, 1/2 или 1/3 частоты процессора. С применением новых чипсетов происходит постоянная интеграция отдельных узлов и интерфейсов в их структуру. Так, внешний кэш-2 теперь чаще размещается внутри МП, а менее скоростные узлы интегрируются в одну из СБИС чипсета. Поэтому содержание системной платы и ее конструкция полностью определяется МП, чипсетом, типом ОЗУ и разъёмами, которые обеспечивают подключение периферийных устройств компьютера и дополнительных плат расширения. Лекция 6. Структура компьютера с процессором Pentium III Структура компьютера существенно зависит от набора ИС (чипсета) и типа МП. Чипсет распаивается в соответствующих местах системной платы и состоит из двух или трех СБИС. Количество наборов интегральных схем СБИС для Pentium II/III многочисленно: Intel 440 LX/EX/BX/ZX/GX/ZX-66, 810, 810Е, 810-L, 810-DC100, 815, 820, 450 GX/NX, Apollo Pro+/133/133+ от VIA, Sis 630, 640, Sis 5600/5595 и т.д. Характеристики наиболее широко применяемых чипсетов приведены в табл. 1. Вслед за чипсетом Intel 440LX, с которым был впервые применен ускоренный графический порт AGP и поддерживалась память SDRAM, Intel производит набор логики Intel 440BX. Выпуск данного набора микросхем – это этап развития Slot1-систем, включающий наращивание частоты системной шины, которая уже на протяжении нескольких лет задержалась на отметке 66 МГц. Чипсет Intel 440BX был предназначен для системных плат с процессором Pentium II. Он поддерживает внешнюю частоту системной шины 100 МГц. На этой частоте работает, в частности, системная память. Собственно, в поддержке 100-мегагерцовой шины и заключается основное отличие чипсетов 440LX и 440BX. Характеристика Intel 82440BX AGPset (492-контактный контроллер памяти 82443BX (North) и IDE-контроллер 82371EB (South) – мост PIIX4): - поддержка всех Slot1 процессоров Pentium III, Pentium II или Celeron; - возможность поддержки режима SMP с двумя Pentium; - поддерживается до 512 Мб SDRAM или 1024 Мб EDO DRAM; - поддержка ECC, USB и частоты системной шины 66 и 100 МГц; - временная диаграмма для EDO DRAM 5-2-2-2 и для SDRAM 5-1-1-1 (при внешней частоте 66 МГц); 64-битная ШД памяти; - поддержка Ultra DMA и работа в режимах PIO-5/DMA-33; - поддерживается синхронный интерфейс 33 МГц на шине PCI 2.1; - соответствие PC97, AGP 1х/2x (66/133 МГц). Чипсет Intel 440BX поддерживает кроме делителя 2 для PCI еще и делитель 3, который применяется на внешних частотах 100 МГц и выше, а также все процессоры Deschutes. Однако системную шину 100 МГц у чипсета i440BX используют только процессоры Pentium II 350, 400 МГц и выше. Набор базовой логики постоянно обновляется в темпе производства новых процессоров и уже, например, в 2000 г. самый распространенный чипсет 440 ВХ AGPset, который выпущен для изготовления 100 млн ЭВМ, вытеснен новыми наборами ИС серий 810, 820, хотя на многих тестах он превосходит их по стабильности и производительности. Таблица 1
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||