Практикум по дисциплине Архитектура и организация компьютерных систем Форма обучения очная
 Скачать 1.85 Mb.
|
|
Тема: Периферийные устройства. Цель: Изучить взаимодействие ЭВМ с периферийными устройствами через интерфейс, который определят тип соединения, уровень и длительность электрических сигналов протокола обмена. Задание: Ознакомиться с интерфейсами периферийных устройств. Ознакомиться с устройством подключения удаленных периферийных устройств через последовательный порт. Оформить отчет. Теоретические сведения Интерфейс представляет собой аппаратно-логические устройства, отвечающие за союзную работу многообразных функциональных узлов. Современный компьютер битком набит всевозможными интерфейсами, обеспечивающими взаимодействие всего со всем. Именно из-за медленного развития интерфейсов по сравнению с самими комплектующими, существует множество тесных мест в архитектуре компьютера, влияющих в безмерной или малой степени на производительность системы в безбедном, покупка навороченной составляющей только обострит проблему: ведь вы приобретаете ее за свой счет, тратя немалую сумму, а она вопреки ожиданиям может функционировать не поскольку надо или ее покупка вообще никак не отразится на скорости выполняемых задач, вот причины серьезно задуматься над проблемой выбора в основную очередь имеющихся сегодня интерфейсов. Конечно, отдельный знает, что вычислительная техника развивается головокружительными темпами, давным-давно выведено эмпирическое правило, которое гласит, что отдельные полтора года технические характеристики аппаратных средств удваиваются (нетрудно догадаться о аналогичной зависимости и в области программного обеспечения). Что это за характеристики? Да именно те, которыми нас так рьяно завлекают производители компьютерных комплектующих: тактовая частота процессора, объемы оперативной памяти, емкости непоколебимых дисков и т.д, но ведь компьютер - это не просто набор из комплектующих. Все компоненты системы взаимосвязаны между собой и контактируют друг с встречном посредством интерфейсов. Если обмен информацией ведется между периферийным устройством и контроллером, то соединяющая их линия передачи данных называется интерфейсом передачи данных, или просто интерфейсом. Среди применяемых в сегодняшних и перспективных ПК интерфейсов можно отметить EIDE, SCSI, SSA и Fibre Channel, USB, FireWire (IEEE 1394) и DeviceBay. Среди интерфейсов передачи данных особняком стоят порты ввода/вывода, использующиеся для подключения низкоскоростных периферийных устройств: последовательный порт (COM), параллельный порт (LPT), игровой порт/MIDI порт и инфракрасный порт (IrDA). Шина ISA (Industry Standard Architecture - архитектура промышленного стандарта, противоположное название AT-Bus) является первой шиной в устаревших компьютерах типа PC AT. Конструктивно представлена на системной плате в виде 62-х контактного и примыкающего к нему 36-контактного сегментов, ранее к шине подключали видеокарты, звуковые карты, модемы и т.д, пиковая пропускная способность не превышает 5,5 Мбайт/с, что по текущим меркам совершенно недостаточно. В ISA неудачно реализована технология Bus Mastering, отвечающая за обмен данными по шине при работе нескольких устройств. Шина не сообщала о настройках подключаемых к ней компонентов (legacy-платы), что не редко приводило к некорректному определению их типа операционными системами, наличие шины ISA на нынешных платах нежелательно. Стандарт PC99, вольный грандами компьютерной индустрии, вообще запрещает ее размещение. EISA (Extended ISA) - функциональное и конструктивное расширение шины ISA, реализована посредством увеличения ножевой части ISA-разъема и добавления дополнительных контактов, подобное решение не мешает осуществить подключение археологических устройств, рассчитанных исключительно на ISA, за счет наличия контактов типа "земля" снижена генерация электромагнитных помех и восприимчивость к ним, пропускная способность 32 Мбайт/с. Более грамотная поддержка технологии Bus Mastering. Сейчас шина EISA считается безнадежно устаревшей и практически не встречается, покупать б/у платы с такой шиной я не рекомендую. VLB (VESA Local Bus - локальна шина стандарта VESA) представляет собой 32-битное расширение шины ISA (в ней предусматривалась передача 16 бит), выглядит как 116-контактный дополнительный разъем, продолжающий линейку разъемов ISA (т.е всего 3 секции, располагаемые подряд), допустимая тактовая частота 50 МГц, пиковая пропускная способность 130 Мбайт/с, раньше интерфейс VLB применялся довольно широко, преимущественно для видеокарт. Обмен данными с процессором осуществляет отдельный компонент, обыкновенный на этой шине, без предварительной буферизации (т.е. накопления данных до фактической обработки их процессором), что увеличивает взаимную нагрузку на выходные каскады процессора, ухудшает прохождение сигналов по шине и снижает надежность обмена данными, поэтому интерфейс VLB имеет своенравные ограничения по количество устанавливаемых устройств в зависимости от тактовой частоты: 33 МГц - три, 40 МГц - два, 50 МГц - одно. Этот интерфейс сейчас также считается устаревшим и встречается только на платах изготовленных ранее. Интерфейс PCI (Peripheral Component Interconnect - подключение наружных компонентов) не совместим ни с одним из представленных, поддерживает частоту до 33 МГц (спецификация PCI 2.1 - до 66 МГц, PCI-X - до 133 МГц), имеет пиковую пропускную способность до 132 Мбайт/с (264 Мбайт/с для 32-разрядных и 528 Мбайт/с для 64-разрядных данных при частоте 66 МГц). Конструктивно представлен в виде 2-х идущих подряд секций по 64 контакта. Внутри второй секции имеется перегородка (ключ) для предотвращения притворной установки в разъем плат расширения, поддерживаются режимы Bus Mastering и Plug-n-Play (автоматическое конфигурирование компонентов). Слоты (разъемы) PCI на материнской плате объединены в сегменты по 4 разъема. Сегменты соединяются между собой посредством так называемых мостов (bridge). Современные системные платы оснащаются 5-6 слотами PCI, поэтому наличие в них мостов обязательно. На настоящий день это самый совокупный интерфейс, обеспеченный подключение таких устройств, как модемы, звуковые карты, контроллеры SCSI (читается - "скази") и прочие. Порт AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) предназначен для подключения исключительно видеокарт. Магистраль AGP реализована отдельно от системной шины и непосредственно связана с системной памятью. В системной памяти хранятся данные о 3-х мерных объектах (текстуры, альфа-канал, Z-буфер), обращение к которым может потребоваться как от процессора, так и от самого видеоадаптера, пиковая пропускная способность шины AGP составляет 1066 Мбайт/с в режиме 4-х кратного умножения (AGP 4x), на материнских платах интерфейс AGP представлен в виде отдельного разъема, никакие противоположные компоненты, кроме видеокарт, сюда подключать нельзя. IDE/ATA (Integrated Drive Electronics - встроенная электроника накопителей/AT Attachment - подключение к AT) предназначается для подключения накопителей, в частности, непримиримых дисков и приводов CD-ROM, поддерживает 2 режима работы: Master - ведущий и Slave - ведомый, встроен в системную плату, реализован 2-мя разъемами: Primary - первичный, Secondary - вторичный, IDE I и IDE II соответственно. Таким образом, возможно подключение до 4-х устройств к интерфейсу IDE, пиковая пропускная способность достигает 100 Мбайт/с (по протоколу Ultra DMA-100). Поддерживается режим LBA (Logical Block Address - логическая адресация блоков), позволяющая подключать к системе накопители великой емкости (свыше 528 Мбайт). Также интерфейс поддерживает PIO (Programmed Input-Output - программный ввод-вывод) и режим DMA (Direct Memory Access - задушевной доступ к памяти). Стандарт DMA предусматривает сердечное обращение к данным, находящимся в системной памяти со стороны устройства, минуя процессор, во-передовых, это ускоряет процесс обращения к информации, а во-вторых, снижает нагрузку на центральный процессор, которому и без того хлопот хватает. Для подключения накопителей, шикарных от винчестеров, принят протокол ATAPI (ATA Packet Interface - пакетный интерфейс ATA), поддерживаемый программно в BIOS (Basic Input-Output System - базовая система ввода-вывода; записывается в материнскую плату на заводе-изготовителе и хранится в точной памяти). Согласно пожеланиям спецификации PC2001 интерфейс IDE будет вытесняться более пригодным Serial-ATA. RS-232C - интерфейс обмена данными посредством последовательного коммуникационного порта (COM - communication), для поддержки портов (до 4-х) в системную плату встроена специализированная микросхема UART16550A, возможны как 25, так и 9-контактные модификации порта, в чистее время вытесняется интерфейсом USB. Интерфейс USB (Universal Serial Bus - общая последовательная шина) сравнительно последный, позволяет подключать до 127 наружных устройств к одному USB-каналу по принципу взаимней шины, представлен на материнских платах 2-мя/4-мя каналами на контроллер. Для передачи данных применяется пакетный режим с пиковой пропускной способностью 12 Мбит/с (до 480 Мбит/с в версии USB 2.0). Задания для самостоятельного выполнения Применяя изученный материал, проанализировать материнскую плату ПК. Указать какие интерфейсы расположены на материнской плате и для чего они используются. Лабораторная работа №14 (2 часа) Тема: Обобщенная структура микропроцессора. Цель: Ознакомиться с архитектурой и организацией микропроцессора. Задание: Изучить основные особенности архитектур микропроцессоров. Описать общие характеристики структуры. Оформить отчет. Теоретические сведения Любой компьютер имеет три основные составные части: процессор, память и периферийные устройства. Они взаимодействуют между собой с помощью шин, стандартизация которых делает архитектуру компьютеров открытой. Процессор является основным "мозговым" узлом, в задачу которого входит исполнение программного кода, находящегося в памяти. В настоящее время под словом "процессор" подразумеваются микропроцессор – микросхему, которая, кроме собственно процессора, может содержать и другие узлы – например, кэш-память. Процессор в определенной последовательности выбирает из памяти инструкции и исполняет их. Инструкции процессора предназначены для пересылки, обработки и анализа данных, расположенных в пространствах памяти и портов ввода/вывода, а также организации ветвлений и переходов в вычислительном процессоре. В основе архитектуры любого процессора есть несколько конструктивных элементов: кэш команд и данных, предпроцессор (Front End) и постпроцессор, называемый также блоком исполнения команд (Execution Engine).  Рис. 14.1. Конструктивная схема конвейерной обработки "классического" процессора Процесс обработки данных состоит из нескольких характерных этапов. Прежде всего инструкции и данные забираются из кэша L1 (который разделен на кэш данных и кэш инструкций). Эта процедура называется выборкой. После этого выбранные из кэша инструкции декодируются в понятные для данного процессора примитивы (машинные команды). Данная процедура называется декодированием. Дале декодированные команды поступают на исполнительные блоки процессора, выполняются, а результат записывается в оперативную память. Процессы выборки инструкций из КЭШа, их декодирование и продвижение к исполнительным блокам осуществляется в предпроцессоре, а процесс выполнения декодированных команд – в постпроцессоре. Таким образом, даже в самом простейшем случае команда проходит как минимум четыре стадии обработки: выборка из КЭШа; декодирование; выполнение; запись результатов. Данные стадии принято называть конвейером обработки команд. В нашем случае конвейер является четырехступенчатый. Важно, что каждую из этих ступеней команда должна проходить ровно за один такт. Соответственно для четырех ступенчатого конвейера на выполнение команды отводится ровно четыре такта. Конечно, рассмотренный нами процессор является в определенной мере гипотетическим. В реальных процессорах конвейер обработки команд может быть более сложным и включать большее количество ступеней. Однако сама идеология построение процессора останется неизменной. Причина увеличения длины конвейера заключается в том, что многие команды являются довольно сложными и не могут быть выполнены за один такт процессора, особенно при высоких тактовых частотах. Поэтому каждая из четырех стадий обработки команд может состоять из нескольких ступеней конвейера. Собственно, длина конвейера является одной из наиболее значимых характеристик любого процессора. Всякий процессор, в конечном счете, должен быть сконструирован таким образом, чтобы за минимальное время выполнять максимальное количество инструкций. Именно количество выполняемых за единицу времени инструкций и определяет производительность процессора. Существует два принципиально различных подхода к повышению производительности процессора (не считая, конечно, увеличения тактовой частоты). Суть первого заключается в том, чтобы за счет уменьшения длины конвейера увеличивать количество исполнительных блоков. Таким образом, по существу, реализуется множество параллельных блоков. Такой подход позволяет в полной мере реализовать параллелизм на уровне инструкций (Instruction-Level Parallelism, ILP), когда несколько инструкций выполняются одновременно в различных исполнительных блоках процессора. Важно, что количество ступеней конвейера внутри постпроцессора здесь невелико, поэтому инструкции выполняются за небольшое количество циклов. Для того чтобы реализовать параллелизм на уровне инструкций, необходимо, чтобы поступающие на исполнительные блоки команды можно было выполнять параллельно. Однако если, к примеру, для выполнения следующей по порядку инструкции требуется знать результат выполнения предыдущей инструкции (взаимозависимые инструкции), то в этом случае параллельное выполнение невозможно. Поэтому предпроцессор прежде всего проверяет взаимозависимость команд и переупорядочивает их не в порядке поступления (out of order), а так, чтобы их можно было выполнять параллельно. На последних ступенях конвейера инструкции выстраиваются в исходном порядке. Короткий конвейер, как, впрочем, и длинный, имеет свои сильные и слабые стороны. Чем больше количество ступеней, на которые разбит конвейер, тем меньше количество работы для прохождения командой данной ступени. С учетом того, что каждая ступень выполняется за один процессорный такт, длинные конвейеры позволяют повышать тактовые частоты процессора, что невозможно в случае коротких конвейеров. При коротком конвейере на каждой ступени процессор способен выполнять большее количество работы, однако на прохождение инструкции через каждую ступень конвейера здесь требуется больше времени, что ограничивает повышение тактовой частоты процессора. В этом случае увеличение числа команд, выполняемых за единицу времени, достигается за счет распараллеливания инструкций и наращивания исполнительных блоков процессора. Когда заходит речь о процессоре, то в качестве его основных характеристик указывают тактовую частоту, микроархитектуру ядра и количество ядер, технологический процесс производства, частоту системной шины, размер КЭШа, тепловыделение процессора и поддерживаемые технологии. Все эти характеристики так ил иначе определяют самую главную характеристику любого процессора – его производительность. До недавнего времени тактовая частота процессора напрямую связывалась с его производительностью, то есть чем выше тактовая частота процессора, тем он более производительнее. Собственно, сама микроархитектура NetBurst, положенная в основу процессоров Intel Pentium 4, изначально была ориентированная на то, что основным средством увеличения производительности процессоров будет рост тактовой частоты. Действительно, за пять лет существования процессоров Intel Pentium 4 их тактовая частота бала увеличена почти в три раза. Стартовав с отметки чуть больше 1 ГГц, за пять лет тактовая частота достигла значения 3,8 ГГц. Зависимость между тактовой частотой процессора и его производительностью достаточно простая. Известно, что  Переписав это выражение в виде произведения количества инструкции, выполняемых за один такт процессора (Instruction Per Clock, IPC), на количество тактов процессора за единицу времен (тактовая частота, f), получим, что производительность процессора прямо пропорциональна его тактовой частоте:  Прямой зависимости между проектной нормой процессора и его производительностью нет, однако, от технологии производства процессоров, определяющей минимальные размеры используемых транзисторов, их быстродействие и время задержки передачи сигнала в межуровневых соединениях, зависит и его тактовая частота и размер КЭШа. Увеличение тактовой частоты просто невозможно без изменения технологического процесса производства процессора. Частота системной шины определяет пропускную способность шины, связывающей процессор с чипсетом. Естественно, что чем выше частота системной шины, тем выше и производительность процессора. Современный процессор имеет несколько типов КЭШа, интегрированных на кристалл процессора: кэш первого уровня L1 и кэш второго уровня L2. Кэш L1, который делится на кэш команд и кэш данных, используется непосредственно ядром процессора. Кэш L2, представляет собой своеобразный буфер между оперативной памятью и КЭШем L1. в пределах одного семейства процессоры могут отличаться размером L2. непосредственного влияния размер КЭШа не оказывает на производительность процессора, однако при недостаточном размере КЭШа увеличивается время простоя процессора, в течение которого в кэш загружаются данные из оперативной памяти. Это, в свою очередь, отражается и на производительности процессора. Поэтому чем больше размер КЭШа L2, тем лучше. Задание для самостоятельного выполнения Провести сравнительную характеристику процессоров производительности Intel и AMD. Лабораторная работа №15 (2 часа) |