Практикум по дисциплине Архитектура и организация компьютерных систем Форма обучения очная
 Скачать 1.85 Mb.
|
|
Тема: Элементы и узлы ЭВМ. Цель: Научиться и ознакомиться с различными компонентами и узлами ЭВМ и их расположением в системном блоке. Задание: Изучить расположение компонентов и узлов ЭВМ: блок питания, маркировка, блок питания, кабели и разъемы, проводники, системная плата, память, накопители, винчестеры, флоппи диски (FDD), накопитель на компакт дисках, видеоадаптеры. Составить подробный отчет. Теоретические сведения Архитектурой компьютера называется его логическая организация, структура и ресурсы, которые может использовать программист.  Рис. 8.1. Общая схема микроЭВМ Персональный компьютер состоит из следующих основных блоков: основная память; процессор; периферийные устройства. Все блоки связаны между собой системной магистралью (шиной). В современных ПК применяется принцип открытой архитектуры, когда отдельные узлы не связаны между собой напрямую и теоретически не влияют друг на друга. Такая компоновка позволяет понизить стоимость системы в целом и повысить уровень взаимозаменяемости узлов, но несколько снижает производительность. Для подключения периферийных устройств используются специальные контролеры (карты) согласующие управляющие сигналы, потоки данных и частоты материнской платы и подключаемого устройства. Как правило на материнской плате расположено несколько разъемов (обычно 3- 7) разных шин. Материнская плата - обязательное устройство, от которого в большой степени зависит производительность всей системы в целом. На материнской плате расположены разъемы процессора, оперативной памяти, шинные разъемы (слоты). За связь отдельных узлов отвечает набор используемых микросхем (чипсет), качество которого влияет на скорость обмена данными. На некоторых моделях интегрированы звуковые, сетевые и видео карты, модемы. Как правило (рис. 8.2.) на материнской плате расположено хотя бы 3 разъема для подключения внешнего периферийного оборудования двух-трех различных типов.. Существует несколько типов шин, что вызывает некоторые трудности. При переходе на новый тип процессора и материнской платы может сложиться ситуация, когда необходимая для вашего периферийного оборудования шина будет отсутствовать на новой модели материнской платы, что повлечет дополнительные расходы на модернизацию вполне работоспособного и удовлетворяющего вас устройства.  Рис. 8.2. Материнская плата Основа вычислительной машины - процессор. В нем расположены арифметико-логическое устройство - АЛУ, устройство управления - УУ, кэш и регистры для временного хранения информации. АЛУ осуществляет непосредственную обработку данных. Устройство управления координирует взаимодействие различных частей ЭВМ. Важнейшими характеристиками процессора являются разрядность, тактовая частота, размер кэша. Разрядность процессора. Обычно команда выполняется не по одному биту, а одновременно группами по 8, 16, 32, 64 бита. Число одновременно обрабатываемых битов и называется разрядностью процессора. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обработать в единицу времени, тем выше его эффективность. Тактовая частота процессора характеризует быстродействие компьютера. Микропроцессор фирмы Intel, разработанный для первого персонального компьютера корпорации IBM (1981 год) - i8088 - имел тактовую частоту всего 4,77 МГц и выполнял 0,33 миллионов инструкций в секунду. Современные процессоры семейств Pentium имеют тактовую частоту 1,5 и более ГГц. От размера кэша (временная быстрая память) зависит скорость выполнения программного кода и работы с потоковыми данными имеющими повторяющиеся фрагменты. Наличие кэша может в несколько раз увеличить скорость выполнения операций. Но надо отметить, что имеется ряд задач, на скорость выполнения которых наличие (или отсутствие) и размер кэша практически не влияет. В последнее время борьбу на рынке процессоров для персональной вычислительной техники в основном ведут два производителя - Intel и AMD. Обе компании производят несколько модельных рядов процессоров, что позволяет им охватить практически весь рынок - от корпоративного пользователя с неограниченными финансовыми возможностями, до студентов и школьников. За частую дешевые модельные ряды выпускаются с убытком для производителя лишь для того, чтобы не отдать ценовую нишу конкурентам. Традиционно считается, что процессоры Intel более производительны и надежны, а процессоры AMD более подходят для опытных пользователей, не боящихся менять настройки своего компьютера для выжимания максимума из относительно дешевого процессора.  Рис. 8.3. Процессор Оперативная память является неотъемлемым компонентом любого компьютера и вносит подчас решающий вклад в его производительность. Причем, если еще год-полтора назад чуть ли не единственной характеристикой памяти был ее объем, то сегодня не менее важными характеристиками являются также ее пропускная способность и время отклика (или латентность). В настоящее время подавляющую часть рынка занимают три типа памяти: SDRAM, DDR SDRAM и Rambus DRAM. И если первые два типа могут применяться в сочетании со всеми современными процессорами, то Rambus только с процессором Intel Pentium 4.  Рис. 8.4 Оперативная память Synchronous Direct Random Access Memory (SDRAM) - самый распространенный на сегодня тип памяти. Имеет три разновидности: PC66, PC100 и PC133, причем первая уже практически не встречается, а вторая доживает последние деньки. Память PC133 работает на частоте 133 МГц, имеет время отклика 6 - 7,5 нс и пропускную способность 1,06 Гб/с. Это самый дешевый тип памяти. Double Data Rate SDRAM (DDR SDRAM) - новый перспективный тип памяти. Данные передаются по обоим фронтам тактирующего импульса, то есть несмотря на ту же несущую частоту (100 или 133 МГц), результирующая частота передачи данных получается 200 или 266 МГц соответственно. Поэтому эта память и называется DDR200 или DDR266. Иногда этот тип памяти обозначается еще и как PC1600 или PC2100, что подразумевает пиковую пропускную способность в 1600 и 2100 Мбит/с. Но на "удвоенной" частоте передаются только данные, а команды (запросы на получение данных) передаются как и прежде на несущей частоте (100 или 133 МГц). Поэтому выигрыш от использования DDR SDRAM заметен только в приложениях, работающих с потоковыми данными. Латентность DDR SDRAM примерно равна латентности обычной SDRAM. Недавно на рынке появилась еще одна разновидность DDR SDRAM с несущей частотой 166 МГц, она маркируется DDR333 или PC2700. Rambus DRAM - разработанный компанией Rambus тип памяти. Несущая частота составляет 400 МГц, а сигнал, как и у DDR SDRAM, передается по обоим фронтам тактирующего импульса. В итоге результирующая частота составляет целых 800 МГц. Правда, ширина шины данных составляет всего 16 бит против 64 у SDRAM и DDR SDRAM. В итоге пропускная способность памяти составляет всего лишь 1,6 Гб/с. Однако i850 - единственный чипсет, поддерживающий Rambus DRAM, имеет двухканальный контролер памяти, что позволило увеличить пропускную способность уже до 3,2 Гб/с. Недостатком этой памяти является ее высокая латентность, она равна 40-60 нс. Rambus DRAM является самой быстрой, но и самой дорогой памятью, ее цена в два раза превышает цену на DDR SDRAM и в четыре раза цену на обычную SDRAM. При хранении информации необходимо учитывать несколько факторов, например частота обращения к данным, необходимая скорость доступа, возможность изменения хранимой информации и так далее. Для реализации различных задач хранения информации используются различные устройства хранения. Для повседневной работы с данными более всего подходят жесткие диски (винчестеры). За вполне приемлемую цену сейчас можно приобрести винчестер размером 70 Гбайт и с высокой скоростью обмена данными. Но если информация большого объема необходима вам в работе раз в месяц или еще реже, то имеет смысл использовать различные оптические и магнито-оптические накопители (стоимость хранения одного мегабайта при этом может упасть в сотни раз), накопители на магнитной ленте. Малые объемы информации можно переносить с компьютера на компьютер с помощью стандартных трехдюймовых дискет.    Рис. 8.5. Накопители информации Винчестер (HDD, жесткий диск) - наиболее распространенные и широко представленные носители информации. Основные характеристики: интерфейс, скорость вращения шпинделя, емкость. Распространены два вида интерфейса - IDE и SCSI, второй интерфейс дает выигрыш в производительности винчестера, но соответственно поднимается и цена. От скорости вращения шпинделя напрямую зависит скорость передачи данных. Распространены скорости 5400 и 7200 оборотов в минуту, но существуют модели, в которых шпиндель вращается со скоростью более 10000 оборотов в минуту. CD-ROM - проигрыватель компакт-дисков. В настоящее время распространены проигрыватели с 52-хкратной скоростью передачи данных (за единицу скорости принята скорость воспроизведения аудио-дисков). Такие проигрыватели могут работать с обычными CD-ROM, CD-R и CD-RW в режиме воспроизведения. Два последних типа компакт-дисков позволяют на специальных CD-R или CD-RW приводах производить однократную запись или запись с возможностью перезаписи. Стоимость чистого диска CD-R или CD-RW сравнима со стоимостью трехдюймовой дискеты а объем хранимой информации, время доступа и скорость передачи несравнимо выше. Недостатком несомненно является относительно высокая стоимость записывающего оборудования. Стример - устройство чтения-записи на магнитную ленту. Из преимуществ можно отметить дешевизну данного метода, но низкая скорость передачи, очень большое время доступа сводят на нет это преимущество. Стримеры используются в основном для резервного копирования больших объемов информации. При наличии недорогого дополнительного оборудования в качестве стримера персонального компьютера можно использовать обычный видеомагнитофон, но данная практика в последнее время утратила актуальность, ввиду удешевления CD-R и CD-RW дисков. Задания для самостоятельного выполнения Группа делится на две подгруппы. Каждая подгруппа готовит вопросы команде-сопернику. Побеждает та команда, которая даст наибольшее количество правильных ответов. Лабораторная работа №9 Тема: Организация структуры памяти. Цель: Изучить организацию памяти микропроцессорных устройств. Задание: Описать динамическое распределение памяти. Описать организацию виртуальной памяти. Теоретические сведения Практически любой IBM PC-совместимый компьютер оснащен оперативной памятью, выполненной на микросхемах динамического типа с произвольной выборкой (DRAM, Dynamic Random Access Memory). Каждый бит такой памяти представляется в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. В статическом типе памяти (SRAM, Static RAM) в качестве элементарной ячейки памяти используют так называемый статический триггер. Если для реализации одного запоминающего элемента динамической памяти требуется 1–2 транзистора, то для статической их число возрастает до 4–6. Статический тип памяти обладает высоким быстродействием и, как правило, используется в самых “узких” местах системы, например для организации кэш-памяти. DRAM Буква D в наименовании этого элемента говорит о том, что он динамический (Dynamic). Однако это ни в коем случае не означает, что этот тип RAM особенно динамичен и запоминаемые данные постепенно “улетучиваются”. В принципе, обозначение для этого элемента памяти не совсем корректно, потому что любой применяемый сегодня тип элемента памяти, за исключением наименований SRAM и NVRAM, относится к динамической RAM. Микросхемы DRAM маркируются цифровым кодом, например 4164 и 4464. В данном случае эти цифры означают, что элементы памяти 4164 и 4464 могут запоминать 64 Кбит и являются первыми и до настоящего времени используемыми микросхемами DRAM. Почти одновременно в 1987 году были изготовлены два новых типа DRAM, которые были обозначены как 41464 и 41256. Эти элементы в состоянии запоминать вчетверо большее количество данных при увеличении их размера всего на 10% (за счет появления дополнительных выводов микросхемы). В 1989 году компания Siemens изготовила первый чип, емкость которого составила 1 Мбит, что превысило емкость чипа 41256 в четыре раза. Но этого компании Siemens оказалось недостаточно, и благодаря использованию новейшей полупроводниковой технологии в жестокой конкурентной борьбе в 1993 г. этой фирмой был изготовлен элемент DRAM емкостью 4 Мбит. Говоря об этом типе RAM, речь идет о микросхеме с так называемым DIP-корпусом, при этом DIP обозначает Dual In-line Package (корпус с двухрядным расположением выводов). Этот термин относится к корпусам памяти, у которых выводы (Pins) расположены по бокам (напоминают жука). Сам кристалл, на котором размещены ячейки памяти, существенно меньше, чем корпус. Данная конструкция корпуса обусловлена такими требованиями, как удобство печатного монтажа и установки микросхемы в панельки на материнской плате, соблюдение температурного режима работы элементов. Важнейшими параметрами микросхем DRAM являются емкость и организация памяти. Элементы DRAM в виде отдельных микросхем обычно устанавливались на старых материнских платах. В настоящее время эти микросхемы используются в качестве таких составных элементов модулей памяти, как SIP-, ZIP-, DIMM- и SIMM-модули. Микросхемы памяти FPM DRAM. Fast Page Mode DRAM – вид памяти, позволяющий сократить чтение/запись блоков данных, расположенных один за другим в памяти. Аббревиатура FPM (Fast Page Mode – быстрый страничный режим) используется для обозначения уже давно известного метода доступа к микросхемам памяти. В обычных динамических микросхемах памяти в силу матричной организации их ячеек памяти доступ к определенной ячейке осуществляется в два этапа. На первом этапе обрабатывается первая половина (младшие разряды) адреса, на втором этапе – вторая половина (старшие разряды). Эти две половины полного адреса ячейки соответствуют определенной строке и определенному столбцу матрицы памяти. Известно, что очень часто следующие друг за другом обращения к памяти осуществляются по адресам ячеек, находящихся в одной и той же строке (странице). При этом за счет изменения RAS/CAS-способа доступа, т.е. способа доступа с использованием стробирующих сигналов выборки адреса строки (Row Address Strobe) и адреса столбца (Column Address Strobe), оказывается возможным внутри одного RAS-цикла длительностью до 100 мкс выполнять достаточно большое число CAS-циклов. Этот способ обеспечивает существенное увеличение быстродействия микросхем FPM DRAM по сравнению с обычными DRAM-микросхемами памяти. Микросхемы памяти EDO RAM. Как уже отмечалось выше, динамические микросхемы со своими “забывчивыми” конденсаторами быстро теряют записанную в них информацию. Для сохранения записанной информации приходится периодически восстанавливать содержимое ячеек памяти, что, естественно, приводит к снижению быстродействия. Изготовители системных плат с помощью оригинального приема пытаются обойти ограничение на быстродействие, связанное с необходимостью регенерации ячеек памяти. Устанавливаются два банка памяти, заполненные одинаковыми микросхемами, доступ к которым осуществляется попеременно. Когда считываются данные из одного банка, микросхемы другого банка находятся в фазе регенерации, и наоборот. При использовании EDO RAM (Extended Data Out) – микросхем памяти с увеличенным временем доступности данных – необходимость в чередовании адресов памяти (Memory Interleave) отпадает. Эти микросхемы могут удерживать записанные в них данные дольше, чем обычные динамические микросхемы. Кроме того, в EDO-микросхемах меньше длительность CAS-цикла. Микросхемы памяти BEDO RAM. EDO RAM – это далеко не последнее достижение в технологии микросхем оперативной памяти. Имеются еще более быстрые пакетные микросхемы EDO RAM (Burst EDO RAM, или BEDO RAM). Преимущество пакетного метода заключается в том, что он реализует некоторую предустановленную последовательность адресов доступа. Поэтому после передачи начального адреса можно отказаться от передачи следующих адресов в пакете. Благодаря этому экономится несколько наносекунд. Именно эта технология уже довольно давно успешно используется в статических микросхемах кэш-памяти. Теперь этот способ применяется и в динамических микросхемах RAM. К сожалению, при использовании BEDO-технологии теряется существующая “почти совместимость” микросхем EDO и широко распространенных FPM DRAM-микросхем памяти, поскольку BEDO-микросхемы требуют совершенно других методов управления. Хотя BEDO RAM в настоящее время самые быстрые микросхемы памяти, к сожалению, на них не обращает внимания ни один из производителей наборов микросхем, и фирма Intel, исходя из критерия совместимости, приняла решение в пользу синхронных динамических микросхем памяти (SDRAM). За исключением набора микросхем Natoma, ни один из наборов микросхем не поддерживает BEDO RAM, да и набор Natoma обеспечивает такую поддержку с некоторыми ограничениями. Синхронные динамические микросхемы памяти SDRAM. Почти все производители микросхем оперативной памяти переходят на разработку и изготовление микросхем SDRAM, или синхронных микросхем DRAM. Их особенностью является то, что все сигналы в них синхронизированы с тактовым сигналом (на внешней тактовой частоте процессора). RDRAM (Rambus DRAM – память Rambus.) Память типа Rambus имеет уникальную технологию и протокол обмена, позволяющие передачу данных по упрощенной шине, которая может работать на очень высокой частоте. Разработчиками Rambus был предложен радикально новый интерфейс памяти – Direct Rambus, который функционирует на порядок быстрее современных DRAM. Архитектура Direct Rambus состоит из трех основных компонентов: контроллер памяти, канал Rambus и RDRAM. Микросхемы RDRAM несколько отличаются от обычных типов динамической памяти. Внутреннее ядро имеет 128-разрядную шину данных, функционирующую на частоте 1/8 системной. Поддержка ядром технологии разбиения банков позволяет представить независимый банк как два сдвоенных, разделяющих общие усилители записи/чтения. Контроллер памяти Rambus обеспечивает поддержку протокола Direct Rambus Channel, управление шиной Rambus и преобразование ее протокола с частотой до 800 МГц в стандартный интерфейс с шинами адреса данных и управления с восьми- или шестнадцатибайтной шиной данных с рабочей частотой до 200 МГц (64 разряда) и до 100 МГц (128 разрядов). Микросхемы RDRAM собираются в модули RIMM. В каждый модуль может быть установлено до 16 микросхем RDRAM (по восемь с каждой стороны). Модули могут иметь объем 32, 64, 128, 256, 512 Mбайт и 1 Гбайт. DR DRAM. Технология Direct Rambus DRAM предусматривает совершенно новый подход к построению архитектуры подсистемы памяти. Во-первых, разработан специальный интерфейс подключения модулей памяти к контроллеру. Во-вторых, модули памяти соединены с контроллером специальными каналами с шириной шины данных 18 (16+2) бит и шины управления 8 бит. В третьих, разработаны новые модули памяти RIMM. Каждый канал Rambus способен поддерживать до 32 банков и теоретически может работать на частоте до 800 Мгц. Рабочая частота канала задается собственным генератором подсистемы памяти. Таким образом, часть подсистемы памяти работает независимо от тактовых частот остальных компонентов материнской платы. Контрольные вопросы: Дайте понятие динамической памяти. Проанализируйте работу микросхем памяти FPM DRAM, EDO RAM и BEDO RAM. Синхронные динамические микросхемы памяти SDRAM. Проведите сравнительную характеристику микросхем RDRAM и DR DRAM. Лабораторная работа №10 |