Основные понятия автоматизированной обработки информации, общий состав и структуру персональных электронно-вычислительных машин. лекция 1-2. Внутренней структуре эвм, содержащей интеллектуальные контроллеры. Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами эвм используется общая шина (часто ее называют магистралью)

• Название: Внутренней структуре эвм, содержащей интеллектуальные контроллеры. Из рисунка видно, что для связи между отдельными функциональными узлами эвм используется общая шина (часто ее называют магистралью)
• Анкор: Основные понятия автоматизированной обработки информации, общий состав и структуру персональных электронно-вычислительных машин
• Дата: 02.09.2022
• Размер: 1.2 Mb.
• Имя файла: лекция 1-2.doc
• Тип: Задача; #659584
• страница: 5 из 9

3.5. Материнская плата.

Материнская плата — это сложная многослойная печатная плата, к которой подключаются остальные компоненты компьютера. Материнская плата покрыта сетью медных проводников-дорожек по ним электропитание, и данные поступают к смонтированным на плате микросхемам и слотам, в которые вставляются остальные устройства компьютера.

В этом отношении материнская плата является элементом внутри ПК, влияющим на производительность компьютера в целом.

Наиболее известными производителями материнских плат на российском рынке в настоящее время являются фирмы Asus, Gigabyte, Intel, Elitegroup, MSI. Ранее большой известностью пользовались платы фирм Abit и Epox, но сейчас доля их на российском рынке невелика.

3.4.1. Основные компоненты материнской платы

Чипсет — это набор микросхем материнской платы, он состоит из 2-х основных микросхем: северный и южный мост.

Северный мост (Northbridge) отвечает за работу с процессором, памятью и видеоадаптером. Северный мост определяет частоту системной шины, возможный тип оперативной памяти, её максимальный объем и скорость обмена информацией с процессором.

Южный мост (Southbridge) — это микросхема, которая обеспечивает взаимодействие между центральным процессором и жестким диском, картами PCI, PCI Express, интерфейсами IDE, SATA, USB и др. В отличие от северного моста, южный мост обычно не подключён напрямую к процессору (CPU).

Северный и южный мост расположены на отдельных микросхемах, однако существуют и одночиповые решения.

Особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней, определяют северный и южный мосты.

Процессор, установленный в специальный разъем. Как правило, на процессор устанавливается радиатор с вентилятором.

Разъемы (слоты) для установки модулей оперативной памяти. Количество и тип разъемов зависит от типа материнской платы.

Разъемы (слоты) для установки карт расширения. Как правило, на материнских платах имеются разъемы для карт стандарта PCI. В недавнем прошлом на них имелись еще и разъемы, предназначенные для карт стандарта VLB и ISA. Современные модели материнских плат оборудованы слотом AGP или PCIExpress. Наличие разъемов и возможность установки в них любых карт расширения (видеоадаптера, звуковой карты, модема, карты АЦП и др.) определяют открытую архитектуру PC.

Микросхема перепрограммируемой памяти (ПЗУ), в которой хранятся программы BIOS, тестирования ПК, загрузки операционной системы, драйверы устройств, начальные установки (CMOS Setup) и т. п.

Разъемы для подключения накопителей HDD, FDD, CD-ROM, последовательные порты для подключения периферийных устройств (мышь, модем и др.), параллельные порты для подключения принтера, сканеров некоторых типов и др.

Аккумуляторная батарея для питания микросхемы памяти CMOS, в которой хранятся текущие настройки BIOS (CMOS Setup) и электронного таймера (системных часов)

На некоторые материнские платы фирмы-производители устанавливают микросхемы, выполняющие функции видеоадаптера, звуковой карты сетевой карты и т. д. Их называют интегрированные. Эти меры приняты с целью экономии места в корпусе ПК и увеличения количества свободных слотов.

3.6. Процессор

Процессор - называется определенная функционально полная совокупность устройств, которая регулирует, управляет и контролирует соответствующий рабочий процесс.

На рынке имеется признанный лидер — фирма Intel, которая является основным поставщиком CPU для IBM-совместимых PC. Выпускают CPU и другие фирмы, наиболее известными из них являются AMD (Advanced Micro Devices) и Cyrix.

Структура микропроцессора:

1.Устройство управления

2. Арифметико-Логическое устройство

3. Микропроцессорная память

5. Интерфейсная часть микропроцессора

3.6.1. Устройство управления

Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством компьютера. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины.

Упрощенно схема УУ показана на рис.3.4



Рис.3.4. Укрупненная функциональная схема устройства управления
Регистр команд – запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части процессора, в блоке регистров команд.

Дешифратор операций – логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.

Постоянное запоминающее устройство микропрограмм – хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках компьютера операций обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операций в соответствии с кодом операции считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.

Узел формирования адреса – устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров микропроцессорной памяти.

Кодовые шины адреса, данных и инструкций – часть внутренней интерфейсной шины микропроцессора.

3.6.2 Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.

Функциональная схема АЛУ (рис. 3.5) состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления.

Сумматор – вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.

Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр1 имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 – разрядность слова.



Рис.3.5. Функциональная схема АЛУ

При выполнении операции в первом регистре помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции – результат. Во втором регистре – второе число, участвующее в операции. Первый регистр может принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию на них, второй регистр только получать информацию с этих шин.

Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.

3.6.3. Микропроцессорная память

Микропроцессорная память – память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия, измеряемое наносекундами (10^-9 секунд).

Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации в ближайшие такты времени. Микропроцессорная память использует регистры общего назначения и специальные регистры.

Специальные регистры применяются для хранения различных адресов, признаков результатов выполнения операций и режимов работы компьютера.

Регистры общего назначения являются универсальными, и могу использоваться для хранения любой информации.

3.6.4. Интерфейсная часть микропроцессора

Интерфейсная часть микропроцессора предназначена для связи и согласования процессора с системной шиной, для приема и анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд. Включает в свой состав адресные регистры МПП, узел формирования адреса, блок регистров команд, внутреннюю интерфейсную шину процессора и схемы управления и портами ввода-вывода.

Порты ввода-вывода – это пункты системного интерфейса компьютера, через которые процессор обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у процессора может быть 65536. каждый порт имеет адрес – номер порта, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера. Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти – для обмена данными и обмена управляющей информацией. Стандартные устройства имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.

3.6.5. Производительность процессора

Производительность процессора характеризуется следующими основными параметрами:

- степень интеграции

- внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных

- тактовая частота

- память, к которой может адресоваться CPU

- объем установленной кэш-памяти

Кроме того, CPU различаются по технологии производства, напряжению питания, форм-фактору и др.

Степень интеграции. Степень интеграции микросхемы (чипа) показывает, сколько транзисторов может в ней уместиться. Для процессора Pentium (80586) Intel — это приблизительно 3 млн. транзисторов, расположенных на площади 3,5 см².

Разрядность процессора. Это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет разрядность 2 байта, то разрядность процессора равна 16 (2x8); если 4 байта, то 32; если 8 байтов, то 64.

Для пользователей процессор интересен, прежде всего, своей системой команд и скоростью их выполнения. Система команд процессора представляет собой набор отдельных операций, которые может выполнить процессор данного типа. Разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Системная шина (FSB) служит для связи процессора с остальными компонентами системы. Процессор имеет две частоты: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя, это та самая, которая является его основной характеристикой. Внешняя же частота, это частота работы системной шины. Для Pentium 3 характерны были частоты системной шины в 100 и 133Mhz. У первых Pentium 4 реальная частота составляет 100Mhz, но зато передаётся четыре пакета данных за такт, т. е. скорость передачи данных получилась как при 400Mhz. У Athlon`ов все очень похоже, только передаётся 2 пакета за такт.

Внутренняя разрядность данных. Одной из основных характеристик процессора является количество бит, которое он может обрабатывать одновременно. Для примитивных арифметических команд, выполняющихся внутри CPU, важно, сколько бит могут обрабатываться одновременно: 16, 32 или 64.

Внешняя разрядность данных. Процессор управляет системой, обмениваясь данными с кэш-памятью, RAM и другими устройствами по специальным магистралям, называемым шинами.

Важнейшими характеристиками шины являются ее разрядность и тактовая частота, потому что они определяют количество бит информации в секунду, которые теоретически можно передавать по шине, — пропускную способность шины.

Тактовая частота современных процессоров превысила 2 ГГц и приближаются к 4 ГГц, а тактовая частота системной шины составляет, как правило, лишь 800 МГц, поэтому разрядность системной шины важна для эффективной работы CPU.

Разрядность процессора определяется внутренней, а не внешней разрядностью данных. Так, например, хотя CPU Pentium может одновременно пересылать/получать 64 бита данных, он является 32-битным, потому что может обработать одновременно только 32 бита

Тактовая частота. Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду. Тактовая частота в МГц. равна количеству тактов в секунду.

Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего.

Тактовая частота отражает уровень промышленной технологии, по которой изготавливался данный процессор. Она также характеризирует и компьютер, поэтому по названию модели микропроцессора можно составить достаточно полное представление о том, к какому классу принадлежит компьютер.

Увеличение частоты – одна из основных тенденций развития микропроцессоров. На рынке массовых компьютеров лидирующее место среди производителей процессоров занимают 2 фирмы: Intel и AMD. За ними закрепилось базовое название, переходящее от модели к модели. У Intel – это Pentium и модель с урезанной кэш-памятью Pentium Celeron; у AMD – это Athlon и модель с урезанной кэш-памятью Duron.

Любой современный ПК имеет тактовый генератор (System Clock), который синхронизируют работу его компонентов. Минимальный промежуток времени, определяемый тактовым генератором, еще называют циклом. Частота работы тактового генератора FSC измеряется в мегагерцах (миллион циклов в секунду).

Когда говорят о тактовой частоте системы, то всегда имеют в виду тактовую частоту системной шины. Тактовые частоты всех остальных компонентов PC являются кратными частоте системной шины. На рис.3.6. представлены тактовые частоты различных компонентов системы с процессором Pentium II. работающим с тактовой частотой 266 МГц.



Рис.3.6. Тактовые частоты различных компонентов

Увеличение тактовой частоты системной шины обычно дает больший положительный эффект для повышения быстродействия системы, чем увеличение тактовой частоты процессора, т. к. процессор пропускает большое количество циклов в ожидании информации от более медленных устройств, одним из которых является системная шина.

Адресация памяти. CPU находится в прямом контакте с оперативной памятью PC. Данные, которые обрабатывает CPU, должны временно располагаться в RAM (оперативная память) и для дальнейшей обработки снова могут быть востребованы из памяти.

Адресная шина представляет собой набор проводников, по которым передается информация о местоположении данных в той или иной области памяти.

Ширина адресной шины определяет количество ячеек, к которым может обратиться CPU для чтения или записи. Ширина адресной шины и шины данных не связаны, хотя эти шины работают с одинаковой тактовой частотой.

Кэш память процессора. Процессоры всегда работали быстрее, чем память, причем со временем разрыв между этими скоростями все увеличивается. Чем медленнее память, тем больше процессору приходится ждать. В кэш памяти находятся машинные слова (можно их назвать данными), которые чаще всего используются процессором. Если ему требуется какое-нибудь слово, то он сначала обращается к кэш памяти. Только если его там нет, он обращается к основной памяти. Существует принцип локализации, по которому в кэш вместе с требуемым в данный момент словом загружаются также и соседние с ним слова, т.к. велика вероятность того, что они в ближайшее время тоже понадобятся. У обыкновенных процессоров существует кэш память двух уровней.

Кэш первого уровня (L1) обычно разделён пополам, половина выделена для данных, а другая половина под инструкции.

Кэш второго уровня (L2) предназначается только для данных. Пропускная способность оперативной памяти конечно высока, но кэш память всегда работает в несколько раз быстрее.

У старых процессоров (Pentium, K6 и др.) плата с кэшем L2 находилась на материнской плате. У Athlon K7, P2 и первых P3 кэш был помещён на специальную плату и работал на 1/2, 1/3 или 2/3 скорости ядра. У последних процессоров, в целях увеличения быстродействия, кэш L2 интегрирован в ядро и работает на его полной частоте. Стандартным и достаточным на данный момент считается объём кэша L2 в 256Kb. Многие процессоры имеют 512Kb L2. В ряде случаев большой кэш весьма полезен. С одной стороны, чем больше кэш, тем лучше, но с другой стороны, при увеличении кэша увеличивается время доступа к нему.

3.6.6. Режимы работы процессора

Все 32-разрядные и более поздние процессоры Intel, начиная с 386, могут выполнять программы в нескольких режимах. Режимы процессора предназначены для выполнения программ в различных средах; в разных режимах работы возможности чипа не одинаковы, потому, что команды выполняются по-разному. В зависимости от режима процессора изменяется схема управления памятью системы и задачами.

Процессоры могут работать в трех режимах: реальном, защищенном и виртуальном реальном режиме (реальном внутри защишенного).

Реальный режим. В первоначальном IBM PC использовался процессор 8088, который мог выполнять 16-разрядные команды, используя 16-разрядные внутренние регистры и адресовать только 1 Мб памяти, используя 20-и разрядную шину адреса (2²⁰=1024Мб). Все программное обеспечение PC первоначально было предназначено для этого процессора, оно было разработано на основе 16-разрядной системы команд и модели памяти, объемом 1 Мб.

Все программы, выполняющиеся в реальном режиме, должны использовать только 16-разрядные команды и 20-разрядный адрес. Для программного обеспечения такого типа используется однозадачный режим, т.е. одновременно должна выполняться только одна программа. Нет никакой встроенной защиты для предотвращения перезаписи ячеек памяти, занятых одной программой или даже самой операционной системой, другими программами: это означает, что при выполнении нескольких программ вполне могут быть испорчены данные или код одной из программ, что может привести к остановке системы.

Защищенный режим. Первым 32-разрядным процессором, предназначенным для PC, был 386-ой. Этот чип мог выполнять абсолютно новую 32-разрядную систему команд. Для того чтобы полностью использовать преимущество этой новой системы команд, были необходимы 32-разрядная операционная система и 32-разрядные приложения. Этот новый режим называли защищенным, так как выполняющиеся в нем программы защищены от перезаписи используемых ими областей памяти другими программами.

В этом режиме процессор мог адресовать до 16 Мб физической идо 1 Гб виртуальной памяти. При этом используются следующие концепции:

1.  Концепция виртуальной памяти. Объем оперативной памяти системы определяется объемом модулей памяти, установленных на материнской плате. Программы и данные в процессе работы располагаются в ячейках этой памяти, откуда могут быть востребованы процессором по мере необходимости.

Если физическая память полностью загружена, то данные не поместившиеся в память, располагаются навинчестере. Для этого на винчестере создается файл являющийся как бы расширением ОП (файл обмена). Когда все ячейки реальной ОП заняты, а для работы программы необходима память, менеджер виртуальной памяти освобождает физическую память, перенося часть информации, которая давно не использовалась в файл обмена.

Таким образом, процессор работает не с реальными, а с виртуальными адресами, которые управляются с помощью специальных таблиц, чтобы информацию можно было найти. Память называют виртуальной, потому что ее фактически не существует.

2. Концепция мультизадачности. В защищенном режиме возможна поддержка мультизадачного режима. При этом процессор может выполнять различные программы в выделенные кванты времени.

Однако пользователи сопротивлялись всем попыткам перехода к 32-разрядной среде. Для них это означало, что нужно, по крайней мере, частично, отказываться от старого программного обеспечения. Только в августе 1995 года (спустя 10 лет после выхода первого 32-разрядного процессора) наконец появилась первая пользовательская 32-разрядная операционная система Windows 95. Пользователи приняли ее во многом потому, что она частично 16-разрядная и поэтому без труда исполняет как новые 32-разрядные программы, так и старые, 16-разрядные. Именно для такой обратной совместимости Windows 95 использовала третий режим процессора:

Виртуальный реальный режим. Виртуальный реальный, по существу, является режимом выполнения 16-разрядной среды (реальный режим), который реализован внутри 32-разрядного защищенного режима. Выполняя команды в окне DOS в Windows, вы создаете виртуальный сеанс реального режима. Поскольку защищенный режим является подлинно многозадачным, фактически можно выполнять несколько сеансов реального режима, причем в каждом сеансе собственное программное обеспечение выполняется на собственном виртуальном компьютере. И все эти приложения могут выполняться одновременно, даже во время выполнения других 32-разрядных программ. Следует обратить внимание на то, что любая программа, выполняющаяся в виртуальном реальном режиме, может обращаться к памяти, объемом до 1 Мб, причем для каждой такой программы это будет как бы первый и единственный мегабайт памяти в системе.

При запуске каждого 16-разрядного приложения Windows создает так называемую виртуальную машину DOS, выдает ей 1 Мб памяти и на этой машине 16-разрядное приложение выполняется. Следует обратить внимание на то, что все процессоры при включении начинают работать в реальном режиме, и только при старте 32-разрядной операционной системы происходит переключение в 32-разрядный режим.

Так же следует отметить, что не любое 16-разрядное приложение будет корректно работать в виртуальном реальном режиме. Например, диагностические программы для обслуживание аппаратного обеспечения делают вещи, не предусмотренные в виртуальном реальном режиме (в первую очередь пытаются напрямую работать с аппаратурой). Такие программы нельзя запускать из Windows, для запуска таких программ необходимо стартовать компьютер с операционной системой DOS и выполнять эти приложения в настоящем, а не виртуальном реальном режиме.