ТЕМА 4. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ
ЛЕКЦИЯ 4.1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЧАСТИ ПЕРСОНАЛЬНОЙ ЭВМ. МИКРОПРОЦЕССОР
СТРУКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА
Все современные ЭВМ используют микропроцессорную технику, которая характеризуется большой интеграцией электронных элементов на единицу площади. Одним из следствий применения микропроцессорной техники явилось появление персональных ЭВМ (или персональных компьютеров ПК).
Персональный компьютер - это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.
Достоинствами ПК являются:
· малая стоимость, находящаяся в пределах доступности для индивидуального покупателя;
· автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;
· гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;
· "дружественность" операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающая возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;
· высокая надежность работы (более 5 тыс. ч наработки на отказ).
В настоящее время можно выделить два типа ПЭВМ:
а) ПК, наследующие принципы, заложенные фирмой IBM (International Business Machine) в своем персональном компьютере IBM PC (1981 г.), - наличие базовой системы ввода-вывода (BIOS), определяющей принципы работы аппаратного обеспечения ПЭВМ, хранящейся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), а операционная система (ОС) загружается с внешнего носителя;
б) Macintosh ПК, основной характеристикой которых является интеграция BIOS и ОС, и их хранение в ПЗУ;
|
|
В наши дни около 85% всех продаваемых ПК базируется на архитектуре IBM PC.
Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому с помощью кабелей через специальные гнезда (разъемы) подключаются периферийные устройства: внешние устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.
Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на магнитных и оптических дисках, разъемы для периферийных устройств и платы расширения с контроллерами - адаптерами внешних устройств.
На системной плате (часто ее называют материнской платой Mother Board), как правило, размещаются:
· микропроцессор;
· математический сопроцессор;
· генератор тактовых импульсов;
· модули (микросхемы) внутренней памяти (ОЗУ и ПЗУ);
· контроллеры (адаптеры) клавиатуры, НЖМД и НГМД;
· контроллер прерываний;
· таймер и др.
Рассмотрим состав и назначение основных блоков IBM PC подобных ПК с шинной организацией (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Структурная схема персонального компьютера
Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины.
Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо, как вы уже знаете, каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.
Источник питания. Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.
|
|
Таймер. Это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд) или отсчет заданного промежутка времени. Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.
К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми устройствами (основная и внешняя память, периферийные устройства, о которых мы поговорим подробней позже) могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.
Математический сопроцессор Floating Point Unit – FPU широко используется для ускоренного выполнения операций над числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических, функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещенно во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Последние модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру. От эффективности этого встроенного блока МП напрямую зависит скорость работы процессора со сложными приложениями (3-ёх мерная графика, мультимедиа).
Контроллер прямого доступа к памяти (Direct Memory Access, DMA) освобождает МП от прямого управления внешними устройствами (в первую очередь накопителями на магнитных дисках), что существенно повышает эффективное быстродействие ПК. Без этого контроллера обмен данными между внешней и основной памятью осуществляется через регистры МП, а при его наличии данные непосредственно передаются между ними, минуя МП, без прерывания его работы.
|
|
Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплей, принтер, НЖМД, НГМД и др.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.
Важнейшую роль играет в ПК контроллер прерываний.
Прерывание - временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы.
Прерывания возникают при работе компьютера постоянно. Достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям, прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (естественно, пользователь их не замечает).
Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств или внутренних блоков МП (например, при переполнении разрядной сетки), определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. МП, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы.
Контроллер прерываний является программируемым. Например, МП 80486 способен обрабатывать до 256 различных типов прерываний, причем первые 32 типа отведены для внутрисистемных целей и недоступны пользователю.
СИСТЕМНЫЙ ИНТЕРФЕЙС
Системная шина (системная магистраль или системный интерфейс). Это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.
Интерфейс (interface) - совокупность средств сопряжения и связи отдельных устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.
Системная шина включает в себя:
· шину данных (ШД), содержащую провода (линии) и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов двоичного кода (машинного слова) операнда;
· шину адреса (ША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или кода адреса порта ввода-вывода внешнего устройства;
· шину управления (инструкций) (ШУ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи управляющих сигналов (импульсов) во все блоки машины (в частности управление обменом данных, передача запросов на прерывание и т.д.);
· шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.
Порт ввода-вывода (I/O ≈ Input/Output port) – это пункт системного интерфейса, через который МП обменивается информацией с другим устройством ПК. Порты ввода-вывода – это абстрактное понятие. По аналогии с ячейками основной памяти их можно рассматривать как ячейки, через которые можно записать во внешнее устройство или, наоборот, прочитать из него. Так же как и ячейки памяти, порты имеют уникальные номера – адреса портов ввода-вывода. Ячейки памяти с этими адресами являются частью контроллера внешнего устройства, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера.
Шириной шины называется количество линий, входящих в состав шины. Разрядность шины данных определяет разрядность машинного слова ПК; разрядность шины адреса - адресное пространство ПК.
Адресное пространство - это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
1) между микропроцессором и основной памятью;
2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.
В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:
· шины расширений - шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств,
· локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.
Сравнительные технические характеристики некоторых шин приведены в табл. 4.1.
Из шин расширений нужно отметить, во-первых, шину стандарта ISA (Industry Standard Architecture) с 16-разрядной шиной данных и 24-разрядной шиной адреса. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство 16 Мбайт. Максимальная тактовая частота шины 8,33МГц, теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже около 5,3 Мбайт/с ввиду ряда особенностей ее использования.
Таблица 4.1.
Основные характеристики шин.
| Параметр | ISA | EISA | MCA | VLB | PCI |
| Разрядность шины данных, бит Разрядность шины адреса, бит | 32; 64 | ||||
| Рабочая частота, МГц | 10-20 | до 50 | до 66 | ||
| Теоретическая пропускная способность, Мбайт/с Практическая пропускная способность, Мбайт/с | 264;528 100;260 | ||||
| Число подключаемых устройств, шт. |
Во-вторых, 32-разрядную шину EISA (Extended ISA), созданную в 1988 г. Адресное пространство шины 4 Гбайта, пропускная способность на частоте 8,33МГц 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу МП - КЭШ - ОП определяется параметрами микросхем памяти, увеличено число разъемов расширений (теоретически может подключаться до 15 устройств, практически - до 10).
Современные персональные компьютеры характеризуются:
· стремительным ростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине данных) и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);
· появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики, мультимедийные приложения).
В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей.
Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к внутренней шине МП и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и др,
Можно отметить несколько стандартов универсальных локальных шин: VLB, PCI, AGP.
Шина VLB (VESA Local Bus -локальная шина VESA) - разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA - Video Electronics Standards Association), поэтому часто ее называют шиной VESA.
Шина VLB, no существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером. Разрядность шины - 32 бита, Реальная скорость передачи данных по VLB - 80 Мбайт/с (теоретически достижимая на частоте 50 МГц – 160 Мбайт/с).
Недостатки шины:
· рассчитана на работу с МП 80386, 80486;
· максимальная частота 50 МГц;
· жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);
· малое количество подключаемых устройств - к шине VLB могут подключаться только четыре устройства (количество подключаемых устройств зависит от частоты);
· отсутствует арбитраж шины - могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect - соединение внешних устройств) - разработана в 1992 г. фирмой Intel.
Шина PCI является намного более универсальной, чем VLB, имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП, начиная с 80486; позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью анализа конфигурации (в соответствии со стандартом Plug&Play), имеет свой "арбитраж", средства управления передачей данных.
Разрядность PCI - 32 или 64 бита, теоретическая пропускная способность 528 Мбайт/с в 64-битовом варианте на частоте 66 МГц (реальная вдвое ниже).
Шина РСI хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения, в частности, шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PCI (через интерфейс шины расширения, например PCI to ISA Bridge).
Конфигурация системы с шиной PCI показана на рис. 4.2.
Рис. 4.2. Конфигурация ПК с шиной PCI
Шина AGP (Accelerated Graphics Port) предназначена исключительно для подключения видеоадаптеров непосредственно (минуя системную шину) к основной памяти. Пиковая пропускная способность шины 1066 Мбайт/с (в режиме четырёхкратного умножения AGP/×4). Здесь преследовалась та цель, чтобы видеокарты могли хранить необходимые им параметры трехмерных объектов (текстуры, альфа-канал, Z-буфер), требующие быстрого доступа со стороны видеоадаптера не только в своей собственной дорогой видеопамяти, но и в более дешевой основной памяти компьютера.
Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). После получения команды ввода/вывода от МП контроллер функционирует автономно, освобождая МП от выполнения специфических функций, требуемых для того или другого конкретного внешнего устройства.
Контроллер устройства ввода/вывода содержит аппаратуру сопряжения и обычно два регистра памяти (порты ввода/вывода): регистр данных – для обмена данными и регистр состояния – для обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.
Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления (например, для шины PCI используется контроллер Host Bridge, включенный между МП и шиной, освобождающий процессор от управления обменом данными с другими компонентами системы).
Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов
МИКРОПРОЦЕССОР (МП).
Микропроцессор, иначе, центральный процессор - Central Processing Unit (CPU) - это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех устройств и для выполнения арифметических и логических операций над информацией. Выполняется, как правило, в виде одной сверхбольшой интегральной схемы (СБИС), на одном кристалле.
Для МП на СБИС характерны:
· простота производства (по единой технологии);
· низкая стоимость (при массовом производстве);
· малые габариты (пластина площадью несколько квадратных сантиметров);
· высокая надежность;
· малое потребление энергии.
Первый микропроцессор был выпущен в 1971 г. фирмой Intel (США) - МП 4004. В настоящее время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel-подобные.
Все микропроцессоры можно разделить на 2 группы:
· МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд переменной длины;
· МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд фиксированной длины, используемые в основном в сетевых серверах.