Магистрально модульный принцип построения ЭВМ

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модуль-ный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между модулями.

Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по трем многоразрядным шинам (многопроводным линиям), соединяющим все модули: шине данных, шине адресов и шине управления.

Разрядность шины данных связана с разрядностью процессора (имеются 8-, 16-, 32-, 64-разрядные процессоры).

Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, либо, наоборот, от устройства к процессору, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти, запись/чтение данных из внешней памяти, чтение данных с устройства ввода, пересылка данных на устройство вывода.



Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для оперативной памяти код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам, т. е. шина адреса является однонаправленной.

Разрядность шины адреса определяет объезд адресуемой процессором памяти. Имеются 16-, 20-, 24- и 32-разрядные шины адреса.

Каждой шине соответствует свое адресное пространство, т. е. максимальный объем адресуемой памяти:



В персональных компьютерах величина адресного пространства процессора и величина фактически установленной оперативной памяти практически всегда различаются.

В первых отечественных персональных компьютерах величина адресного пространства была иногда меньше, чем величина реально установленной в компьютере оперативной памяти. Обеспечение доступа к такой памяти происходило на основе поочередного (так называемого постраничного) подключения дополнительных блоков памяти к адресному пространству.

В современных персональных компьютерах с 32-разрядной шиной адреса величина адресуемой памяти составляет 4 Гб, а величина фактически установленной оперативной памяти значительно меньше и составляет обычно 16 или 32 Мб.

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Аппаратно на системных платах реализуются шины различных типов. В компьютерах РС/286 использовалась шина ISA (Industry Standard Architecture), имевшая 16-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса. В компьютерах РС/386 и РС/486 используется шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), имеющая 32-разрядные шины данных и адреса. В компьютерах PC/ Pentium используется шина PCI (Peripheral Component Interconnect), имеющая 64-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, адаптеров устройств (видеоадаптер, контроллер жестких дисков и т. д.), а на программном уровне обеспечивается загрузкой в оперативную память драйверов устройств, которые обычно входят в состав операционной системы.

Контроллер жестких дисков обычно находится на системной плате. Существуют различные типы контроллеров жестких дисков, которые различаются по количеству подключаемых дисков, скорости обмена информацией, максимальной емкости диска и др.



IDE — Integrated Device Electronics EIDE — Enhanced Integrated Device Electronics SCSI — Small Computers System Interface В стандартный набор контроллеров, разъемы которых имеются на* системном блоке компьютера, обычно входят:

— видеоадаптер (с помощью него обычно подключается дисплей);

— последовательный порт СОМ1 (с помощью него обычно подключается мышь);

— последовательный порт COM2 (с помощью него обычно подключается модем);

— параллельный порт (с помощью него обычно подключается принтер);

— контроллер клавиатуры.

Через последовательный порт единовременно может передаваться 1 бит данных в одном направлении, причем данные от процессора к периферийному устройству и в обратную сторону, от периферийного устройства к процессору, передаются по разным проводам. Максимальная дальность передачи составляет обычно несколько десятков метров, а скорость до 115 200 бод. Устройства подключаются к этому порту через стандартный разъем RS-232.

Через параллельный порт может передаваться в одном направлении одновременно 8 бит данных. К этому порту устройства подключаются через разъем Centronics. Максимальное удаление принимающего устройства обычно не должно превышать 3 м.

Подключение других периферийных устройств требует установки в компьютер дополнительных адаптеров (плат).

Вопрос

Микропроцессор -- главный вычислительный элемент компьютера, его «сердце».

Состав микропроцессора

Собственно процессор, главное вычислительное устройство, состоящее из миллионов логических элементов -- транзисторов.

Сопроцессор -- специальный блок для операций с «плавающей точкой» (или запятой). Применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с рядом - графических программ.

Кэш-память первого уровня --небольшая (несколько десятков килобайт) сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов вычислений.

Кэш-память второго уровня --эта память чуть помедленнее, зато больше -- от 128 килобайт до 2 Мб.

Все эти устройства размещаются на кристалле площадью не более 4--6 квадратных сантиметров.

Арифметико-логическое устройство -часть процессора, которая выполняет команды.

Устройство управления - часть процессора, выполняющая функции управления устройствами.

Основные характеристики

Тактовая частота. Самый важный показатель, определяющий скорость работы процессора. Тактовая частота, измеряемая в мегагерцах (МГц) и гигагерцах (ГГц), обозначает лишь то количество циклов, которые совершает работающий процессор за единицу времени (секунду).

Разрядностьпроцессора. Если тактовую частоту процессора можно уподобить скорости течения воды в реке, то разрядность процессора -- ширину ее русла. Понятно, что процессор со вдвое большей разрядностью может «заглотнуть» вдвое больше данных в единицу времени -- в том случае, конечно, если это позволяет сделать специально оптимизированное программное обеспечение.

Размер кэш-памяти. Вэту встроенную память процессор помещает все часто используемые данные, чтобы не обращаться каждый раз -- к более медленной оперативной памяти и жесткому диску.

Кэш-память в процессоре имеется двух видов. Самая быстрая -- кэш-память первого уровня (32 кб у процессоров Intel и до 128 кб -- в последних моделях AMD).

Существует еще чуть менее быстрая, но зато более объемная кэш-память второго уровня -- и именно ее объемом отличаются различные модификации процессоров. Так, в семействе Intel самый «богатый» кэш-памятью -- мощный Хеоn (2 Мб). У новых моделей Pentium 4 и у Athlon размер кэша второго уровня составляет 512 кб. В новейших моделях планируется увеличить его объем до 1 Мб

Тип ядра и технология производства. Технология определяется толщиной минимальных элементов процессора, -- чем более «тонкой» становится технология, тем больше транзисторов может уместиться на кристалле. Кроме этого, переход на новую технологию помогает снизить энергопотребление и тепловыделение процессора, что очень важно для его стабильной работы.

Переход на новую технологию, как правило, влечет за собой и смену процессорного «ядра»

Частота системной шин ы. Шиной называется та аппаратная магистраль, по которой перемещаются от устройства к устройству данные. Чем выше частота шины, тем больше данных поступает за единицу времени к процессору.

Частота системной шины прямо связана и с частотой самого процессора через так называемый «коэффициент умножения». Процессорная частота -- это и есть частота системной шины, умноженная процессором на некую заложенную в нем величину.

Дополнительные возможности. Большинство современных процессоров оснащены также рядом эксклюзивных возможностей, которые влияют на скорость обработки информации. В их числе можно назвать специальные системы «мультимедийных команд», предназначенных для оптимизации работы с графикой, видео и звуком. Например, процессоры Intel оснащены системой команд SSE и SSE 2, а процессоры от AMD -- аналогичным набором команд 3DNow!

Одним из самых интересных новшеств в новых процессорах Intel (начиная с Pentium 4) стала функция HyperThreading, позволяющая процессору работать с двумя потоками данных одновременно. Конечно, даже оснащенный HyperThreading процессор не будет работать «за двоих», однако прирост скорости в 10--20 процентов получить вполне реально

Типы микропроцессоров

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

1. Микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

2. Микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;

3. Микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

4. Микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.

К основным относят группы CISC и RISC.

1. СISC -процессоры: Complex Instruction Set Computing — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд.

Для CISC -процессоров характерно:

§ сравнительно небольшое число регистров общего назначения;

§ большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов;

§ большое количество методов адресации;

§ большое количество форматов команд различной разрядности;

§ преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

 

2. RISC -процессоры: Reduced Instruction Set Computing (technology) — вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации.