ЛЕКЦИЯ 5

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

ЛЕКЦИЯ 5

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ. ЦЕНТРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ Рассматриваемые вопросы:

Общие принципы функциональной и структурной организации ЭВМ Совместимость ЭВМ

Функциональные компоненты ЭВМ и их взаимосвязь Центральные устройства ЭВМ Материнская (системная) плата Центральный процессор Микропроцессорный набор

Семейство чипсетов Intel Зх

Узлы, выполняющие служебные функции

5.1ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ И СТРУКТУРНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ

5.1.1Общие принципы функциональной и структурной

организации ЭВМ

При компоновке ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: устройства, узлы, блоки и элементы. Нижний уровень обработки информации реализуют элементы. Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации.

Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов - информационных слов.

Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов - функционально обособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записи-чтения и др.).

Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.

Элементы ЭВМ можно классифицировать по различным признакам, наиболее часто такими признаками являются: тип сигнала, назначение элементов, технология их изготовления и т. д.

По своему назначению элементы делятся на формирующие, логические и запоминающие.

К формирующим элементам относятся различные формирователи, усилители, усилители-формирователи и т. д. Данные элементы служат для

выработки определенных электрических сигналов, восстановления их параметров (амплитуды, полярности, мощности, длительности).

Логические элементы преобразуют входные сигналы в соответствии с элементарными логическими функциями на основе алгебры логики.

Запоминающим элементом называется элемент, который способен принимать и хранить код двоичной цифры (единицы или нуля).

Вспомним элементную базу ЭВМ, подробно рассмотренную в 1-й части курса.

Дешифраторы (ДШ) - это комбинационные схемы с п-входами или (m - 2")- выходами. Дешифраторы широко используются в ЭВМ для выбора информации по определенному адресу, для расшифровки кодов операции и др.

Шифраторы (ШР) решают задачу, обратную схемам ДПТ, то есть по номеру входного сигнала формируют однозначную комбинацию входных сигналов.

Схемы сравнения, или компаратор, обычно строятся как поразрядные для сравнения данных.

Комбинационный сумматор, принципы работы и построения которого вытекают из правил сложения двоичных цифр.

Более сложным преобразователем информации являются схемы с памятью. Наличие памяти в схеме позволяет запоминать промежуточные состояния обработки и учитывать их значения в дальнейших преобразованиях. В качестве простейшего запоминающего элемента в современных ЭВМ используют триггеры.

Регистром называется узел, предназначенный для машинного приема, временного хранения и выдачи машинного слова (группа бит). Они представляют собой совокупность триггеров, число которых соответствует числу рядов в слове.

Счетчик - это узел ЭВМ, позволяющий осуществлять подсчет поступающих на его вход сигналов и фиксацию результатов в виде многоразрядного двоичного числа. Они используются для подсчета импульсов, сдвигов, формирования адресов и т. д.

Сумматор - это узел ЭВМ, в котором суммируются коды чисел. Он представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров, состоящих из сумматоров комбинационного типа.

ЭВМ включают, кроме аппаратной части и программного обеспечения, большое количество функциональных средств.

Считается, что коды, система команд, алгоритмы выполнения различных процедур и взаимодействия аппаратной части и программного обеспечения, способы использования устройств при организации их совместной работы, составляющие принципы функционирования ЭВМ, образуют

функциональную организацию ЭВМ.

Способы реализации функций ЭВМ составляют структурную организацию ЭВМ. Реализованы принципы функционирования ЭВМ могут быть по-

разному: аппаратными, программно-аппаратными или программными средствами.

Элементная база, функциональные узлы и устройства ЭВМ, программные модули различных видов (обработчики прерываний, драйверы, программы, файлы и др.) являются структурными компонентами. Они определяют способы реализации функций ЭВМ и составляют структурную организацию ЭВМ.

ЭВМ представляет собой совокупность устройств, выполненных на больших интегральных схемах, каждая из которых имеет свое функциональное назначение.

Комплект интегральных схем, из которых состоит ЭВМ, называется микропроцессорным компонентом.

В состав микропроцессорных компонентов входят: системный таймер, микропроцессор (МП), сопроцессор, контроллер прерываний, контроллер прямого доступа к памяти, контроллеры устройств ввода-вывода.

5.1.2 Совместимость ЭВМ

Серьезным является вопрос совместимости ЭВМ. Совместимость – это приспособленность к работе с одними и теми же программами (программная совместимость twain-совместимость) и получению одних и тех же результатов при обработке одной и той же, однотипно представленной информации (информационная совместимость). Если аппаратурная часть электронных вычислительных машин допускает их электрическое соединение для совместной работы и предусматривает обмен одинаковыми последовательностями сигналов, то имеет место и техническая совместимость ЭВМ.

Совместимые ЭВМ должны иметь одинаковую функциональную организацию: информационные элементы (символы) должны одинаково представляться при вводе и выводе из ЭВМ, система команд должна обеспечивать в этих ЭВМ получение одинаковых результатов при одинаковых преобразованиях информации. Работой таких машин должны управлять одинаковые или функционально совместимые операционные системы (а для этого должны быть совместимы методы и алгоритмы планирования и управления работой аппаратурно-программного вычислительного комплекса). Аппаратурные средства должны иметь согласованные питающие напряжения, частотные параметры сигналов, а главное - состав, структуру и последовательность выработки управляющих сигналов.

При неполной совместимости ЭВМ (при наличии различий в их функциональной организации) применяют эмуляторы, т.е. программные преобразователи функциональных элементов.

5.1.3 Функциональные компоненты ЭВМ и их взаимосвязь

Все устройства ЭВМ делятся на центральные и периферийные (рис. 20).

В состав центральных устройств ЭВМ входят центральный процессор, основная память и ряд дополнительных узлов, выполняющих служебные функции: контроллер прерываний и контроллер прямого доступа к памяти

(ПДП).

Периферийные устройства делятся на два вида: внешние ЗУ (НЖМД, НГМД, НМЛ) и устройства ввода-вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, мышь, адаптер каналов связи (КС) и др.

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания.

Шина - это набор физических линий, связывающих центральный процессор, основную память и периферийные устройства воедино относительно передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти.

Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по образующим магистраль трем многоразрядным шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули, - шине данных,

шине адресов, шине управления.

Разрядность шины определяется количеством битов информации, передаваемых по шине параллельно.

К основным режимам работы процессора с использованием шины данных можно отнести:

•запись/чтение данных из оперативной памяти (оперативное запоминающее устройство - ОЗУ);

•запись/чтение данных из внешних запоминающих устройств (ВЗУ);

•чтение данных с устройств ввода;

•пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, формируя код адреса данного устройства, а для ОЗУ - код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по шине адресов, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к устройствам (однонаправленная шина). По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Для того чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter - между и face - лицо).

Если обмен информацией ведется между периферийным устройством и контроллером, то соединяющая их линия передачи данных называется интерфейсом передачи данных, или просто интерфейсом.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты.

Контроллеры (адаптеры) представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют всю работу по обмену данными между компьютером и периферийным устройством и непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно отреагировать на него. За его выполнение процессор не отвечает, отвечает лишь соответствующий контроллер, поэтому периферийные устройства компьютера заменяемы и набор таких модулей произволен. Большая часть периферийных устройств подсоединяется очень просто - снаружи, через разъемы на корпусе системного блока к выходам соответствующих контроллеров - портам (периферийные устройства еще называются внешними, так как осуществляют связь ЭВМ с внешним миром).

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами - побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удаленные устройства, такие как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более «быстрые» устройства - принтер и сканер.

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной, или материнской (MotherBoard). А контроллеры и

адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения и подключаются к шине с помощью разъемов расширения, называемых также слотами расширения.

5.2. Центральные устройства ЭВМ

Как уже было сказано выше, в состав центральных устройств ЭВМ

входят: центральный процессор, основная память, универсальные интерфейсы и ряд дополнительных узлов, выполняющих служебные функции. Все это, как правило, располагается на материнской плате.

5.2.1 Материнская (системная) плата

Фактически материнская плата – это большая коллекция разъемов, предназначенных для установки тех или иных комплектующих и связанных между собой с помощью шины.

Материнская плата - вершина современной технологии изготовления печатных плат. Количество слоев диэлектрического материала и, соответственно, уровней, на которых располагается сетка различных проводников и шин, равно 6-8. В обозначении материнской платы всегда указывается формат (форм фактор), которым обозначается физическая конструкция и типоразмер системных плат и компьютерных корпусов. Современные платы используют форм факторы АТ, АТХ, LPX, NLX. Кроме того, есть уменьшенные варианты формата АТ – Baby AT, Slim, ATX (Mini ATX, Micro ATX), LPX (Mini LPX, Micro LPX).

Недавно появился новый форм фактор Flex ATX, который является расширением к спецификации Micro ATX. Все эти спецификации определяют форму и размеры материнских плат, а также расположение компонентов на плате.Полноразмерные платы АТ слишком велики и в современных ПК не используются. Преобладают платы Baby AT, а почти все платы для процессоров Pentium П и выше выпускаются в формате АТХ,

который обеспечивает более удобное расположение компонентов и лучшие условия для охлаждения по сравнению с форматам Baby AT.Плата Mini и Micro ATX являются модификацией платы АТХ и могут подключаться к уменьшенному блоку питания.

Плата формата LPX предназначена для использования в корпусах типа Slim, имеющих небольшую высоту. Для этого она использует специальную переходную карту Riser card, которая позволяет расположить карты расширения параллельно материнской плате.

Плата NLX для новых низкопрофильных корпусов имеет стойку для карт расширения, от которой она может легко отсоединяться и выдвигаться из корпуса, например, для замены процессора или памяти.

Форм фактор Flex ATX по площади на 25-30% меньше платы Micro ATX и предназначен для установки в нестандартные корпуса вроде iMAC.

На некоторых материнских платах помимо основных компонентов могут быть установлены микросхемы, выполняющие функции видеоадаптера, звуковой или сетевой карт и пр. Как правило, подобные платы выполняются в форм факторе LPX или Mini LPX.

Интеграция перечисленных устройств на материнской плате помогает экономить место в корпусе ПК и позволяет подключать другие устройства в освободившиеся слоты расширения.

Для наглядности изобразим укрупненную блок-схему устройств, размещаемых на типовой материнской плате (рис 2.1.).

Рис. 2.1.

Все компоненты материнской платы связаны друг с другом посредством шин, по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. Каждая шина имеет контроллер, который осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется виде отдельной микросхемы либо интегрируется в МС

чипсета.

5.2. 2 Центральный процессор

В первую очередь необходимо обратить внимание на ”короля системного блока”- процессор. На плате

он устанавливается в специальное гнездо.

Модели процессоров старых типов (выпуска 1998-1999 г.)

устанавливались в разъемы SuperSocket7 (фирм AMD, Cyrix), Slot1(Pentium II, Pentium III, Celeron), SlotA (Athlon фирмы AMD), Socket-370(PGA) (Celeron-от 450Мгц, Pentium III).

Для новых моделей процессоров (2000): Socket А (процессоры фирмы AMD

5.2.3 Микропроцессорный набор

Эффективность работы компьютерной системы и ее возможности во многом определяются установленным на материнской плате микропроцессорным набором, часто называемым ChipSet - чипсет. Это одна или несколько микросхем, которые содержат в себе контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти, таймеры, систему управления памятью и шиной - все те компоненты, которые в старой доброй IBM PC были собраны на отдельных микросхемах. Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени и иногда - клавиатурный контроллер, однако эти блоки могут присутствовать и в виде отдельных чипов. В последних разработках в состав микросхем наборов для интегрированных плат стали включаться и контроллеры внешних устройств. Внешне микросхемы Chipset'а выглядят, как самые большие после

процессора, с количеством выводов от нескольких десятков до нескольких сотен.

Чипсеты включают две базовые микросхемы, которые принято называть соответственно «North Bridge» – северный мост (см. рис.) и «South Bridge» – южный мост. Первая из них обычно обеспечивает управление ускоренным графическим портом (т.е. шиной AGP), шиной системной памяти, шиной PCI и взаимодействие с системной шиной процессора. Южный мост управляет интерфейсами IDE, USB, IEEE1294, включает мост ISA-PCI, контроллеры клавиатуры, мыши, FDD и пр. Имеются и чипсеты, в которых встроены видео и звуковые контроллеры.

В качестве примера можно привести ранее популярные чипсеты i440LX и i440BX. Первый из наборов обеспечивает работу процессоров

Celeron и Pentium II частотой шины 66 МГц, а второй – Pentium II и Pentium III при частоте шины 100,133 МГц. Сам набор состоит из двух микросхем: контроллера памяти в корпусе типа 492BGA (северный мост) и контроллера ввода-вывода (акселератора) в корпусе типа 324 BGA (южный мост).

Возможности чипсетов, их преимущества и недостатки во многом определяют производительность компьютера.

Дальнейшее развитие интеграции, т.е. переноса многих функций отдельных устройств непосредственно на материнскую плату привело к развитию так называемой хабовой архитектуре, принятой на вооружение фирмой Intel.

Системный набор в данном случае состоит из трех микросхем (хабов), выполняющих функции:

-Graphics & Memory Controller Hub (GMCH)–контроллер памяти и

видео;

-I/O Controller Hub (ICH) - контроллер ввода – вывода;

-Firmware Hub (FWH) – хаб фирменного программного обеспечения, флэш память с системным и видео BIOS.

ОЗУ

СИСТЕМН.

ШИНА

Видеоадаптер

Внешние устройства

Рис. 2.3

Чипсеты, использующие такую архитектуру (в частности i810, i815),

относятся к системным наборам с интегрированным видеоконтроллером. Их главной особенностью является то, что в качестве видеопамяти используется часть системной памяти. Чипсет использует в качестве основной шины для соединения своих компонентов (хабов) не шину PCI (c максимальной частотой 133 Мгц), а специально разработанную, закрытую шину, обеспечивающую в 2 раза большую пропускную способность. В новых чипсетах Intel любое из устройств, напрямую подключенных к хабу, может общаться с другим устройством без видимого падения скорости.

Кроме того, Intel предложил две совершенно новых технологии – Direct AGP и Dynamic Video Memory Technology. Первая из них позволяет работать графическому ядру с системной памятью не через шину AGP, а напрямую, через контроллер основной памяти. Это значительно увеличило скорость графического ядра. Технология DVMT позволяет выделять память для видеонужд по мере необходимости в процессе работы. Этим достигается рациональность при работе с системной памятью.

Чипсет i815 имеет то же ядро, что и i810, но с поддержкой памяти

PC133 SDRAM.

Чипсет i820 использует принципиально новую архитектуру памяти – Rambus DRAM (RDRAM) со слотами RIMM (а не DIMM, как в предыдущих чипсетах). Память типа SDRAM он не поддерживает.

Для процессоров Pentium IY первым чипсетом описанной архитектуры стал i850, появившийся одновременно с новым процессором. Он поддерживает 400 Мгц FSB шину, имеет 4 RIMM разъема и поддерживает до

2Гб PC600/800 RD RAM памяти.

Споявлением многоядерных процессоров корпорация Intel при разработке нового семейства чипсетов опять вернулась к структуре «мостов».

5.2.4 Семейство чипсетов Intel Зх

Отметим, что раньше номер модели нового семейства чипсета задавался увеличенным числовым индексом (i915 — i925), теперь же топовый продукт легко

отличить по префиксу X, который у Intel отвечает за любые улучшения общего характера (не только у чипсетов, но и у процессоров, видео ускорителей). На блок-схеме перечислены ключевые характеристики

Рис. 2.4.

Х38:

Intel X38 Express

P35 Express (попроще)