24. Які найвідоміші стандарти материнських плат Ви знаєте?

Помимо размеров материнских плат стандартизованы также отверстия внутри платы, которые соединяют ее с корпусом системного блока.

Распространенные в первых персональных компьютерах стандарты FullSize, Baby-AT, LPX и mini-LPX в настоящее время сняты с производства и сохранились только в старых компьютерах. В современных настольных компьютерах используются следующие стандарты: ATX, mini-ATX и NLX.

Спецификации АТХ и mini-ATX для материнской платы и корпуса компьютера были предложены фирмой Intel в 1995 г. Спецификация АТХ для материнских плат предусматривает:

• интеграцию на материнской плате стандартных периферийных уст­ройств: контроллеров дисководов и винчестеров, параллельных и после­довательных портов, а также (по мере необходимости) видео и звуковых адаптеров, модемов и интерфейсов локальных сетей;

• наличие встроенной двойной панели разъемов ввода/вывода размером 15,9х4,4 см, находящейся на тыльной стороне материнской платы

• наличие одноключевого внутреннего разъема источника питания;

• изменение местоположения процессора и модулей памяти на материнской пла­те (теперь они располагаются около вентилятора блока питания);

• перемещение разъемов контроллеров ввода/вывода, интегрированных в материнской плате, ближе к накопителям, т.е. длину внут­ренних кабелей данных можно уменьшить.

В настоящее время корпорация Intel полностью перешла на производство материнских плат спецификации АТХ. Ряд других поставщиков материнских плат, например ASUSTek, также нала­дили выпуск материнских плат АТХ.

Стандарт NLX явился дальнейшим развитием стандарта АТХ. Согласно этому стандарту в компьютер устанавливается так называемая ризер-карта (Riser card). Ризер-карта имеет стандартные слоты PCI и ISA, в которые устанавливаются все необходимые карты рас­ширения. Материнская плата также устанавливается в специальный слот, называемый NLX Riser Connector. Этот разъем содержит не только информа­ционную шину, но и шину питания. Таким образом, после установки мате­ринская плата автоматически оказывается подключенной к шине питания.

Кроме того, на ризер-карте располагаются различные разъемы, которые ра­нее располагались на материнской плате – IDE, FDD, USB, блока питания и др.

На материнской плате NLX распо­лагаются гнезда процессора, слоты для модулей памяти, chipset, микросхемы BIOS и кэш-памяти. Ризер-карта и материнская плата стандарта NLX приведены на рис. 2.19.

Стандарт NLX практически превращает компьютер в устройство, состоящее всего из двух элементов – материнской платы и корпуса со стандартными разъема­ми для подключения внешних устройств.

25. Які функції центрального процесора ? Що таке мікропрограмне і схемне управління? Які основні компоненти віділяють в архітектурі центрального процессора?Дайте коротку їх характеристику.

Как указывалось ранее, процессор является устройством, совмещающим выполнение арифметических и логических операций с управлением работой компьютера или его отдельных устройств. Процессор, выполняющий команды, хранящиеся в оперативной памяти (или кэш-памяти) и управляющий работой всего компьютера, называют центральным, или главным, процессором – CPU (Central Processing Unit). Следует отметить, что в современных компьютерах для увеличения быстродействия некоторые устройства, например, звуковая карта, могут иметь свои собственные специализированные процессоры.

Подавляющее большинство процессоров в настоящее время используют так называемое микропрограммное управление, каждая команда разбивается на отдельные микрокоманды. Выполнение одной или нескольких микрокоманд обеспечивается микропрограммами, которые хранятся в постоянном запоминающем устройстве процессора. В отличие от схемного управления, когда все алгоритмы команд реализованы аппаратно, т. е. на основе логических схем, при микропрограммном управлении удобнее вносить изменения в функционирование команд и даже расширять их состав.

В архитектуре центрального процессора (в дальнейшем называемого просто процессором) можно выделить следующие основные компоненты:

• арифметико-логическое устройство;

• блок управления памятью;

• регистровая память;

• блок внутренней кэш-памяти;

• блок сопряжения с системной шиной;

• блок обработки прерываний.

Команды программ, поступающие в арифметико-логическое устройство из оперативной памяти или кэш-памяти, проходят следующие этапы обработки:

• дешифрация команд;

• разбиение команды на последовательность микрокоманд;

• выполнение микрокоманд в конвейерном режиме.

Дешифратор, входящий в состав арифметико-логического устройства, определяет по коду команды блок процессора, в котором будет производиться обработка команды и передает управление этому блоку.

На втором этапе каждая команда разбивается на несколько микрокоманд, выполняемых, в свою очередь, поэтапно соответствующими микропрограммами. В первых процессорах строго выполнялся принцип последовательного выполнения команд фон Неймана, т.е. первый этап очередной команды начинал выполняться только тогда, когда был закончен последний этап выполнения предыдущей команды. В современных процессорах используется так называемая конвейерная обработка команд, когда первый этап следующей команды начинает выполняться сразу же после окончания первого этапа предыдущей команды. В этом случае быстродействие процессора существенно увеличивается за счет одновременного выполнения команд. Процессоры, в которых выполнение команды разбивается на этапы, называются суперскалярными, а процессоры, в которых функционирует несколько конвейеров команд, называются суперконвейерными. Так, в процессоре Pentium II выполнение команды разбивается на 14 этапов, а количество конвейеров равно 3.

Новым средство, используемым в арифметико-логических устройствах современных процессоров является предсказание переходов. Обычно команды программы выполняются последовательно, однако, в соответствии с алгоритмом, в программах могут выполняться и переходы на другие команды. Существуют безусловные переходы, когда управление передается на команду с указанным адресом (например, при вызове подпрограммы управление передается первой команде подпрограммы, а после выполнения команд подпрограммы управление возвращается, как правило, команде, следующей за командой вызова). При условных переходах последовательное выполнение команд изменяется в зависимости от результатов сравнения заданных величин. Условные переходы снижают общую производительность процессора, так как в ожидании этого перехода конвейер работает вхолостую. Чтобы этого избежать, в процессоре имеется специальная буферная память, которая хранит данные о последних переходах.

Первоначально центральный процессор выполнял операции только над числами в формате с фиксированной точкой (целыми числами). Операции над числами в формате с плавающей точкой выполнялись либо с помощью программ, либо с помощью дополнительного процессора, называемого сопроцессором. В дальнейшем сопроцессор был встроен в центральный процессор, а затем и интегрирован с центральным процессором и в настоящее время эти два процессора представляют собой единое устройство.

Первый процессор в IBM-совместимых компьютерах Intel 8086 мог адресовать до 1 Мбайта памяти (из-за 20 разрядной адресной шины). Во всех последующих моделях процессоров для обеспечения преемственности работы операционной системы MS DOS и прикладных программ был реализован так называемый реальный режим (real mode), эмулирующий (имитирующий) работу процессора Intel 8086 и соответственно доступ только к первому мегабайту оперативной памяти. Другой режим, в котором можно обращаться не только к полному объему оперативной памяти, но и к виртуальной памяти, был назван защищенным режимом (protected mode). В дальнейшем защищенный режим был дополнен виртуальным режимом, который эмулировал работу нескольких (до 256) процессоров Intel 8086 и позволил обеспечивать аппаратно многопрограммные и многопользовательские операционные системы Windows и Unix.

Операции разбивки доступного объема оперативной памяти на относительно небольшие фрагменты – сегменты, а также управление загрузкой и перемещением сегментов в оперативной и виртуальной памяти для защищенного и виртуального режима обеспечивает блок управления памятью процессора. Этот же блок обеспечивает четыре уровня (кольца) защиты для разграничения доступа к ресурсам компьютера операционной системы и прикладных программ.

По назначению и способу использования регистры процессора подразделяются на:

2. Регистры данных, предназначенные для временного хранения значений переменных и результатов различных операций над ними.

3. Регистры указателей и индексов, используемые при работе с адресами операндов команд, в частности, при доступе к элементам массивов.

4. Сегментные регистры, содержащие адреса сегментов команд и данных

5. Указатель команд, в котором хранится адрес следующей выполняемой команды.

6. Регистр флагов, каждый разряд которого имеет строго определенное назначение и меняется в зависимости от результатов выполнения текущей команды, например при переполнении, или получении отрицательного числа.

Программист может использовать регистры данных и индексные регистры по своему усмотрению, за исключением тех случаев, когда эти регистры используются командами процессора.

Для повышения производительности в состав процессора введена также своя, внутренняя, кэш-память, названная кэш-памятью первого уровня (L1). Фактически эта кэш-память состоит из двух блоков – кэш памяти данных и кэш-памяти команд, каждый из которых имеет объем несколько десятков килобайт. Ее назначение – согласование скорости работы процессора и кэш-памяти, размещаемой на плате процессора и/или на материнской плате.

Блок сопряжения с системной шиной обеспечивает обмен данными, адресами и командами между процессором и системной шиной.

Когда при выполнении программы в центральном процессоре или на внешних устройствах выполняются операции, требующие вмешательства операционной системы, в частности операции ввода/вывода в центральный процессор поступает специальный сигнал, называемый прерыванием. Блок обработки прерываний процессора прекращает выполнение команд текущей программы, и передает управление операционной системе, которая вызывает процедуру, обрабатывающую данное прерывание.

В последнее время получают распространение многопроцессорные системы, т.е. системы, в которых установлено несколько процессоров.

Для функционирования многопроцессорной системы необходимо выполнение следующих условий:

• материнская плата должна поддерживать несколько процессоров, т. е. иметь дополнительные разъемы для установки процессоров и соответст­вующий chipset;

• процессор должен поддерживать работу в многопроцессорной системе;

• операционная система должна поддерживать работу с несколькими процессорами (такими операционными системами являются Windows NT и Unix).

В процессе одновременной работы нескольких процессоров операционная система распределяет различные задачи между процессорами. Существуют два режима работы многопроцессорных систем – асимметричный и симмет­ричный.

В режиме асимметричной обработки один процессор выполняет только за­дачи операционной системы, а другой – прикладные программы.

В режиме симметричной обработки – SMP (Symmetric Multi-Processing) задачи операционной системы и пользовательские приложения могут выполняться любым процессором в зависимости от его загрузки. Этот режим является более производительным и поэтому он используется в большинстве многопроцессорных систем.