Информатика: аппаратные средства персонального компьютера - Владимир Яшин

Устройства, входящие в МП, в соответствии с определенными принципами организуются в систему, называемую архитектурой. Архитектура МП зависит от системы команд, применяемой в МП, под которой понимается совокупность всех возможных команд, которые может выполнить МП над данными.

В современных ПК применяются МП двух основных архитектур:

• CISC (Complex Instruction Set Computer)   – процессор с полной системой команд;

• RISC (Reduced Instruction Set Computer)   – процессор с сокращенным набором команд.

Каждая из этих архитектур имеет свои особенности. CISC-процессоры имеют большой набор микрокоманд (в среднем до 400 в зависимости от конкретного типа МП), но при этом усложняется устройство управления МП и увеличивается время исполнения команд на микропрограммном уровне. RISC-процессоры имеют ограниченный набор микрокоманд (в среднем до 100), что упрощает устройство управления МП, и сокращают время выполнения команд. Однако для реализации некоторых действий в RISC-процессорах требуется большее число микрокоманд, чем в CISC-процессорах. Таким образом, считается, что CISC-процессоры являются более универсальными, но менее быстродействующими по сравнению с RISC-процессорами. МП компании Intel, устанавливаемые в ПК фирмы IBM, имеют архитектуру CISC, в которой используются некоторые особенности, характерные для архитектуры RISC-процессоров.

К характеристикам МП относятся:

• разрядность МП, которая определяет число двоичных разрядов (бит), одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды. МП Pentium IV имеют 64 разрядную шину данных;

• тактовая частота МП, определяющая количество элементарных операций, выполняемых МП в секунду. Некоторые модели МП Pentium IV, используемые в настоящее время в ПК, имеют тактовую частоту до 4 ГГц;

• частота переключения шины МП (Host Bus, см. рис. 5.4), которая определяет ее пропускную способность. Например, если частота переключения составляет 800 МГц, то пропускная способность шины при ее разрядности 64 бит приблизительно составит 64 · 800 = 6 Гбайт/с;

• информационный объем кэш-памяти уровней L1 и L2;

• напряжение питания (В);

• рассеиваемая электрическая мощность (Вт) и т. д.

В качестве примера рассмотрим следующую широко практикуемую запись обозначения МП в прайс-листах торгующих организаций:

CPU Intel Pentium 4 661 3.6 ГГц/ 2Мб/ 800МГц BOX 775-LGA.

Представим данную запись в развернутом виде:

CPU – МП;

Intel – компания производитель МП;

Pentium 4 661 – модель МП;

3.6 ГГц – тактовая частота МП;

2 Мб – информационный объем кэш-памяти в мегабайтах уровня L2 (2048 Кбайт), уровень L1 для данного МП составляет 16 Кбайт;

800МГц – частота переключения шины МП;

BOX 775-LGA – тип корпуса и разъема (socket) МП.

Наряду с МП на системной плате присутствует набор микросхем системной логики, обеспечивающий логическую организацию работы МП, памяти и устройств ввода-вывода, который называется чипсет (англ. chipset – chip – микросхема, set – набор). В данный набор входят: системный контроллер, называемый NORTH BRIDGE, или центр управления памятью, и системный контроллер ввода-вывода – SOUTH BRIDGE, или центр управления вводом-выводом. Современные чипсеты выполняют функции следующих устройств компьютера: контроллера оперативной памяти; контроллера кэш-памяти; контроллера прямого доступа к памяти (DMA); контроллера прерываний; моста шины PCI; контроллера интерфейса IDE и USB; контроллера клавиатуры и т. д. Производителями микросхем системной логики являются компании Intel (IntegratedElectronics, США), AMD (AdvancedMicro Devices), SiS (Silicon Integrated Systems Corporation, США), VIA Technologies (Тайвань) и т. д.

Важнейшими элементами системной платы являются устройства ОП и ПП, которые называются также устройствами основной памяти компьютера. ОП, или как ее еще называют в англоязычной технической литературе – RAM (Random Access Memory), предназначена для хранения исполняемых программ и данных. ОП обеспечивает хранение информации лишь в течение сеанса работы компьютера, и после его выключения информация безвозвратно теряется. ОП представляет собой набор микросхем, устанавливаемых на системную плату. Существует два вида ОП, отличающиеся друг от друга техническими характеристиками: динамическая ОП (DRAM – Dynamic RAM) и статическая ОП (Static RAM). Динамическая и статическая ОП имеют свои недостатки и преимущества, однако в ПК в качестве ОП в настоящее время используется в основном динамическая ОП. Более подробно о физических принципах построения динамической и статической ОП и их конструктивных особенностях можно прочесть в соответствующей литературе [1,2,4,5]. К основным характеристикам ОП можно отнести:

• информационный объем (в ПК может достигать единиц гигабайт, в среднем 512 Мбайт);

• время доступа к данным составляет несколько десятков наносекунд (в среднем 70 не).

ПП, или ROM (Read Only Memory), предназначена для хранения постоянной, т. е. неизменяемой, информации и доступна лишь для чтения программ и данных, записанных при изготовлении компьютера. После выключения компьютера информация в ПП сохраняется, т. е. данная память является энергонезависимой. В ПП хранится системная информация: программа начальной загрузки компьютера, программы тестирования устройств компьютера и т. д. Программа начальной загрузки является частью операционной системы и носит название базовой системы ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System). ПП представляет собой микросхему, которая может быть однократно программируемой (ПЗУ – постоянное запоминающее устройство) или многократно программируемой (ППЗУ – перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство). В настоящее время в ПК используются в основном ППЗУ. Например, на рис. 5.4 ППЗУ обозначено как Flash BIOS.

Для обмена информацией между компонентами ПК используется системная магистраль, которая включает в себя два типа шин: локальную и системную. Под шинами понимается совокупность проводных каналов связей (электрических линий), конструктивно располагающихся на системной плате. В ПК тип используемых шин определяется системной платой.

В качестве локальных шин используются шины, непосредственно подключенные к МП, т. е. это шина МП (Host Bus, см. рис. 5.4), шина для подключения видеоконтроллера, управляющего монитором, шина для подключения внешних накопителей, шина для подключения средне– и низкоскоростных внешних устройств и т. д.

Посредством локальной шины МП происходит обмен информацией между МП и чипсетом с высокой скоростью. Данная локальная шина работает на частоте несколько сотен мегагерц.

Локальная шина для подключения видеоконтроллера, которая в ПК называется также AGP (Advanced Graphic Port), позволяет организовать непосредственную связь между видеоконтроллером и ОП, что значительно повышает скорость обмена видеоданными между ними за счет устранения задержек при обращении к ОП. Эта шина является 32-разрядной и работает на частоте 66 МГц.

В качестве шин для подключения внешних накопителей информации могут использоваться шины на основе разных стандартов, однако наиболее широко используются в ПК шины IDE (Integrated Device Electronics) или ее модификация EIDE (Enhanced IDE), а также шина SCSI (Small Computer System Interface).

Шина для подключения средне– и низкоскоростных внешних устройств носит название USB (Universal Serial Bus), в настоящее время широко используется шина USB версии интерфейса 2.0. Скорость передачи данных по данной шине достигает 480 Мбит/с.

Системная, или общая, шина предназначена для обеспечения обмена информацией между внешними устройствами и МП. Системная шина состоит из трех отдельных шин: шины адреса, шины данных и шины управления. Каждая из этих шин характеризуется своей разрядностью, т. е. числом параллельных проводников для передачи информации, и тактовой частотой, т. е. частотой, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Разрядность шины адреса определяет максимальное число ячеек памяти, к которым может обратиться МП.

Шина данных обеспечивает передачу команд и данных. Разрядность данной шины во многом определяет пропускную способность системной шины и производительность ПК.

Шина управления предназначена для управления системной шиной, т. е. обеспечивает ее работу. Разрядность данной шины определяется алгоритмом ее работы, который задается контроллером шины.

В качестве системной шины в настоящее время в ПК преимущественно используется шина PCI (Peripheral Component Interconnect Bus – взаимосвязь периферийных компонентов). Шина PC/была разработана компанией Intel в 1992 г. Шина данных PCI может быть 32– или 64-разрядной, тактовая частота контроллера этой шины соответственно равна 33 или 66 МГц. Шина адреса имеет 32 разряда. До системной шины РС/в ПК использовались системные шины ISA (Industry Standard Architecture), EISA (Extended Industry Standard Architecture), MCA (Micro Channel Architecture), VIB (VESA EocalBus), разработанная в 1992 г. ассоциацией стандартов видеооборудования VESA (Video Electronics Standards Association). Более подробно об этих системных шинах можно прочесть в соответствующей литературе [1,5].