«Архитектура ЭВМ»
Перечислите и объясните четыре принципа Фон-Неймана, положенные в основу построения подавляющего большинства ЭВМ. Нарисуйте схему машины Фон-Неймана. -2
Изобразите подробную структурную схему ПК (микропроцессор, память, системная шина, контроллеры, внешние устройчтва и т.д.) и поясните назначение её компонентов - 3
Назначение шин PCI и PCI-Express и их сравнение. - 4
Назначение шины USB и её архитектура. - 8
Материнская плата. Назначение, основные характеристики, устройство, чипсет, северный и южный мосты, BIOS, PnP, слоты, AGP, PCI, PCI-Express, IDE, SATA, PS/2, COM, LPT, D-SUB, DVI, LAN, VRM. - 10
Микропроцессоры. Структура Intel x86: УУ, АЛУ, память, интерфейс. Классификация по архитектуре системы команд: CISC и RISC. Параллельная архитектура. - 13
Многоядерные процессоры Intel серии Core. Сравнение с Pentium D. Энергопотребление технологии Centrino. Core Duo и Core 2 Duo. - 18
Типы памяти: ROM, SRAM и DRAM. Принцип работы DRAM. Подтипы: SIMM, DIMM, RDRAM, DDR SDRAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM. - 25
Жесткий диск. Принципы работы накопителей на жестких дисках. Основные компоненты накопителей. Дорожки, секторы, цилиндры. Форматирование диска: низкоуровневое, организация разделов на диске, высокоуровневое. Технология S.M.A.R.T. - 32
Оптический привод. Принцип чтения и записи. Оптические диски: CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD, Blu-Ray. - 41
Видеокарта. Назначение и основные компоненты видеокарты: BIOS, графический процессор, видеопамять, ЦАП, шина, видеодрайвер. Технологии SLI и CROSSFIRE. Разрешение экрана и битность цвета. - 46
Характеристики электросети и факторы, негативно влияющие на качество электропитания. Сетевой фильтр. Блок питания: трансформаторный, импульсный; сравнение. Стабилизаторы. Виды ИБП. - 53
Принципы работы и устройство ЭЛТ-мониторов. - 57
Принципы работы и устройство ЖК-мониторов (STN, DSTN, TFT).
Принципы работы и устройство плазменной панели. - 62
Клавиатура. Принцип работы. Скан-коды.
Мышь. Типы. Устройство и принципы работы опто-механических, оптических и лазерных мышей. - 71
Сканеры. Виды, принцип действия, основные характеристики. - 76
Принтеры. Технологии печати: матричная, струйная, лазерная, светодиодная, термосублимационная, трёхмерное прототипирование. - 79
Перечислите и объясните четыре принципа Фон-Неймана, положенные в основу построения подавляющего большинства ЭВМ. Нарисуйте схему машины Фон-Неймана.
Архитектура фон Неймана
В основу построения подавляющего большинства ЭВМ положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым венгерского происхождения ДЖОНОМ фон НЕЙМАНОМ.
1. Принцип двоичного кодирования
Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов.
2. Принцип программного управления
Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
3. Принцип однородности памяти
Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - чисчло, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.
4. Принцип адресности
Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.
Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков:
Устройства ввода/вывода информации
Память компьютера
Процессор, состоящий из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ)
Машины, построенные на этих принципах, называются фон-неймановскими.
Схематичное изображение машины фон Неймана.
А рхитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «Машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана (нем. von Neumann), подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.
Наличие жёстко заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций и представление вычислительного процесса, как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к расмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.
Изобразите подробную структурную схему ПК (микропроцессор, память, системная шина, контроллеры, внешние устройчтва и т.д.) и поясните назначение её компонентов.
Назначение шин PCI и PCI-Express и их сравнение.
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus)
Р азработка шины PCI началась весной 1991 года как внутренний проект корпорации Intel (Release 0.1). Специалисты компании поставили перед собой цель разработать недорогое решение, которое бы позволило полностью реализовать возможности нового поколения процессоров 486/Pentium/P6 (вот уже половина ответа). Особенно подчеркивалось, что разработка проводилась "с нуля", а не была попыткой установки новых "заплат" на существующие решения. В результате шина PCI появилась в июне 1992 года (R1.0).
Благодаря такому решению шина получилась, во-первых, процессоро-независимой (в отличие от VLbus), а во-вторых, могла работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Например, процессор работает себе с кэшем или системной памятью, а в это время по сети на винчестер пишется информация.
Основные возможности шины следующие
Синхронный 32-х или 64-х разрядный обмен данными. При этом для уменьшения числа контактов (и стоимости) используется мультиплексирование, то есть адрес и данные передаются по одним и тем же линиям.
Поддержка 5V и 3.3V логики. Разъемы для 5 и 3.3V плат различаются расположением ключей
Частота работы шины 33MHz или 66MHz (в версии 2.1) позволяет обеспечить широкий диапазон пропускных способностей (с использованием пакетного режима):
132 МВ/сек при 32-bit/33MHz;
264 MB/сек при 32-bit/66MHz;
264 MB/сек при 64-bit/33MHz;
528 МВ/сек при 64-bit/66MHz.
При этом для работы шины на частоте 66MHz необходимо, чтобы все периферийные устройства работали на этой частоте.
Полная поддержка multiply bus master (например, несколько контроллеров жестких дисков могут одновременно работать на шине).
Автоматическое конфигурирование карт расширения при включении питания.
Спецификация шины позволяет комбинировать до восьми функций на одной карте (например, видео + звук и т.д.).
Шина позволяет устанавливать до 4 слотов расширения, однако возможно использование моста PCI-PCI для увеличения количества карт расширения.
PCI-устройства оборудованы таймером, который используется для определения максимального промежутка времени, в течение которого устройство может занимать шину.
Шина поддерживает метод передачи данных, называемый "linear burst" (метод линейных пакетов). Этот метод предполагает, что пакет информации считывается (или записывается) "одним куском", то есть адрес автоматически увеличивается для следующего байта. Естественным образом при этом увеличивается скорость передачи собственно данных за счет уменьшения числа передаваемых адресов.
Шина PCI является той черепахой, на которой стоят слоны, поддерживающие "Землю" - архитектуру Microsoft/Intel Plug and Play (PnP) PC architecture.
PCI Express
П
о прогнозам, за следующие десять лет требования к пропускной способности шин ввода-вывода возрастут в 50 раз. Но традиционная архитектура параллельных шин типа PCI и AGP уже почти достигла предела своих возможностей (физический лимит для них - примерно 1 ГГц). PCI Express призвана заменить шину PCI (и ее клон - AGP), исправно работающую в компьютерной технике уже более десяти лет. Напомним, что PCI в свое время пришла на смену "первому поколению" - шине ISA. Однако на сей раз изменения при переходе на новый стандарт куда большие, чем при переходе от ISA к PCI, - они в PCI Express носят не столько количественный, сколько качественный характер, и в целом их можно охарактеризовать как "переход от параллельных шин к последовательным", что является сейчас общеиндустриальной тенденцией развития шин передачи данных.
В то время как процессоры уже не первый год успешно движутся в направлении параллельных архитектур (SIMD-расширения, суперскалярность, конвейеризация, Hyper-Treading и многоядерность), шины передачи данных не менее успешно переходят на последовательные решения. Причины обеих тенденций схожи и довольно просты - необходимо сбалансированно наращивать производительность всех компонентов компьютеров, однако не всякие существующие архитектурные решения способны эффективно масштабироваться.
Микропроцессорам проще работать с параллельными шинами передачи данных, они обеспечивают лучшую производительность при меньшей частоте, но, к сожалению, их тяжело масштабировать на высокие частоты - при этом сильно повышаются требования к физической разводке шины, заметно возрастает латентность (чтобы синхронизировать "одновременные" сигналы во всех проводах шины), да и места они занимают много - сравните, например, шлейфы IDE (UltraATA) и SerialATA. Поскольку себестоимость производства чипа сегодня все равно выходит примерно одинаковой (если не считать экономию на "ножках микросхемы"), то порой дешевле делать более сложный кристалл контроллера шины, чем плодить золотые контакты и многочисленные проводники на печатной плате. Поэтому стремление разработчиков перейти на параллельные шины довольно естественно - хотя бы с точки зрения экономии контактов и места на разводку шины. С другой - последовательную шину гораздо проще заставить работать на повышенных тактовых частотах, поэтому удается значительно поднять производительность. Более того, отличная масштабируемость последовательных шин вроде PCI Express и HyperTransport относительно легко достигается путем как повышения частоты работы, так и добавлением нескольких последовательных линий к шине.
PCI Express разработана с расчетом на разнообразные применения - от полной замены шин PCI в настольных компьютерах и серверах до использования в мобильных, встроенных и коммуникационных устройствах. Номинальной рабочей частотой шины PCI Express является 2,5 ГГц. При этом пиковая производительность (на один канал передачи данных, без учета двунаправленности) всего на 50% больше, нежели производительность "обычной" 33-мегагерцовой PCI - 200 против 133 Мбайт/с. То есть для перехода на последовательную шину с сопоставимой производительностью понадобилось 75-кратное (!) увеличение тактовой частоты - до значений, о которых два-три года назад можно было только мечтать.
Неудивительно, что PCI Express появилась только сегодня - раньше для нее просто не было технических предпосылок.
О разводке новой шины
Шина PCI Express помимо низкой латентности обладает очень высокой скоростью передачи данных в расчете на один сигнальный контакт - около 100 Мбайт/с. Для сравнения: у обычной шины PCI этот показатель - всего лишь 1,58 Мбайт/с на контакт (32 бит х 33 МГц / 84 сигнальных контакта), у 133-мегагерцовой PCI-X 1.0 - 11,4 Мбайт/с на контакт (64х133/93), у AGP 8X - 19,75 Мбайт/с на контакт (32х533/108), а у Intel Hub Link 2 - 26,6 Мбайт/с на контакт (2x16 бит на 8х66 МГц/40 контактов). Это позволяет, во-первых, экономить за счет контактов (на корпусах микросхем и позолоченных разъемах), а во-вторых - за счет более компактной разводки шин.
Электрические улучшения (пониженное затухание в линиях передачи и повышенная чувствительность приемников данных) позволяют снизить требования к импедансу входных цепей и увеличить длину проводников шины на платах: сейчас она ограничивается 30,5 см для системных плат (от чипа до разъема), 9 см для плат контроллеров (и видеокарт) и 38 см для соединений между чипами на одной плате. Причем разводка может быть как четырех-, так и шестислойной - без каких-то особо критичных требований.
Разработчики PCI Express не стали изобретать велосипед и взяли за основу наработки в области сетевого оборудования. Получилось что-то очень напоминающее Gigabit Ethernet - и на физическом уровне, и на уровне протоколов передачи данных. Первое и самое главное отличие новой шины: PCI Express является последовательной, а значит, четко разнесены уровни представления данных и уровень их передачи. Если в параллельной шине, например PCI, данные непосредственно появляются на шине (вместе с какой-то дополнительной информацией - CRC, адресом получателя и пр.), что и обуславливает простоту их посылки и получения, то в последовательной шине сказать что-либо о "физическом носителе" заранее невозможно. Информация, которую необходимо передать, просто упаковывается в пакеты, куда заносятся данные о получателе и коды обнаружения/исправления ошибок - а получившийся сплошной поток (где идут вперемешку данные, приложения и вспомогательная информация) уже передается - абсолютно неважно каким способом - через физическую среду.
Приемник, в свою очередь, распаковывает прибывшие пакеты, исправляет ошибки или запрашивает повторную передачу, определяет получателя и направляет пакет далее. Собственно, "последовательность" шины вовсе не значит, что данные передаются побитно (хотя в случае с PCI Express это так), а понимается в том смысле, что данные и служебная информация передаются последовательно, по одним и тем же каналам (в отличие от параллельной передачи той же информации). Стандарт PCI Express предусматривает схему организации данных, показанную на рис.
Как и в любой сети, передаваемые данные дополнительно нарезаются небольшими кусочками - фреймами. При тактовой частоте шины 2,5 ГГц мы получим скорость 2,5 Гбит/с. С учетом выбранной схемы "8/10" выходит 250 Мбайт/с, однако многоуровневая сетевая иерархия не может не сказаться на скорости работы, и реальная производительность шины оказывается значительно ниже - всего лишь около 200 Мбайт/с в каждую сторону. Впрочем, даже это на 50% больше, чем теоретическая пропускная способность шины PCI. Но это далеко не предел: PCI Express позволяет объединять в шину нескольких независимых линий передачи данных. Стандартом предусмотрено использование 1, 2, 4, 8, 16 и 32 линий - передаваемые данные поровну распределяются между ними по схеме "первый байт на первую линию, второй - на вторую, ..., n-й байт на n-ю линию, n+1-й снова на первую, n+2 снова на вторую" и так далее. Это не параллельная передача данных и даже не увеличение разрядности шины (поскольку все передающиеся по линиям данные передаются абсолютно независимо и асинхронно) - это именно объединение нескольких независимых линий. Именно этим достигается прекрасная масштабируемость PCI Express, позволяющая организовывать шины с максимальной пропускной способностью до 32x200=6,4 Гбайт/с в одном направлении (см. табл.), под стать лучшим параллельным шинам с
егодняшнего дня.
PCI Express относится к шинам класса "точка-точка", то есть одна шина может соединять только два устройства (в отличие от PCI, где на общую шину "вешались" все PCI-слоты компьютера), поэтому для организации подключения более чем одного устройства в топологию организуемой PCI Express, как и в Ethernet-решениях на базе витой пары или устройствах USB, придется вставлять хабы и свитчи, распределяющие сигнал по нескольким шинам. Это тоже одно из главных отличий PCI Express от прежних параллельных шин.
Назначение шины USB и её архитектура.
USB (Universal Serial Bus) – это популярная универсальная последовательная шина. Предназначена для легкого подключения различного вида устройств это клавиатуры, мыши, джойстики, колонки, модемы, мобильные телефоны, ленточные, дисковые, оптические и магнитооптические накопители, флэш-диски, сканеры и принтеры, словом все, что подключается к ПК
Разработка шины началась в 1995 году, когда многие компании, стремясь следовать провозглашенному принципу Plug'n'Play стремились создать нечто, позволяющее сделать процедуру добавления новых устройств в систему максимально простой, да и к тому же универсальное, пригодное для большого числа разного вида устройств. При подключении устройства система автоматически определяет, какой ресурс, включая программный драйвер и пропускную способность, нужен каждому периферийному устройству и делает этот ресурс доступным без вмешательства пользователя.
Спецификация протоколов USB:
USB 1.1 – 12 Мбит/с
USB 2.0 - 480 Мбит/с
U  SB 3.0 – 5 Гбит/с + оптимизация для пониженного уровня энергопотребления и повышенной эффективности (первое полугодие 2008г.)
Подключаемые устройства, потребляющие небольшой ток, могут быть запитаны от шины USB. Максимальный ток, который может обеспечить шина равен 500 мА. Это ток, доступный всем устройствам на шине (при этом на стадии подключения и конфигурирования потребляемый ток не должен превышать 100 мА, в противном случае устройство просто не будет инициировано)
А рхитектурная особенность шины USB в том, что её логическая топология - многоуровневая звезда. Допускается организация до пяти уровней. USB шина позволяет подключать до 127 устройств.
Хост - программно-аппаратный комплекс, в обязанности хоста входит:
- слежение за подключением и отключением устройств;
- организация управляющих потоков между USB-устройством и хостом;
- организация потоков данных между USB-устройством и хостом;
- контроль состояния устройств и ведение статистики активности;
снабжение подключенных устройств электропитанием.
Хост контроллер - аппаратная часть, посредник между хостом и устройствами на шине.
Концентратор (хаб). Позволяет множественные подключения к одному порту, создавая дополнительные порты. Каждый хаб имеет один восходящий порт, предназначенный для подключения к имеющемуся в наличии свободному порту, и несколько нисходящих, к которым могут быть подключены или снова концентраторы, или конечные устройства, либо совмещенные устройства. Хаб должен следить за подключением и отключением устройств, уведомляя хост об изменениях, управлять питанием портов.
Функциональное устройство. С точки зрения USB, устройство - это набор конечных точек с которыми возможен обмен данными. Число и функции точек зависят от устройства и выполняемых им функций, и определяются при производстве. В обязательном порядке присутствует точка с номером 0 - для контроля состояния устройства и управления им. До осуществления конфигурирования устройства через точку 0 остальные каналы не доступны.
Все передачи данных инициируются хостом в соответствии определенной временной программой. Функциональные устройства сами не могут инициировать передачу, а лишь отвечают на запросы хоста. Если у устройства возникла необходимость передать данные, оно не может никаким образом дать знать об этом хосту. Для того, что бы выполнить такую передачу, хост должен обратиться у устройству с вопросом, не имеет ли оно желание чего-либо ему сказать (послав пакет in). В ответ на что устройство вышлет ему имеющиеся данные и дождется получения подтверждения. Соответственно, если хост не обратиться с таким вопросом, то данные никогда не будут переданы.
Материнская плата. Назначение, основные характеристики, устройство, чипсет, северный и южный мосты, BIOS, PnP, слоты, AGP, PCI, PCI-Express, IDE, SATA, PS/2, COM, LPT, D-SUB, DVI, LAN, VRM.
М
атеринская плата имеет несколько основных характеристик:
Форм-фактор (AT/ATX) - определяет форму, размеры материнских плат, расположение компонент на плате. Важно: форм-фактор платы определяет, в какой тип корпуса вы можете ее поставить. Корпуса соответственно бывают AT/ATX. ATX стоит дороже, но предоставляет дополнительные возможности: программное включение/выключение компьютера, более надежный разъем питания, лучшая вентиляция корпуса. Существуют платы, которые одновременно поддерживают оба форм-фактора.
Разъем процессора – указывает на виды поддерживаемых материнской платой процессоров.
Количество и тип разъемов для плат расширения (PCI, AGP, PCI-Express, DIMM, IDE, SATA). Для подключения плат расширения (видеокарт, звуковых карт, внутренних модемов, модулей памяти, жёстких дисков и др.) необходимо иметь на плате достаточное количество разъемов расширения соответствующего типа. Слоты для установки оперативной памяти. От слотов для установки плат отличаются наличием специальных замочков-"защелок". Количество слотов обоих типов может варьироваться от 2 до 6.
Chip Set - набор микросхем. Это одна или несколько микросхем, таймеры, систему управления пспециально разработанных для "обвязки" микропроцессора. Они содержат в себе контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти,амятью и шиной - все те компоненты, которые в оригинальной IBM PC были собраны на отдельных микросхемах. Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени с CMOS-памятью 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 двух сотен. Название набора обычно происходит от маркировки основной микросхемы - OPTi495SLC, SiS471, UMC491, i82C437VX и т.п. Тип набора в основном определяет функциональные возможности платы: типы поддерживаемых процессоров, структура/объем кэша, возможные сочетания типов и объемов модулей памяти, поддержка режимов энергосбережения, возможность программной настройки параметров и т.п. На одном и том же наборе может выпускаться несколько моделей системных плат, от простейших до довольно сложных с интегрированными контроллерами портов, дисков, видео и т.п.
Возможности разгона. Для эффективного разгона процессора необходима возможность менять частоту шины и напряжение питания процессора. Эти функции могут быть реализованы с помощью перемычек на плате или через настройки в BIOS. Для существенного подъема частоты шины надо иметь быструю память, способную работать на этой частоте.
Контроллеры портов и разъёмы
Разъемы USB, PS/2 (мышь, клавиатура), LPT (параллельный порт), COM (последовательный порт), D-SUB (аналоговый выход на монитор), DVI (цифровой выход на монитор), LAN (локальная сеть).
Infrared Connector - разъем для инфракрасного излучателя/приемника. Подключен к одному из встроенных COM-портов (обычно - COM2) и позволяет установить беспроводную связь с любым устройством, снабженным подобным излучателем и приемником. Работает по тому же принципу, что и пульты управления бытовой радиоаппаратурой.
Cache (запас) обозначает быстродействующую буферную память между процессором и основной памятью. Кэш служит для частичной компенсации разницы в скорости процессора и основной памяти - туда попадают наиболее часто используемые данные. Когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш, и в случае повторного обращения в скором времени может быть с гораздо большей скоростью выбрано из кэша.
VRM (Voltage Regulator Module) - модуль регулятора напряжения. Служит для формирования нужных напряжений питания процессора. Разработан для того, чтобы существующие системные платы могли поддерживать новые типы процессоров, которые появятся в будущем.
"Green Motherboard" Системная плата с поддержкой энергосбережения. Chipset и BIOS платы поддерживают снижение частоты процессора при перерывах в работе, отключение винчестера и монитора при отсутствии обращений к ним, и т.п. Отношение специалистов к данным режимам неоднозначное: при чрезмерно частом (десятки раз в сутки) отключении монитора или винчестера экономия энергии будет мизерной, зато заметно возрастет шанс выхода их из строя.
BIOS (basic input/output system) - базовая система ввода-вывода - это встроенное в компьютер программное обеспечение, которое ему доступно без обращения к диску. На PC BIOS содержит код, необходимый для управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и другими устройствами. Обычно BIOS размещается в микросхеме ПЗУ (ROM), размещенной на материнской плате компьютера (поэтому этот чип часто называют ROM BIOS). Эта технология позволяет BIOS всегда быть доступным, несмотря на повреждения, например, дисковой системы. Это также позволяет компьютеру самостоятельно загружаться. Поскольку доступ к RAM (оперативной памяти) осуществляется значительно быстрее, чем к ROM, многие производители компьютеров создают системы таким образом, чтобы при включении компьютера выполнялось копирование BIOS из ROM в оперативную память. Задействованная при этом область памяти называется Shadow Memory (теневая память).
В настоящее время, почти все материнские платы комплектуются Flash BIOS, BIOSом, который в любой момент может быть перезаписан в микросхеме ROM при помощи специальной программы. BIOS PC стандартизирован, поэтому, в принципе менять его, также как, например, операционные системы нет необходимости. Дополнительные возможности компьютера можно использовать только использованием нового программного обеспечения. BIOS, который поддерживает технологию Plug-and-Play, называется PnP BIOS. При использовании этой технологии BIOS должен быть обязательно прошит во Flash ROM.
PnP (Plug And Play) - "вставь и играйся". Обозначает технологию, которая сводит к минимуму усилия по подключению новой аппаратуры. PnP-карты не имеют перемычек конфигурации или особых программ настройки; вместо этого общий для компьтера PnP-диспетчер (отдельная программа либо часть BIOS или ОС) сам находит каждую из них и настраивает на соответствующие адреса, линии IRQ, DMA, области памяти, предотвращая совпадения и конфликты. PnP BIOS обычно обозначает BIOS с поддержкой такой настройки, однако настройка карт на азрличных шинах различается.
Для соединения блока питания с платой используется единый 20-контактный разъем. В стандарте ATX оговорен также необязательный разъем, через который с блока питания на плату подается информация о частоте вращения вентилятора, а с платы в блок питания - сигнал управления вентилятором и контрольный уровень напряжения 3.3 В для более точной его стабилизации. Наружные интерфейсные разъемы располагаются в области верхнего правого угла платы и могут устанавливаться друг над другом. Для разъемов расширения отведена левая половина платы (до семи разъемов); за счет вынесения процессора на правую сторону ограничения на длину устанавливаемых плат отсутствуют. Разъемы для модулей памяти расположены посередине, а интерфейсные разъемы дисков - в правом нижнем углу, в непосредственной близости от самих дисков. Выпускаются также стандартные платы формата AT, имеющие разъем для блока питания ATX и поддерживающие управление сетевым питанием.
Основные параметры материнской платы
1) Прежде всего - поколением процессора, под который она предназначена. Специальная материнская плата существует для каждого поколения процессора. Установить процессор одного поколения в материнскую плату другого чаще всего просто невозможно.
2) Диапазоном поддерживаемых процессоров в рамках одного поколения. Чем дороже и качественнее плата, тем больше процессоров она сможет поддержать.
3) Частотой системной шины. Это - величина, прямо связанная с частотой и скоростью процессора. Процессор фактически умножает рабочую частоту материнской платы - в 2, 3 и более раз (на выборе сочетания одного из коэффициентов с частотой системной шины и основан способ так называемого разгона процессоров.
4) Базовым набором микросхем - чипсетом. Для каждого типа материнской платы существует несколько основных чипсетов, различающихся по предоставляемым ими возможностям и, соответственно, ценам.
5) Фирмой-производителем.
6) Форматом материнской платы (форм-фактором), то есть способом расположения на плате основных микросхем, слотов и т.д.
7) Базовым набором слотов и разъемов. При выборе платы следите, чтобы на ней имелось достаточно всех необходимых слотов.
8) Наличием интегрированных устройств. На многих современных материнских платах вы можете встретить целый ряд "встроенных" устройств - таких, например, как видеокарта и звуковая плата.
9) Поддержкой режима SATA (последовательный интерфейс), обеспечивающего возможность работы с "быстрыми" жесткими дисками.
10) Поддержкой "зеленого" (Green) режима экономии электроэнергии.
Микропроцессоры. Структура Intel x86: УУ, АЛУ, память, интерфейс. Классификация по архитектуре системы команд: CISC и RISC. Параллельная архитектура.
Центральный процессор (ЦПУ, CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров (МП).
Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему — тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора.
Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.
Большинство современных процессоров для персональных компьютеров в общем основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретённого Джоном фон Нейманом.
Д. фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.
Этапы цикла выполнения:
Процессор выставляет число, хранящееся в регистре счётчика команд, на шину адреса, и отдаёт памяти команду чтения;
Выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;
П роцессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет её;
Если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счётчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;
Снова выполняется п. 1.
Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).
Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.
Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.
Основные компоненты микропроцессора
Устройство управления (УУ) – вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки Э
ВМ
Регистр команд – запоминающий регистр, хранит код команды: код выполняемой операции и адреса операндов
Дешифратор операции – логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов
ПЗУ микропрограмм – хранит управляющие сигналы, необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации
Узел формирования адреса - устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам , поступающим из регистра команд и регистров МПП
КШД, КША и КШИ – часть внутренней интерфейсной шины микропроцессора
А
рифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.
Микропроцессорная память (кэш) – предназначена для кратковременного хранения информации, участвующей в вычислениях в ближайшие такты работы процессора. Имеет небольшой объём (до нескольких Мб), но очень высокое быстродействие (время доступа измеряется нс).
Интерфейсная часть микропроцессора – предназначена для связи и согласования МП с системной шиной ПК, а также для формирования полных адресов операндов и команд.
Конвейерная архитектура
Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера.
После освобождения k-й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.
Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц времени (так как для выполнения команды по прежнему необходимо выполнять выборку, дешифрацию и т. д.), и для исполнения m команд понадобится единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд понадобится всего лишь n + m единиц времени.
Факторы, снижающие эффективность конвейера:
простой конвейера, когда некоторые ступени не используются (напр., адресация и выборка операнда из ОЗУ не нужны, если команда работает с регистрами);
ожидание: если следующая команда использует результат предыдущей, то последняя не может начать выполняться до выполнения первой (это преодолевается при использовании внеочередного выполнения команд, out-of-order execution);
очистка конвейера при попадании в него команды перехода (эту проблему удаётся сгладить, используя предсказание переходов).
Некоторые современные процессоры имеют более 30 ступеней в конвейере, что увеличивает производительность процессора, однако приводит к большому времени простоя (например, в случае ошибки в предсказании условного перехода.)
Суперскалярная архитектура
Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности.
CISC-процессоры
Complex Instruction Set Computing — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд. Типичными представителями CISC является семейство микропроцессоров Intel x86 (хотя уже много лет эти процессоры являются CISC только по внешней системе команд). Философия проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:
Нефиксированным значением длины команды.
Исполнение операций, таких как загрузка в память, арифметические действия кодируется в одной инструкции.
Небольшим числом регистров, каждый из которых выполняет строго определенную функцию.
Типичными представителями являются процессоры на основе x86 команд (исключая современные Intel Pentium 4, Pentium D, Core, AMD Athlon, Phenom которые являются гибридными).
Наиболее распространённая архитектура современных настольных, серверных и мобильных процессоров построена по архитектуре Intel x86 (или х86-64 в случае 64-разрядных процессоров). Формально, все х86-процессоры являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel486DX, являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC.
В микропроцессор встраивается аппартный транслятор, превращающий команды x86 в команды внутреннего RISC-процессора. При этом одна команда x86 может порождать до 4 RISC-команд. Исполнение команд происходит на суперскалярном конвейере одновременно по несколько штук.
Это потребовалось для увеличения скорости обработки CISC-команд, так как известно, что любой CISC-процессор уступает RISC-процессорам по количеству выполняемых операций в секунду. В итоге, такой подход и позволил поднять производительность CPU.
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. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).
Это философия проектирования процессоров, которая во главу ставит следующий принцип: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее. Простая архитектура позволяет как удешевить процессор, так и поднять тактовую частоту. Многие ранние RISC-процессоры даже не имели команд умножения и деления.
Идея создания RISC процессоров пришла после того как в 1970-х годах ученые из IBM обнаружили, что многие из функциональных особенностей традиционных ЦПУ игнорировались программистами. Отчасти это был побочный эффект сложности компиляторов. В то время компиляторы могли использовать лишь часть из набора команд процессора. Следующее открытие заключалось в том, что, поскольку некоторые сложные операции использовались редко, они как правило были медленнее, чем те же действия, выполняемые набором простых команд. Это происходило из-за того что создатели процессоров тратили гораздо меньше времени на улучшение сложных команд, чем на улучшение простых.
Первые RISС-процессоры были разработаны в начале 1980-х годов в Стэнфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50 − 100) набор команд, тогда как обычные CISC (Сomplex Instruction Set computer) выполняли 100—200.
Характерные особенности RISC-процессоров:
Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды.
Одна инструкция выполняет только одну операцию с памятью — чтение или запись. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют.
Большое количество регистров общего назначения (32 и более).
Наиболее широко используемые в настольных компьютерах процессоры архитектуры x86 ранее являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel486DX, являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC.
MISC-процессоры
Minimum Instruction Set Computing — вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд). Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно большое слово. Это позволило использовать возросшую производительность компьютера и его возможность обрабатывать одновременно несколько потоков данных. Кроме этого MISC использует стековую модель вычислительного устройства и основные команды работы со стеком Forth языка. MISC принцип может лежать в основе микропрограммы выполнения Java и Net программ, хотя по количеству используемых команд они нарушают принцип MISC
Кэширование
Кэширование — это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.
Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней. Кэш 1-го уровня имеет наименьшую латентность (время доступа) но малый размер, кроме того кэши первого уровня часто делаются многопортовыми. Так процессоры AMD K8 умели производить 64 бит запись+64 бит чтение либо два 64-бит чтения за такт, процессоры Intel Core могут производить 128 бит запись+128 бит чтение за такт. Кэш 2-го уровня обычно имеет значительно большие латентности доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3-го уровня самый большой по объёму и довольно медленный, но всё же он гораздо быстрее, чем оперативная память.
|
