BIOS
BIOS (Basic Input-Output System — базовая система ввода-вывода) — небольшая программа, находящаяся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) и отвечающая за самые базовые функции интерфейса и настройки оборудования, на котором она установлена. Другими словами, можно сказать, что BIOS — основа работы вычислительной системы, так как отвечает за самые базовые функции компьютера (аналогично системе рефлексов у человека).
Наиболее широко среди пользователей компьютеров известна BIOS материнской платы, но BIOS присутствуют почти у всех компонентов компьютера: у видеоадаптеров, сетевых адаптеров, модемов, дисковых контроллеров, принтеров. BIOS материнской платы отвечает за инициализацию (подготовку к работе), тестирование и запуск всех ее компонентов.
Операционная система и прикладные программы работают с аппаратным обеспечением компьютера посредством BIOS, которая переводит понятные пользователю команды операционной системы на язык, понятный компьютеру.
BIOS материнской платы
Физически BIOS — это набор микросхем постоянной памяти (ROM, Read Only Memory — только для чтения), расположенных на материнской плате. Поэтому микросхему иногда называют ROM BIOS.
Если заглянуть под крышку системного блока, то на материнской плате можно обнаружить микросхему с голографической наклейкой с надписью и логотипом, означающим производителя BIOS. Рядом обязательно будет круглый аккумулятор, питающий микросхему CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor — энергозависимая память, применяемая для хранения установок BIOS).
BIOS Setup Utility
Среди программ, содержащихся в BIOS, имеется программа настройки параметров BIOS Setup Utility, которая позволяет изменять данные, хранящиеся в памяти CMOS, с помощью системы меню.
Для обеспечения правильной работы операционной системы и прикладных программ с помощью BIOS Setup Utility вводятся параметры всех компонентов компьютера, начиная от оперативной памяти и рабочей частоты процессора и заканчивая режимом работы принтера и других периферийных устройств. Правильно настроив содержимое BIOS вашего компьютера, можно увеличить производительность его работы до 30%.
Замечание: неосторожные действия пользователя, как правило, не могут привести к физическому повреждению компьютера — он может лишь перестать загружаться. Это легко исправить. Современные BIOS имеют довольно обширные средства автоконфигурирования, поэтому роль пользователя в установке «правильных» параметров можно свести к минимуму. В последнее время в программе установки параметров появился пункт «Загрузить оптимизированные параметры». Выбор этого пункта позволяет пользователю установить параметры «параметры по умолчанию» для имеющегося оборудования.
Как войти в BIOS Setup Utility
Программа установки параметров BIOS Setup Utility недоступна пользователю во время работы компьютера. Вход в BIOS Setup Utility обычно выполняется путем нажатия клавиши [Del] во время загрузки компьютера. Так же встречаются версии BIOS, вход в настройки которой выполняется с использованием других клавиш или их сочетаний.
В данной лабораторной работе для входа в BIOS будет использован наиболее распространенный вариант (клавиша [Del]).
Порядок выполнения работы
1 часть
На персональном компьютере включить программу для тестирования материнской платы и заполнить таблицу (например, программа Aida)
Характеристика
|
Значение
|
Производитель материнской платы
|
|
Наименование материнской платы
|
|
Форм-фактор
|
|
Процессорный интерфейс
|
|
Северный мост
|
|
Южный мост
|
|
Частота системной шины
|
|
Тип оперативной памяти
|
|
Количество слотов для ОП
|
|
Максимальная пропускная способность ОП
|
|
Максимальный объём оперативной памяти
|
|
Количество слотов PCI
|
|
Пропускная способность IDE
|
|
Название поддерживаемого протокола для IDE
|
|
Количество разъёмов USB
|
|
Пропускная способность USB
|
|
Наличие встроенной звуковой карты
|
|
Наличие встроенной видеокарты
|
|
Наличие встроенной сетевой карты
|
|
Количество портов LPT
|
|
Количество портов COM
|
|
Количество портов PS/2
|
|
Количество игровых портов
|
|
Количество аудиоразъёмов
|
|
2 часть
Опираясь на теоретический материал
Узнать тип и версию BIOS/ UEFI.
Узнать дату создания BIOS /Uefi.
Установленный и максимально поддерживаемый размер памяти.
Определить параметры накопителей, подключенных к каналам стандартного IDE/SATA-контроллера.
Определить текущий порядок опроса накопителей при загрузке.
Изменить порядок опроса накопителей при загрузке так, чтобы в первую очередь опрашивался CDROM, затем жесткий диск. Остальные носители не опрашиваются.
Отчет
Отчет должен содержать:
наименование работы;
цель работы;
задание;
последовательность выполнения работы;
ответы на контрольные вопросы;
вывод о проделанной работе.
Контрольные вопросы
1. Перечислите программы для тестирования материнской платы.
2. Какие основные производители чипсетов?
3. Дайте определение термину утилита?
Практическая работа № 4 Тестирование ЦП. Определение основных характеристики процессоров.
Тема программы: Технические характеристики современных компьютеров
Цели: изучение общих принципов структурной организации ЦП, а также алгоритма выполнения процессором команд; изучить характеристики процессора.
Время выполнения: 2 часа
Оборудование: учебный персональный компьютер.
Программное обеспечение: операционная система, презентация, тестовые программы.
Теоретические основы
На рисунке 1 представлены важнейшие компоненты микропроцессора, а также его связь с основной памятью при помощи трех магистралей данных, адресов и управления. В состав МП входят устройство управления (УУ), арифметическо-логическое устройство (АЛУ) и набор регистров.
Устройство управления предназначено для управления работой всех компонентов микрокомпьютера и обеспечения должного взаимодействия различных компонентов друг с другом. Управление осуществляется с помощью импульсных сигналов, посылаемых УУ на соответствующие входы управляемых компонентов. Кроме того, УУ может получать ответные сигналы с управляемых компонентов.
Рисунок 1 – Микропроцессор и его связи с основной памятью
Физически УУ представляет собой цифровую электронную схему, на вход которой поступают коды подлежащих выполнению операций, а входом являются серии управляющих сигналов. Восприняв код той или иной операции, УУ формирует цепочку управляющих сигналов и подает их в нужные точки микрокомпьютера.
Арифметическо-логическое устройство предназначено для исполнения арифметических и логических операций. Основу АЛУ составляет операционный блок – цифровое электронное устройство, которое может настраиваться на различные операции и непосредственно осуществлять их. Настройка операционного блока на конкретную операцию и последовательность шагов ее выполнения обеспечиваются с помощью управляющих сигналов от УУ.
Регистры являются важными элементами микропроцессора. Регистр – это электронное цифровое устройство для временного запоминания информации в форме двоичного числа или кода. Запоминающим элементам в регистре является триггер, который может находиться в одном из двух состояний. Одно из этих состояний соответствует запоминанию двоичного нуля, а другое – запоминанию двоичной единицы. В общем случае регистр содержит несколько связанных друг с другом триггеров – по одному триггеру на каждый разряд запоминаемого двоичного числа. Число триггеров в регистре называется разрядностью регистра. Например, регистр из восьми триггеров – это 8-разряюный или 8-битовый регистр (так как каждый разряд регистра обеспечивает хранение одного бита информации).
Многие регистры специализированы по своей функции. Так, существуют регистр-аккумулятор или просто аккумулятор, программный счетчик, регистр команд, регистр адреса памяти и т.д. Аккумулятор входит в АЛУ и предназначен для хранения одного из операндов перед выполнением операции в АЛУ или для кратковременного запоминания результата операции. Операнд – это данное, используемое в текущей операции. Например, в операции суммирования операндами являются оба слагаемых.
Программный счетчик (счетчик команд, регистр адреса команды) служит для формирования и запоминания адреса очередной выполняемой команды. После выполнения каждой команды программный счетчик содержит адрес следующей команды, по которому эта команда хранится в памяти микрокомпьютера.
Регистр команд используется для хранения кода текущей выполняемой команды. Входящий в состав команды код операции используется, как уже говорилось, для формирования в УУ определенной серии управляющих сигналов, зависящей от конкретного кода операции. Оставшаяся часть кода команды может содержать информацию об адресах операндов, участвующих в выполнении данной команды.
Регистр адреса памяти служит для запоминания адреса кода команды, операнда или результата операции во время извлечения (чтения) команды или операнда из памяти или записи результата операций в память. Регистр адреса памяти может входить не в состав МП, а в состав элементов памяти микрокомпьютера.
Изменить роль специализированных регистров или даже узнать их содержимое программным путем нельзя, т.е. эти регистры, как говорят, программно-недоступны. Но в состав МП входят и регистры, которые программист может использовать в своей программе. Такие регистры микропроцессора называются программно-доступными. Состав и назначение их различны в разных типах микропроцессоров. Однако среди них почти всегда имеются регистр слова состояния процессора (РССП) и несколько регистров общего назначения (РОН).
Регистр слова состояния процессора хранит слово состояния процессора (ССП), отражающее информацию о состоянии МП и выполняемой им программы в каждый данный момент времени.
Регистры общего назначения обычно не имеют конкретного функционального назначения. Программист может в своей программе задействовать их так, как он считает нужным. Чтобы отличить РОНы друг от друга им присвоены уникальные имена (или номера), которые и записываются в программе.
Основная память. Микропроцессор может обрабатывать только те данные, которые находятся в основной памяти. Основная память обычно состоит из двух частей – ОЗУ и ПЗУ.
Оперативное запоминающее устройство обеспечивает чтение находящихся в нем данных и запись в него новых данных. В микрокомпьютерах ОЗУ обычно реализуется как энергозависимая память, т.е. такая память, содержимое которой разрушается (“стирается”) при выключении микрокомпьютера.
Постоянное запоминающее устройство обеспечивает только чтение данных, которые однажды были записаны в ПЗУ. Таким образом, содержимое ПЗУ не может быть изменено микропроцессором, оно постоянно (отсюда и название этого вида памяти). Это устройство создается как энергонезависимая память: ее содержимое не “стирается” при выключении питания микрокомпьютера. Запись нужных данных в ПЗУ осуществляется на специальных устройствах, вне микрокомпьютера. В ПЗУ помещают обычно некоторые особо важные или не подлежащие изменению программы и разнообразные константы.
Основная память представлена в совокупности блока ячеек памяти и регистра адреса. Процесс чтения (выборки) информации из ячейки или записи (занесения) информации в ячейку называется доступом к памяти. Для доступа к памяти предварительно по магистрали адреса в регистр адреса должен быть помещен адрес той ячейки, к которой производится доступ.
В состав МП входит генератор тактовой частоты. Он предназначен для синхронизации (т.е. согласования во времени) работы компонентов микрокомпьютера. Генератор формирует периодическую последовательность импульсов с частотой от нескольких сотен килогерц до нескольких мегагерц в зависимости от типа микропроцессора. Напомним, что герц – это единица измерения частоты колебаний, равная одному колебанию в секунду.
Регистры
Регистры процессора можно разделить на следующие группы:
регистры общего назначения;
сегментные регистры;
регистр указателя команд и флаговый регистр;
регистры дескрипторов;
управляющие регистры;
регистры системных адресов;
отладочные регистры;
тестовые регистры.
Регистры общего назначения являются 32 разрядными. При этом для сохранения совместимости с младшими моделями процессор 80386 поддерживает структуру регистровых файлов процессоров 8086 и 80286, действительны все наименования, применявшиеся для обозначения 16- и 8-разрядных регистров.
Процессоры класса Pentium
Процессоры Pentium фирмы Intel представляют пятое поколение процессоров семейства 80х86. По базовой регистровой архитектуре и системе команд они совместимы с 32-битными процессорами, но имеют 64-битную шину данных, благодаря чему их иногда ошибочно называют 64-разрядными. По сравнению с предыдущими поколениями процессоры Pentium имеют следующие качественные отличия:
Суперскалярная архитектура: процессор имеет два параллельно работающих конвейера обработки (U-конвейер с полным набором и V-конвейеи с несколько ограниченным набором инструкций), благодаря чему он способен одновременно выполнять две инструкции. Однако преимущества этой архитектуры полностью реализуются только при специальном режиме компиляции ПО;
Применение технологии динамического предсказания ветвлений совместно с выделенным внутренним кэшем команд объемом 8 Кбайт обеспечивает максимальную загрузку конвейеров.
Применение технологии динамического предсказания ветвлений совместно с выделенным внутренним кэшем команд объемом 8 Кбайт обеспечивает максимальную загрузку конвейеров.
Внутренний (Level 1) кэш данных объемом 8 Кбайт в отличие от 486 работает с отложенной (до освобождения внешней шины) записью и настраивается на режим сквозной или обратной записи, поддерживая протокол MESI.
Внешняя шина данных ради повышения производительности имеет разрядность 64 бит, что требует соответствующей организации памяти.
Встроенный сопроцессор за счет архитектурных улучшений (конвейеризации) в 2-10 раз превосходит FPU-486 по производительности.
Введено несколько новых инструкций, в том числе распознавание семейства и модели CPU.
Применено выявление ошибок внутренних устройств (внутренний контроль паритета) и внешнего интерфейса шины, контролируется паритет шины адреса.
Введена возможность построения функционально избыточной двухпроцессорной системы.
Реализован интерфейс построения двухпроцессорных систем с симметричной архитектурой (начиная со второго поколения Pentium).
Введены средства управления энергопотреблением.
Применена конвейерная адресация шинных циклов.
Сокращено время (количество тактов) выполнения инструкций.
Введена трассировка инструкций и мониторинг производительности.
Расширены возможности виртуального режима — введена виртуализация флага прерываний.
Введена возможность оперирования страницами размером 4 Мб (вместо 4 Кб) в режиме страничной переадресации (Paging).
Все Pentium-процессоры имеют средства SMM, возможности которых расширялись по мере появления новых моделей.
Средства тестирования включают возможность выполнения встроенного теста BIST (Built-in Self Test), обеспечивающего выявление ошибок микрокодов, программируемых логических матриц, тестирование командной кэш-памяти, кэш-памяти хранения данных, буфера быстрой переадресации и ROM. Все процессоры имеют стандартный тестовый порт IEEE 1149.1, позволяющий тестировать процессор с помощью интерфейса JTAG.
Процессоры Pentium MMX (P55C) — новое поколение процессоров, основанное на ММХ-технологии, которая ориентирована на мультимедийное, 2D - и SD-графическое и коммуникационное применение. В логическую архитектуру Pentium введены восемь 64-битных регистров, 4 новых типа данных и 57 дополнительных мнемоник инструкций для одновременной обработки нескольких единиц данных SIMD (Single Instruction Multiple Data). Одновременно обрабатываемое 64-битное слово может содержать как одну единицу обработки, так и 8 однобайтных, 4 двухбайтных или 2 четырехбайтных операнда. В остальных командах обеспечивается совместимость с Pentium. На самом деле, регистры MMX физически расположены в стеке регистров FPU, так что новых регистров этот процессор не предоставляет, и чередование использования программой инструкций FPU и MMX приводит к снижению эффективности работы, связанному с необходимостью пересылок данных из стека в память и обратно. Эффективность MMX вызывает некоторые сомнения, поскольку те функции, для которых они целесообразны, с успехом выполняются акселераторами графических карт, которые стали уже обыденными.
Интерфейс шины процессоров Pentium
По интерфейсу и составу сигналов шина процессора Pentium похожа на шину 486, но имеет значительные отличия. Новые особенности направлены на поддержку политики обратной записи кэша, повышение производительности и обеспечение дополнительных функциональных возможностей.
Шина данных - 64-битная, для повышения производительности обмена с памятью.
Расширения архитектуры
Процессоры Pentium (и более старшие) имеют ряд расширений относительно базовой архитектуры 32-разрядных процессоров и ее развития в процессорах четвертого поколения, появляющихся по мере совершенствования моделей. Для возможности получения сведений о них в систему команд включена инструкция CPUID, позволяющая программно в любой момент времени (а не только сразу после сигнала RESET) получить сведения о классе, модели и архитектурных особенностях конкретного процессора.
В дополнение к базовой архитектуре 32-разрядных процессоров, Pentium имеет набор регистров, специфических для модели — MSR (Model Specific Registers). В их число входит группа тестовых регистров (TR1...TR12), средства мониторинга производительности, регистры-фиксаторы адреса и данных цикла, вызвавшего срабатывание контроля машинной ошибки. Название этой группы регистров указывает на возможную их несовместимость для разных классов (Pentium и Pentium Pro) и даже моделей процессоров. Программа, их использующая, должна опираться на сведения о процессоре, полученные с помощью инструкции CPUID.
Средства мониторинга производительности включают таймер реального времени и счетчики событий. Таймер TSC (Time Stamp Counter) представляет собой 64-битный счетчик, инкрементируемый с каждым тактом ядра процессора. Для чтения его содержимого предназначена инструкция RDTSC.
Счетчики событий CTRO, CTR1 разрядностью по 40 бит программируются на подсчет событий различных классов, связанных с шинными операциями, исполнением инструкций, событиями во внутренних узлах, связанных с работой конвейеров, кэша, контролем точек останова и т. п. Шести битные поля типов событий позволяют каждому из счетчиков независимо назначить подсчет событий из обширного списка. Состояние счетчиков может быть предустановленно и считано программно.
Тестовые регистры позволяют управлять большинством функциональных узлов процессора, обеспечивая возможность весьма подробного тестирования их работоспособности. С помощью бит регистра TR12 можно запретить новые архитектурные свойства (предсказание и трассировку ветвлений, параллельное выполнение инструкций), а также работу первичного кэша:
Бит 0 — NBP (No Branch Prediction) — запрещает заполнение буфера ВРВ. При этом прежние вхождения продолжают действовать, для полного отключения предсказания необходимо загрузить регистр CR3 (это вызовет сброс таблицы ветвлений).
Бит 1 — TR — разрешает формирование специального цикла сообщения о ветвлении.
Бит 2 — SE (Single Pipe Execution) — запрещает работу второго конвейера (отменяет парное исполнение инструкций).
Бит 3 — (3 (Cache Inhibit) - запрещает заполнение строк первичного кэша.
Бит 9 — ITR (10 Trap Restart) — разрешает поддержку рестарта инструкций ввода/вывода при прерываниях SMI.
Двухпроцессорные системы
Процессоры Pentium, начиная со второго поколения, имеют специальные интерфейсные средства для построения двухпроцессорных систем. Интерфейс позволяет на одной локальной системной шине устанавливать два процессора, пру этом почти все их одноименные выводы просто непосредственно объединяются Целью объединения является либо использование симметричной мультипроцессорной обработки SMP (Symmetric Multi-Processing), либо построение функционально избыточных систем FRC (Functional Redundancy Checking).
В системе с SMP каждый процессор выполняет свою задачу, порученную ему операционной системой. Поддержку SMP имеют такие ОС, как Novell Net Ware, Widows NT, OS/2.
Процессоры Pentium Pro и Pentium II
От процессора Pentium Pro принято отсчитывать начало шестого поколения С точки зрения принципа организации вычислений, главное отличие поколения заключается в применении динамического исполнения, при котором внутри процессора инструкции могут исполняться не в том порядке (out of order), который предполагает программный код.
Процессор Pentium Pro (P6) относительно классического процессора Pentium имеет следующие усовершенствования:
Применено динамическое исполнение — комбинация методов предсказания множественных ветвлений, анализа прохождения данных и виртуального выполнения. При этом команды, не зависящие от результатов предыдущих операций, могут выполняться в измененном порядке, но последовательность выгрузки результатов в память и порты будет соответствовать исходному программному коду.
Применена архитектура двойной независимой шины, повышающая суммарную пропускную способность. Одна шина — системная — служит для общения ядра с основной памятью и интерфейсными устройствами, другая — внутренняя — предназначена исключительно для обмена со вторичным кэшем.
В корпусе процессора интегрирован синхронный L2-кэш объемом 256-512 Кбайт, подключенный к внутренней шине.
В систему команд введены инструкции условной пересылки данных, позволяющие сократить количество условных переходов.
Для повышения достоверности шина поддерживает ЕСС-контроль.
Порядок выполнения работы
Задание 1.
Запустить программу Everest
Найти и записать в тетрадь характеристики процессора (ЦП):
КЭШ
Технологический процесс (расстояние между дорожками в нанометрах)
Размер корпуса
Количество контактов (pin)
Напряжение питания ядра ЦП
Максимально возможная температура ядра
Текущая температура ЦП
Провести тестирование общей производительности процессора (Тест – CPU Queen) и ответить на вопрос: на каком месте находится ЦП в ряду известных программе Everest процессоров.
Задание 2. Система команд процессора
Вариант 1 (если нечетный компьютер)
В таблице указаны коды операций системы команд некоторого процессора, а также адреса и содержимое некоторых ячеек памяти.
-
Операция
|
Код
|
|
Адрес ячейки
|
Содержимое
|
Считать
|
01
|
|
0001
|
20
|
Записать
|
02
|
|
0002
|
5
|
Вычесть
|
03
|
|
0003
|
10
|
Сложить
|
04
|
|
0004
|
27
|
Разделить
|
05
|
|
0005
|
512
|
Умножить
|
06
|
|
0006
|
12
|
|
|
|
0007
|
|
|
|
|
0008
|
|
Формат команды: [код операции][адрес ячейки]
Каким будет содержимое ячеек после выполнения следующих команд:
А)
|
010001
060002
050003
040004
020007
|
|
Б)
|
010002
060003
060003
040006
020007
010007
030006
020008
010005
030008
020008
|
0007
|
|
|
0007
|
|
0008
|
|
|
0008
|
|
Вариант 2 (если четный компьютер)
В таблице указаны коды операций системы команд некоторого процессора, а также адреса и содержимое некоторых ячеек памяти.
Операция
|
Код
|
|
Адрес ячейки
|
Содержимое
|
Считать
|
01
|
|
0001
|
20
|
Записать
|
02
|
|
0002
|
5
|
Вычесть
|
03
|
|
0003
|
10
|
Сложить
|
04
|
|
0004
|
27
|
Разделить
|
05
|
|
0005
|
512
|
Умножить
|
06
|
|
0006
|
12
|
Перейти к команде, если результат равен 0
|
21
|
|
0007
|
|
|
|
|
0008
|
|
Формат команды: [код операции][адрес ячейки].
Каким будет содержимое ячеек после выполнения следующих команд:
А)
|
010003
030003
21040003
030006
020007
|
Б)
|
010001
040002
060006
020008
010008
050006
21020007
010003
040007
020007
|
0007
|
|
0007
|
|
0008
|
|
0008
|
|
Задание 3. Адресное пространство
Вариант 1 (если нечетный компьютер)
Рассчитайте адресное пространство процессора, у которого 24-х разрядная адресная шина.
Вариант 2 (если четный компьютер)
Рассчитайте адресное пространство процессора, у которого 16-и разрядная адресная шина.
Содержание отчета.
Отчет о практической работе должен содержать:
цель работы;
индивидуальные задания;
описание выполнения индивидуальных заданий;
ответы на контрольные вопросы;
выводы.
Контрольные вопросы
Поясните алгоритм выполнения команд процессором.
Когда ЦП может начать программу обслуживания прерывания?
Какой из регистров входит в состав АЛУ?
Чем определяется разрядность регистра?
Определите важные характеристики для процессора.
Какие основные параметры включают в понятие производительности компьютерной системы?
|
