Материнская плата ПК

Кыргызско - Российский Славянский Университет

Экономический факультет

Кафедра: “Математические методы и исследование операций в экономике”

Дисциплина: “Вычислительные машины и сети”

На тему: «Материнская плата ПК»

Выполнил: студент гр. ЭММ-1-00

Салихов Р.

Проверил: старший преподаватель

Меньшов В. Ю.

Бишкек-2002

Принципы Дж. фон Неймана.

Основные архитектурно-функциональные принципы построения ЭВМ были разработаны и опубликованы в 1946 г. венгерским математиком и фи­зиком Джоном фон Нейманом и его коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом в ставшем классическим отчете «Предварительное обсуждение логического конструи­рования электронного вычислительного устройства».

Рис 1. Структурная схема функционирования ЭВМ




Вот эти основные принципы:

       1. Вычислительная машина должна состоять из следующих частей:

? Устройство управления (УУ) - устройство, руководящее порядком выполнением операций, координирующее работу вычислительной машины в целом и взаимосвязь ее с дополнительными устройствами. УУ формирует команды управления устройствами (управляющие импульсы) и отправляет их в определенные моменты времени. Формирует адреса ячеек памяти, и передает эти адреса другим устройствам ЭВМ.

? Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией.

? Оперативное запоминающее устройство, или оперативная память (ОЗУ) - устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для хранения данных, участвующих в его операциях;

? Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) - устройство, предназначенное для длительного хранения больших массивов информации (дискета, жесткий диск, компакт-диск);

? Устройства ввода/вывода информации - предназначены для ввода в ЭВМ данных и вывода результатов.

       2. Программное управление работой ЭВМ. Про­граммы состоят из отдельных шагов - команд; ко­манда осуществляет единичный акт преобразования информации; последовательность команд, необходимая для реализации алгоритма, является программой; все разновидности команд, использующиеся в конкретной ЭВМ, в совокупности являются языком машины или системой команд машины.

       3. Принцип условного перехода. Это возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной уча­сток программы в зависимости от промежуточных, полу­чаемых в ходе вычислений, результатов. Благодаря принципу условного перехо­да, число команд в программе получается во много раз меньше, чем число выполненных машиной команд при исполнении данной программы за счет многократного вхождения в работу участков программы.

       4. Принцип хранимой программы. Этот один из са­мых важных принципов заключается в том, что команды представляются в числовой форме и хранятся в том же ОЗУ, что и исходные данные. Только команды для ис­полнения выбираются из ОЗУ в устройство управления (УУ), а числа (операнды) - в АУ; но для машины и команда, и число являются машинным словом, и если команду направить в АУ в качестве операнда, то над ней можно произвести арифметические операции, изме­нив ее. Это открывает возможности преобразования программ в ходе их выполнения; кроме того, принцип хранимой в ОЗУ программы обеспечивает одинаковое время выборки команд и операндов из ОЗУ для выпол­нения, позволяет быстро менять программы или части их, вводить непрямые системы адресации, видоизменять программы по определенным правилам.

       5. Принцип использования двоичной системы счис­ления для представления информации в ЭВМ. Этот принцип существенно расширил номенклатуру физиче­ских приборов и явлений, которые можно использовать в АУ и ЗУ ЭВМ. Действительно, в двоичной системе имеются только две цифры 0 и 1, поэтому они могут изо­бражаться положением любой системы с двумя устойчивыми состояниями, например триодом в открытом и закрытом состоянии, состоянием триггера, участком ферромагнитной по­верхности - намагниченным или не намагниченным, динамически - отсутствием или наличием электриче­ского импульса и т. п. Количество информации опреде­ляется единицей (бит) в двоичной системе счисления; к логическим схемам, построенным по двоичной системе счисления, может быть применен хорошо разработан­ный математический аппарат алгебры логики. Двоич­ная система единственно-возможная система представления информации в ЭВМ, на сегодняшний день.

       6. Принцип иерархичности ЗУ. С самого начала раз­вития ЭВМ существовало несоответствие между быс­тродействием АУ и ОЗУ; выполняя ОЗУ на тех же эле­ментах, что и логические устройства, удавалось частич­но разрешить это несоответствие, но такое ОЗУ получа­лось слишком дорогим и значительно увеличивало ко­личество радиоламп в ЦВМ, снижая в целом ее надеж­ность; иерархическое построение ЗУ позволяет иметь быстродействующее оперативное ЗУ (ОЗУ) сравнитель­но небольшой емкости только для операндов и команд, участвующих в счете в данный момент и в ближайшее время. Следующий более низкий уровень - это внешнее ЗУ (ВЗУ); ОЗУ достаточно бы­стро, за сотые доли секунды, может обменяться с ВЗУ целым массивом данных; емкость ВЗУ на порядок больше, чем емкость ОЗУ. Иерархичность ЗУ в ЭВМ является важным компромиссом между емкостью и быстрым доступом к данным, обеспечивающим требования быс­тродействия, большой емкости памяти, относительной дешевизны и надежности.

Микропроцессор.

Процессор, микропроцессор, центральный процессор (Central Processing Unit. CPU). Достаточно много названий, но суть одна - функционально - законченное программно - управляемое устройство, предназначенное для обработки информации, и выполненное на базе одной или нескольких больших или сверхбольших интегральных схем. На современных компьютерах может быть установлено несколько центральных процессоров, на персональных, как правило, только один центральный процессор. Но почти каждый современный компьютер имеет в своем составе несколько микросхем, выполняющих функции локального процессора: микросхема отвечающая за работу системной платы, микросхема отвечающая за работу контроллера гибких и жестких дисков и некоторые другие. В литературе их, как правило, называют не процессором, а более просто - чипом, чтобы различать с центральным процессором. Но, любой современный персональный компьютер можно, по праву, называть многопроцессорным устройством, хотя при этом центральный процессор установлен на данном компьютере только один.

У компьютеров пятого поколения функции центрального процессора вы­полняет микропроцессор (МП) - сверхбольшая интегральная схема (СБИС), реализован­ная в едином полупроводниковом кристал­ле площадью 0,1 см².

Выполнение микропроцессором ко­манды предусматривает арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную), перемещение данных из одного места па­мяти в другое и координацию взаимодей­ствия различных устройств ЭВМ.

Процессоры характеризуются скоростью (тактовой частотой) обработки информации и разрядностью.

При перемножении больших величин получаются значения, которые не умещаются в арифметическом устройстве, что сильно уменьшает скорость вычислений или совсем приводит к остановке ЭВМ. Для избежания этого нужно, чтобы числа имели масштаб меньше единицы. Поэтому в ЭВМ приняты формы представления чисел с плавающей запятой. Число, записанное в естественной форме, например 697,229, может быть представлено в такой форме, как 0,697229 • 10^3. Первая часть числа называется мантиссой, а вторая - порядком, порядок записывается только степенью основания счисления и определяет место запятой в мантиссе числа.

Для улучшения показателей при вы­полнении операций с плавающей запятой, на которые даже самые мощные универ­сальные микропроцессоры тратят доста­точно много времени, создано и использу­ется специальное устройство - математи­ческий сопроцессор. Эта интегральная схема, работающая во взаимодействии с центральным МП, предназначена только для выполнения математических опера­ций. В них нет нужды, если работа на компьютере идет с базами данных или обычными текстовыми редакторами, но если идет работа с электронными таблица­ми, с трехмерной графикой, издательски­ми пакетами, специаль­ными программами по математическому моделированию, то отсутствие математи­ческого сопроцессора существенно понижает производительность компьютера. Поэ­тому все МП фирмы Intel, начиная с i486, имеют встроенные сопроцессоры, что за­метно повышает их производительность.

Интерфейсная система микропроцессора. Реализует сопряжение и связь с другими компонентами ПК. Включает в себя внутренний интерфейс процессора, буферные запоминающие регистры, схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.

Системная шина. Основная интерфейсная система ПК, обеспечивающая сопряжение и связь всех устройств между собой. Системная шина обеспечивает передачу данных между:
1.   Микропроцессором и основной памятью;
2.   Микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
3.   Основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, подключаются либо непосредственно, либо через специальные устройства - контроллеры. Управление системной шиной осуществляется процессором.

Chip Set

Chipset- это набор или одна микросхема, на которую и возлагается основная нагрузка по обеспечению центрального процессора данными и командами, а также, по управлению периферией (видео карта, звуковая система, оперативная память, дисковые накопители и различные порты ввода/вывода). Они содержат в себе контроллеры прерываний прямого доступа к памяти, 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, по количество выводов от нескольких десятков до двух сотен. Последние разработки Chipset'а используют собственные имена; в ряде случаев это - фирменное название (INTEL, VIA, Viper). 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.д. Chipset системной платы содержит устройства управления (контроллеры) для клавиатуры, флоппи-диска, винчестера, CD-ROMа, мыши и др., и организует взаимодействие между процессором и другими узлами компьютера. Chipset’ом также называют и другие специализированные наборы, например, графический Chipset для видеокарты.

BIOS

Basic Inрut Outрut System - основная система ввода - вывода, зашитая в ПЗУ (отсюда название ROM BIOS). Назначение состоит в выполнении наиболее простых и универ­сальных услуг операционной системы, связанных с осуществлением ввода-вывода. Она представляет собой набор программ проверки и обслуживания аппаратуры компьютера, и выполняет роль посредника между DOS и аппаратурой. BIOS получает управление при включении и сбросе системной платы, тестирует саму плату и основные блоки компьютера - видеоадаптер, клавиатуру, контроллеры дисков и портов ввода/вывода, настраивает Chiрset платы и загружает внешнюю операционную систему. При работе под DOS и Windows BIOS управляет основными устройствами, при работе под OS/2, UNIX, Windows NT - BIOS практически не используется, выполняя лишь начальную проверку и настройку.

Раньше BIOS зашивался в однократно программируемые ПЗУ либо в ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием; сейчас в основном выпускаются платы с электрически перепрограммируемыми ПЗУ (Flash ROM), которые допускают перешивку BIOS средствами самой платы. Это позволяет исправлять заводские ошибки в BIOS, изменять заводские умолчания, программировать собственные экранные заставки и т.п. Тип микросхемы ПЗУ обычно можно определить по маркировке: 27 xxxx обычное ПЗУ, 28xxxx или 29xxxx - flash. Если на корпусе микросхемы 27xxxx есть прозрачное окно - это ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием, которое можно «перешить» программатором; если окна нет - это однократно программируемое ПЗУ.

Составные части BIOS.

BIOS - Базовая система ввода-вывода (Basic Input Output System) называется так потому, что включает в себя обширный набор программ ввода-вывода, благодаря которым операционная система и прикладные программы могут взаимодействовать с различными устройствами как самого компьютера, так и подключоными к нему. Вообще говоря, в PС система BIOS занимает особое место. С одной стороны, ее можно рассматривать как составную часть аппаратных средств, с другой стороны, она является как бы одним из програмных модулей операционной системы. Сам термин BIOS, видимо, заимствован из операционной системы CP/M, в которой модуль с подобным названием был реализован програмно и выполнял примерно подобные действия.

Большинство современных видеоадаптеров, а также контроллеры накопителей имеют собственную систему BIOS, которая обычно дополняет системную. Во многих случаях программы, входящие в конкретную BIOS, заменяют соответствующие програмные модули основной BIOS. Вызов программ BIOS, как правило, осуществляется через програмные или аппаратные прерывния.

Система BIOS в PС реализована в виде одной микросхемы, установленной на материнской плате компьютера. Заметим, что название ROM BIOS в настоящее время не совсем справедливо, ибо «ROM» - предполагает использование постоянных запоминающих устройств (ROM - Read Only Memory), а для хранения кодов BIOS в настоящее время применяются в основном перепрограммируемые (стираемые электрически или с помощью ультрафиолетового излучения) запоминающие устройства. Мало того, наиболее перспективным для хранения системы BIOS является сейчас флэш-память. Это позволяет легко модифицировать старые или добавлять дополнительные функции для поддержки новых устройств, подключаемых к компьютеру.

Поскольку содержимое ROM BIOS фирмы IBM было защищено авторским правом, то есть его нельзя подвергать копированию, то большинство других производителей компьютеров вынуждены были использовать микросхемы BIOS независимых фирм, системы BIOS которых, разумеется, были практически полностью совместимы с оригиналом. Наиболее известные из этих фирм три: American Megatrends Inc. (AMI), Award Software и Phoenix Technologies. Заметим, что конкретные версии BIOS неразрывно связаны с набором микросхем (chipset), используемым на системной плате. Кстати, компания Phoenix Technologies считается пионером в производстве лицензионно-чистых BIOS. Именно в них впервые были реализованы такие функции, как задание типа жесткого диска, поддержка привода флоппи-дисков емкостью 1,44 Мбайта и т.д. Более того, считается, что процедура POST этих BIOS имеет самую мощную диагностику. Справедливости ради надо отметить, что BIOS компании AMI наиболее распространены. По некоторым данным, AMI занимает около 60% этого сегмента рынка. Кроме того, из программы Setup AMI BIOS можно вызвать несколько утилит для тестирования основных компонентов системы и работы с накопителями. Однако при их использовании особое внимание следует обратить на тип интерфейса, который использует привод накопителя.

Система BIOS в компьютерах, неразрывно связана с CMOS RAM. Под этим понимается «неизменяемая» память, в которой хранится информация о текущих показаниях часов, значении времени для будильника, конфигурации компьютера: количестве памяти, типах накопителей и т.д. Именно в этой информации нуждаются программные модули системы BIOS. Своим названием CMOS RAM обязана тому, что эта память выполнена на основе CMOS-струкгур (CMOS-Complementary Metal Oxide Semiconductor), которые, как известно, отличаются малым энергопотреблением. Заметим, что CMOS-память энергонезависима только постольку, поскольку постоянно подпитывается, например, от аккумулятора, расположенного на системной плате, или батареи гальванических элементов, как правило, смонтированной на корпусе системного блока. Большинство системных плат допускают питание CMOS RAM как от встроенного, так и от внешнего источника.

В случае повреждения микросхемы CMOS RAM (или разряде батареи или аккумулятора) программа Setup имеет возможность воспользоваться некой информацией по умолчанию (BIOS Setup Default Values), которая хранится в таблице соответствующей микросхемы ROM BIOS. Кстати, на некоторых материнских платах питание микросхемы CMOS RAM может осуществляться как от внутреннего, так и от внешнего источника. Выбор определяется установкой соответствующей перемычки.

Программа Setup поддерживает установку нескольких режимов энергосбережения, например Doze (дремлющий), Standby (ожидания, или резервный) и Suspend (приостановки работы). Данные режимы перечислены в порядке возрастания экономии электроэнергии. Система может переходить в конкретный режим работы по истечении определенного времени, указанного в Setup. Кроме того, BIOS обычно поддерживает и спецификацию АРМ (Advanced Power Management). Впервые ее предложили фирмы Microsoft и Intel. В их совместном документе содержались основные принципы разработки технологии управления потребляемой портативным компьютером мощностью.

Напомним, что задание полной конфигурации компьютера осуществляется не только установками из программы Setup, но и замыканием (или размыканием) соответствующих перемычек на системной плате. Назначение каждой из них указано в соответствующей документации.

Память

Cache - память

Одним из способов повышения быстродействия МП является использование кэш-памяти (Cache - запас), расположенной между центральным процессором и ОЗУ. Cache - самая быстродействующая часть оперативной памяти, к которой процессор обращается напрямую, а не через системную шину. Она имеет относительно небольшой объем и хранит в себе наиболее часто используемые участки оперативной памяти, а так как время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше чем к оперативной, то среднее время доступа к памяти уменьшается.

Физически Cache представляет собой часть устройства процессора или отдельные микросхемы памяти. В современных компьютерах используются два уровня Cache'а: L1 (самый быстрый, но небольшого размера, первый уровень) внутри процессора, и L2 (второй уровень), который может находиться как внутри (Celeron "А"), так и снаружи (Pentium).

Функционально кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств с относительно быстрым МП

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с другими блоками компьютера. Делится на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
1.   ПЗУ (ROM) служит для хранения неизменяемой программной и справочной информации. Это различного рода параметры других устройств, а также записанные в BIOS программы проверки и обслуживания аппаратуры.

2.   ОЗУ (Оперативная память) - это обязательная составная часть компьютера, предназначенная для хранения переменной информации и допускающая изменение своего содер­жимого в ходе выполнения процессором операций по обработке информации. Вся информация, вводимая в ЭВМ и возника­ющая в ходе ее работы, хранится в этой памяти. ОП представляет собой совокупность ячеек, разделенных на раз­ряды для хранения в каждом бите инфор­мации. В любую ячейку памяти может быть записан некоторый набор нулей и единиц, образующий машинное слово - фиксированную, упорядоченную последо­вательность битов, рассматриваемую ап­паратной частью компьютера как единое целое. Машинное слово может быть раз­личной длины в зависимости от типа ЭВМ и определяет наиболь­шее число, которое может удерживаться в ячейке памяти. При байтовой архитектуре минимальной единицей измерения ин­формации является байт, а машинное сло­во (команда процессора) может равняться 2, 4 или 8 байтам. Следовательно, можно говорить об объеме памяти компьютера, измерять его в кило­байтах, мегабайтах, гигабайтах в соответ­ствии с количеством байтовых ячеек как дискретных структурных единиц памяти.

Помимо дискретности структуры свойством оперативной памяти является ее адресуемость. Все ячейки памяти про­нумерованы, номер ячейки - это ее адрес. Он позволяет отличать ячейки друг от дру­га, обращаться к любой ячейке, чтобы за­писать в нее новую информацию вместо старой или воспользоваться уже храня­щейся в ячейке, для выпол­нения каких-то действий с ней. При таком считывании хранящееся в ячейке слово не изменяется. В оперативной памяти в виде последовательности машинных слов хранятся как данные, так и программы. Поскольку в любой момент времени доступ может осу­ществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти также называют памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory).

Из микросхем памяти (RAM - Random Access Memory, память с произвольным доступом) используется два основных типа: статическая (SRAM - Static RAM) и динамическая (DRAM - Dynamic RAM).

В статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров - схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии сколь угодно долго - необходимо только наличие питания. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который при помощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки конкретных ячеек. Ячейки статической памяти имеют малое время срабатывания (единицы-десятки наносекунд), однако микросхемы на их основе имеют низкую удельную плотность данных (порядка единиц Мбит на корпус) и высокое энергопотребление. Поэтому статическая память используется в основном в качестве буферной (кэш-память).

В динамической памяти ячейки построены на основе областей с накоплением зарядов, занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. При записи бита в такую ячейку в ней формируется электрический заряд, который сохраняется в течение нескольких миллисекунд; для постоянного сохранения заряда ячейки необходимо регенерировать - перезаписывать содержимое для восстановления зарядов. Ячейки микросхем динамической памяти организованы в виде прямоугольной (обычно - квадратной) матрицы; при обращении к микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопровождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe - строб адреса строки), затем, через некоторое время - адрес столбца, сопровождаемый сигналом CAS (Column Address Strobe - строб адреса столбца). При каждом обращении к ячейке регенерируют все ячейки выбранной строки, поэтому для полной регенерации матрицы достаточно перебрать адреса строк. Ячейки динамической памяти имеют большее время срабатывания (десятки-сотни наносекунд), но большую удельную плотность (порядка десятков Мбит на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется в качестве основной.

Обычные виды SRAM и DRAM называют также асинхронными - потому, что установка адреса, подача управляющих сигналов и чтение-запись данных могут выполняться в произвольные моменты времени - необходимо только соблюдение временных соотношений между этими сигналами. В эти временные соотношения включены так называемые охранные интервалы, необходимые для стабилизации сигналов, которые не позволяют достичь теоретически возможного быстродействия памяти. Существуют также синхронные виды памяти, получающие внешний синхросигнал, к импульсам которого жестко привязаны моменты подачи адресов и обмена данными; помимо экономии времени на охранных интервалах, они позволяют более полно использовать внутреннюю конвейеризацию и блочный доступ.

FРM DRAM (Fast Рage Mode DRAM - динамическая память с быстрым страничным доступом) активно используется в последние несколько лет. Память со страничным доступом отличается от обычной динамической памяти тем, что после выбора строки матрицы и удержанием RAS допускает многократную установку адреса столбца, а также быструю регенерацию по схеме «CAS прежде RAS». Первое позволяет ускорить блочные передачи, когда весь блок данных или его часть находятся внутри одной строки матрицы, называемой в этой системе страницей, а второе - снизить накладные расходы на регенерацию памяти.

EDO (Extended Data Out - расширенное время удержания данных на выходе) фактически представляют собой обычные микросхемы FPM, на выходе которых установлены регистры-защелки данных. При страничном обмене такие микросхемы работают в режиме простого конвейера: удерживают на выходах данных содержимое последней выбранной ячейки, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки. Это позволяет примерно на 15 % по сравнению с FPM ускорить процесс считывания последовательных массивов данных. При случайной адресации такая память ничем не отличается от обычной.

BEDO (Burst EDO - EDO с блочным доступом) - память на основе EDO, работающая не одиночными, а пакетными циклами чтения/записи. Современные процессоры, благодаря внутреннему и внешнему кэшированию команд и данных, обмениваются с основной памятью преимущественно блоками слов максимальной ширины. В случае памяти BEDO отпадает необходимость постоянной подачи последовательных адресов на входы микросхем с соблюдением необходимых временных задержек - достаточно стробировать переход к очередному слову отдельным сигналом.

SDRAM (Synchronous DRAM - синхронная динамическая память) - память с синхронным доступом, работающая быстрее обычной асинхронной (FРM/EDO/BEDO). Помимо синхронного метода доступа, SDRAM использует внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке. SDRAM также поддерживает блочный обмен. Основная выгода от использования SDRAM состоит в поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, где не требуется дополнительных тактов ожидания. При случайном доступе SDRAM работает практически с той же скоростью, что и FPM/EDO.

РВ SRAM (Pipelined Burst SRAM - статическая память с блочным конвейерным доступом) - разновидность синхронных SRAM с внутренней конвейеризацией, за счет которой примерно вдвое повышается скорость обмена блоками данных.

Внешняя память используется для долговременного хранения информации. Этот вид памяти поддерживается использованием различных видов запоминающих устройств. Но основным можно считать накопители на жестких магнитных дисках. До недавнего времени достаточно большой процент занимали накопители на гибких магнитных дисках, но в настоящее время они все больше вытесняются накопителями, типа: CD, JAZ, ZIP и им подобными. Нельзя не сказать и о стримере, накопителе на магнитной ленте. Преобразование данных при передаче данных от системной шины к устройствам внешней памяти выполняется контроллером гибких и жестких дисков, или через стандартные параллельный или последовательный порты.

Шины и интерфейсы

Интерфейс - устройство сопряжения разных систем представления данных (может обеспечивать логическое и физическое взаимодействие систем и программ вычислительной системы или обмен информацией между пользователем и компьютером);

Отдельные компоненты системного блока связаны при помощи внутримашинного системного интерфейса, то есть системы связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой, который представлен совокупностью электрических линий связи, схем сопряжения с отдельными компонентами компьютера, протоколов передачи и преобразования сигналов.

Существует два варианта внутримашинного интерфейса:

Многосвязный интерфейс, когда каждый блок связан с другими своими локальными проводами.

Односвязный интерфейс, когда все блоки связаны друг с другом через общую или системную шину. Эта система получила наибольшее распространение.

В качестве системной шины используются шины двух типов:

Шины расширений, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств.

Локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого класса определенных устройств.

Шины расширений

Первая шина, которая была использована в семействе IBM PC, - это шина Multibus1. На ее основе создано две модификации:

Шина PC/XT bus (Personal Computer Extended Technology, буквально, персональный компьютер с расширенной технологией). 8 - разрядная шина данных и 20 - разрядная адресная шина, с тактовой частотой 4,77 Мгц. Содержит 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала прямого доступа в память (DMA - Direct Memory Access). Адресное пространство до 1 Мб. Использовалась с процессорами 8086, 8088.

Шина PC/AT bus (Personal Computer Advanced Technology - ПК с усовершенствованной технологией). 16 - разрядная шина данных и 24 разрядная адресная шина, с тактовой частотой до 8 Мгц, но может использоваться и с процессором на 16 Мгц, так как контроллер шины может делить частоту пополам. Содержит 7 линии для аппаратных прерываний и 4 канала DMA. Использовалась с процессорами 80286.

Шина ISA (Industry Standard Architecture - архитектура промышленного стандарта). 16 - разрядная шина данных и 24 разрядная адресная шина, с тактовой частотой до 8 Мгц, но может использоваться и с процессором до 50 Мгц. Содержит до 15 линии для аппаратных прерываний и до 11 каналов DMA. Адресное пространство увеличено до 16 Мб.

Шина EISA (Extended ISA - Расширенная архитектура промышленного стандарта). 32- разрядные шина данных и адресного пространства, была создана в 1989 году. Адресное пространство до 4 Гб. Пропускная способность 33 Мб/с. Полностью совместима с ISA.

Шина MCA (Micro Channel Architecture - микроканальная архитектура) - шина компьютеров РS/2 фирмы IBM. Не совместима ни с одной другой, разрядность - 32/32, (базовая - 8/24, остальные - в качестве расширений). Поддерживает Bus Mastering, имеет арбитраж и автоматическую конфигурацию, синхронная (жестко фиксирована длительность цикла обмена), предельная пропускная способность - 40 Мб/с. Выполнена на базе одно-трех секционном разъеме (такой же, как у VLB). Первая, основная, секция - 8-разрядная (90 контактов), вторая - 16-разрядное расширение (22 контакта), третья - 32-разрядное расширение (52 контакта). В основной секции предусмотрены линии для передачи звуковых сигналов. Дополнительно рядом с одним из разъемов может устанавливаться разъем видео расширения (20 контактов). EISA и MCA во многом параллельны, появление EISA было обусловлено собственностью IBM на архитектуру MCA.

Локальные шины

В связи со стремительным ростом быстродействия процессоров и появлением программ, требующих большого количества интерфейсных операций, разработчики пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине микропроцессора, и работающих на соответствующей тактовой частоте процессора.

Существует несколько основных стандартов универсальных локальных шин:

Шина VLB (VESA Local Bus - локальная шина стандарта VESA) - 32-разрядное дополнение к шине ISA создана в 1992 году Ассоциацией стандартов видео оборудования (VESA - Video Electronics Standards Association). Конструктивно представляет собой дополнительный разъем (116-контактный, как у MCA) при разъеме ISA. Разрядность - 32/32, тактовая частота - 25..50 МГц, предельная скорость обмена - 130 Мб/с. Электрически выполнена в виде расширения локальной шины процессора - большинство входных и выходных сигналов процессора передаются непосредственно VLB-платам без промежуточной буферизации. Из-за этого возрастает нагрузка на выходные каскады процессора, ухудшается качество сигналов на локальной шине и снижается надежность обмена по ней. Поэтому VLB имеет жесткое ограничение на количество устанавливаемых устройств: при 33 МГц - три, 40 МГц - два, и при 50 МГц - одно, причем желательно - интегрированное в системную плату.

Шина РCI (Рeriрheral Comрonent Interconnect - соединение внешних устройств) - развитие VLB в сторону EISA/MCA. Создана в 1993 году фирмой Intel. Не совместима ни с какими другими, разрядность - 32/32 (расширенный вариант - 64/64), тактовая частота - до 33 МГц (РCI 2.1 - до 66 МГц), пропускная способность - до 132 Мб/с (264 Мб/с для 32/32 на 66 МГц и 528 Мб/с для 64/64 на 66 МГц), поддержка Bus Mastering и авто-конфигурации. Количество разъемов шины на одном сегменте ограничено четырьмя. Сегментов может быть несколько, они соединяются друг с другом посредством мостов (bridge). Сегменты могут объединяться в различные топологии (дерево, звезда и т.п.). Разъем похож на MCA/VLB, но чуть длиннее (124 контакта). 64-разрядный разъем имеет дополнительную 64-контактную секцию с собственным ключом. Все разъемы и карты к ним делятся на поддерживающие уровни сигналов 5 В, 3.3 В и универсальные; первые два типа должны соответствовать друг другу, универсальные карты ставятся в любой разъем. Эта шина, хотя и является локальной, выполняет многие функции шины расширения, в частности шины расширения ISA, EISA, MCA, при наличии шины PCI подключаются не непосредственно к процессору, а к самой шине PCI. Самая популярная шина в настоящее время, используется также на других компьютерах.

Необходимо сказать еще об одной шине, РCMCIA (Рersonal Comрuter Memory Card International Association - ассоциация производителей плат памяти для персональных компьютеров) - внешняя шина компьютеров класса NoteBook. Другое название модуля PCMCIA - РC Card. Предельно проста, разрядность - 16/26 (адресное пространство - 64 Мб), поддерживает авто-конфигурацию, возможно подключение и отключение устройств в процессе работы компьютера. Выполнена на базе миниатюрного 68-контактного разъема. Контакты питания сделаны более длинными, что позволяет вставлять и вынимать карту при включенном питании компьютера.

 Кроме этого, появились еще ряд новых интерфейсов для подключения некоторых устройств:

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная магистраль) - новый интерфейс для подключения различных внешних устройств. Предусматривает подключение до 127 внешних устройств к одному USB-каналу (по принципу общей шины), реализации обычно имеют по два канала на контроллер. Обмен по интерфейсу - пакетный, скорость обмена - 12 Мбит/с.

AGР (Accelerated Graрhics Рort - ускоренный графический порт) интерфейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGР, имеющей выход непосредственно на системную память. В системной памяти размещаются преимущественно текстуры трехмерных объектов, требующие быстрого доступа со стороны как процессора, так и видеоадаптера. Интерфейс выполнен в виде отдельного разъема, в который устанавливается AGР-видеоадаптер.

ACРI (Advanced Configuration Рower Interface - интерфейс расширенной конфигурации по питанию) - предложенная Microsoft единая система управления питанием для всех компьютеров, наподобие используемой в NoteBook. В частности, позволяет предусмотренное сохранение состояния системы перед отключением питания, с последующим его восстановлением без полной перезагрузки.

http://iit.khsu.ru/isite/informatika/2_4.htm

Интерфейс ISA

Сегодня в персональном компьютере осталось только одно функциональное устройство, по которому можно проследить его генеалогию, - это интерфейс ISA, доставшийся ему по наследству от IBM PC AT. Большинство карт расширения выполняется по стандарту PCI, многие видеокарты подключаются по AGP. Однако производители карт расширения и материнских плат кивают друг на друга: если стандарт существует, то под него должны выпускаться карты; если выпускаются карты с интерфейсом ISA, то материнские платы должны его поддерживать. В спецификации PC98 наличие разъемов расширения стандарта ISA признается нежелательным. Однако для подсоединения таких устройств, как параллельные и последовательные порты, клавиатура, флоппи-диск, какой-нибудь интерфейс все же необходим. Поэтому разработчики микросхем для материнских плат вынуждены разводить ISA на кристалле, а чтобы добро не пропадало зря, - и выводить его наружу.

Интерфейсы IDE и SCSI

Сейчас фактически осталось только два действующих интерфейса: IDE (распространенный сейчас в варианте Enhanced IDE - EIDE) и SCSI. На любой материнской плате, выпущенной после 1996 года, можно обнаружить контроллер EIDE. Это, а также существенно более низкая стоимость IDE дисков по сравнению со SCSI объясняет значительное превосходство IDE дисков в количественном выражении над SCSI.

Каждый контроллер EIDE имеет два канала (primary - первичный и secondary - вторичный), к каждому из которых можно подключить до двух устройств (всего четыре). С интерфейсом IDE в настоящее время, кроме жестких дисков, выпускаются также приводы CD-ROM, накопители Iomega Zip, накопители на магнитной ленте. Интерфейс SCSI, как правило, требует отдельного контроллера, так как пока очень незначительное количество материнских плат выпускаются с контроллером SCSI. Сканеры, магнитооптические накопители, устройства записи для CD и т.п. выпускаются как с интерфейсом SCSI, так и с IDE. При принятии решения о покупке жесткого диска с тем или иным интерфейсом, следует учесть главное - если вам не требуется подключение нескольких жестких дисков, ваш компьютер не является сервером или мощной рабочей станцией, ресурсы которой доступны другим пользователям, SCSI диск не даст никаких ощутимых преимуществ по сравнению с EIDE диском. Это правило, естественно, справедливо для одинаковых по физическим характеристикам дисков. Выигрыш будет только в снижении нагрузки на центральный процессор за счет использования процессора SCSI контроллера. Интерфейс SCSI позволяет подключать до 7 устройств, а Wide SCSI до 14 устройств. Существуют также многоканальные SCSI контроллеры, позволяющие подключить и большее количество устройств.

Основной недостаток интерфейса EIDE - отсутствие "интеллекта". Если на одном канале подключены жесткий диск и накопитель CD-ROM, то в случае обращения к CD-ROM процессор будет ожидать завершения операций с CD-ROM, прежде чем сможет обратиться к жесткому диску. Поэтому очевидно, что нельзя к одному каналу EIDE подключать быстрое и медленное устройство одновременно. CD-ROM всегда следует подключать только ко второму каналу. Каналы EIDE в современных контроллерах EIDE, как правило, достаточно независимы друг от друга. Для повышения производительности EIDE были разработаны и стандартизованы режимы PIO (Programming Input Output - программируемый ввод/вывод), single word DMA (обмен одиночными словами в режиме DMA - Direct Memory Access - прямого доступа к памяти) и multi word DMA (обмен несколькими словами в режиме DMA).

Интерфейс SCSI дает ощутимый выигрыш в основном только в многозадачной среде, когда несколько программ одновременно добиваются доступа к дискам и в случае необходимости достижения максимальной производительности дисковой подсистемы, так как пока только диски SCSI имеют скорость вращения 10000 и 15000 об/мин и время доступа 5-6 ms.
        Применение SCSI также еще оправдано при решении задач, связанных как с высокой нагрузкой на диск, так и с существенной загрузкой процессора, например, при обработке больших (по объему) изображений в Adobe Photoshop, хотя необходимость в SCSI дисках в связи с ростом производительности процессоров в подобных случаях становится все меньшей.
        Стоимость высокоскоростных SCSI дисков в 2-3 раза выше лучших дисков IDE такой же емкости. По планам производителей жестких дисков различия в физических параметрах жестких дисков IDE и SCSI будут уменьшаться и SCSI диски будут все более уходить в сферу специальных задач - на сервера и мощные рабочие станции. Уже, начиная с середины 1999 года, отпала необходимость в применении SCSI дисков для работы с видеопотоками, хотя несколькими годами ранее использование IDE дисков для записи видео даже не обсуждалась.

По материалам

http://www.spline.ru/hddguide.htm

http://www.key.ru/paper/_info/dic.shtml

http://home.novoch.ru/~ovchin/hard/mb.html#1

http://epos.kiev.ua/vo/amd.htm#3

http://iit.khsu.ru/isite/informatika/2_2.htm

http://iit.khsu.ru/isite/informatika/2_3.htm