Информатика

2,3. Функциональные компьютерный систем

2,3.1, Элемент памяти

Основой любого компьютера является ячейка памяти, которая может хранить данные или команды. Основой любой ячейки памя­ти является функциональное устройство, которое может по команде принять или выдать один двоичный бит, а, главное, сохранять его сколь угодно долго. Такое устройство называется триггер, или защел­ка. Оно строится на основе базового набора логических схем. На рис. 2.3 показана схема триггера. Он собран на четырех логических эле­ментах: два элемента «логическое НЕ» (схемы 1 и 2) и два элемента «логическое И-НЕ» (схемы 3 и 4). Два последних элемента представ­ляют собой комбинацию логических элементов «логическое И» и «логическое НЕ». Такой элемент на входе выполняет операцию ло­гического умножения, результат которой инвертируется на выходе

логическим отрицанием. Триггер имеет два выхода ^ и ^. Сигнал на выходе ^ соответствует значению, хранящемуся в триггере. Вы-

Рис. 2.3. Схема триггера в состоянии хранения бита информации

ход <2 используется при необходимости получить инверсное значе­ние сигнала. Входы 5 и К предназначены для записи в триггер од­ного бита со значением ноль или единица.

Рассмотрим состояние триггера во время хранения бита. Пусть в триггер записан ноль (на выходе (? низкий уровень сигнала). Еди­ница на выходе схемы 4 и единица на выходе схемы 1 поддержива­ют состояние выхода схемы 3 в состоянии нуля (1л1 = 0). В свою очередь, ноль на выходе схемы 3 поддерживает единицу на выходе схемы 4 ( О л 1 = 1). Такое состояние может поддерживаться триггером бесконечно долго.

Для записи в триггер единицы подадим на вход 5 единицу (рис. 2.4). На выходе схемы 7 получится ноль, который обеспечит на выходе схемы 3 единицу. С выхода схемы 3 единица поступит на вход

схемы 4, на выходе которой значение изменится на ноль (1 л 1 = 0). Этот ноль на входе схемы 3 будет поддерживать сигнал на ее выходе в состоянии единицы. Теперь можно снять единичный сигнал на входе 5, на выходе схемы 3 все равно будет высокий уровень. Те. триггер сохраняет записанную в него единицу. Единичный сигнал на входе 5 необходимо удерживать некоторое время, пока на выходе схе­мы 4 не появится нулевой сигнал. Затем вновь на входе 5 устанав­ливается нулевой сигнал, но триггер поддерживает единичный сиг-

нал на выходе (?, т.е. сохраняет записанную в него единицу. Точно так же, подав единичный сигнал на вход К, можно записать в триг­гер ноль. Условное обозначение триггера показано на рис. 2.5.

К

^

Рис. 2.5. Условное обозначение триггера

2.3,2, Регистры

Триггер служит основой для построения функциональных узлов, способных хранить двоичные числа, осуществлять их синхронную параллельную передачу и запись, а также выполнять с ними некото­рые специальные операции. Такие функциональные узлы называют­ся регистрами.

Регистр представляет собой набор триггеров, число которых оп­ределяет разрядность регистра. Разрядность регистра кратна восьми битам: 8-, 16-, 32-, 64-разрядные регистры. Кроме этого в состав регистра входят схемы управления его работой. На рис. 2.6 приведе­на схема регистра хранения. Регистр содержит п триггеров, образу­ющих п разрядов. Перед записью информации регистр обнуляется подачей единичного сигнала на вход «Сброс». Запись информации в регистр производится синхронно подачей единичного сигнала «За­пись». Этот сигнал открывает входные вентили (схемы «логическое И»), и на тех входах х_г.. х_я, где присутствует единичный сигнал, про­изойдет запись единицы. Чтение информации из регистра также про-

изводится синхронно, подачей сигнала «Чтение» на выходные вен­тили. Обычно регистры содержат дополнительные схемы, позволя­ющие организовать такие операции, как сдвиг информации (регист­ры сдвига) и подсчет поступающих единичных сигналов (регистры счетчики).

&

п

&

п

\—Уп

^

п

00 0

«Запись» «Сброс» «Чтение»

Рис. 2.6. п-разрядный регистр хранения с синхронной записью и чтением

2.3.3, Устройства обработки инсрормаиии

Для обработки информации компьютер должен иметь устрой­ство, выполняющее основные арифметические и логические опера­ции над числовыми данными. Такие устройства называются ариф­метико-логическими устройствами (АЛУ). В основе АЛУ лежит устройство, реализующее арифметическую операцию сложения двух

целых чисел. Остальные арифметические операции реализуются с помощью представления чисел в специальном дополнительном коде. Сумматор АЛУ представляет собой многоразрядное устройство, каж­дый разряд которого представляет собой схему на логических элемен­тах, выполняющих суммирование двух одноразрядных двоичных чи­сел с учетом переноса из предыдущего младшего разряда. Результатом является сумма входных величин и перенос в следующий старший разряд. Такое функциональное устройство называется одноразряд­ным, полным сумматором. Его условное обозначение показано на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Условное обозначение полного одноразрядного сумматора

Рассмотренные выше функциональные элементы являются ос­новными при построении схем компьютерных систем.

2.4. Приниип автоматической обработки инсрормаиии Вычислительным устройством

Основным отличием вычислительной машины от таких счетных устройств, как счеты, арифмометр, калькулятор, заключается в том, что вся последовательность команд на вычисление предварительно записывается в память вычислительной машины и выполняется по­следовательно автоматически. Впервые принцип вычислительной машины с автоматическим выполнением команд предложил амери­канский ученый фон Нейман. Он описал основные узлы, которые

должна содержать такая машина. Этот принцип получил название фон-неймановской вычислительной машины. Большинство совре­менных КС в настоящее время построено именно по этому прин­ципу.

Машина фон Неймана состояла из памяти, представлявшей со­бой набор регистров, АЛУ, устройства ввода-вывода и устройства управления (рис. 2.8).

Ввод/вывод

АЛУ

Рис. 2.8. Машина фон Неймана

Устройство ввода передавало команды и данные в АЛУ, откуда они записывались в память. Все команды, совокупность которых называется программой, записываются в память в соседние ячейки по возрастанию их адресов, а данные, которые требуют обработки,— в ячейки с произвольными адресами. Последняя команда програм­мы — это обязательно команда остановки работы. Каждая команда содержит код операции, которую необходимо выполнить, и адреса ячеек, в которых находятся данные, обрабатываемые этой командой. Устройство управления содержит специальный регистр, который на­зывается «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в

память в счетчик команд записывается адрес первой команды про­граммы. После чего вычислительная машина переходит в режим ав­томатического выполнения программы.

Устройство управления считывает из памяти содержимое ячей­ки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». Регистр команд хранил команду во время ее исполнения. Устройство управления рас­шифровывает тип операции команды, считывает из памяти данные, адреса которых указаны в команде, и приступает к ее выполнению. Для каждой команды устройство управления имеет свой алгоритм обработки, который заключается в выработке управляющих сигна­лов для всех остальных устройств машины. Этот алгоритм мог быть реализован на основе комбинационных логических схем или с по­мощью специальной внутренней памяти, куда эти алгоритмы были записаны в виде микрокоманд, объединенных в микропрограммы. Выполнение микропрограммы происходит по тому же принципу, что и программы в основной памяти, т.е. по принципу фон Неймана. Каждая микрокоманда содержит набор управляющих сигналов для устройств машины. Отметим, что устройства управления выполнени­ем команд процессоров в современных компьютерных системах так­же строятся по принципу комбинационных схем или микропрог­раммных автоматов, в соответствии с чем делятся на К18С и С18С процессоры, о которых будет рассказано ниже.

Микропрограмма выполнения любой команды обязательно со­держит сигналы, изменяющие содержимого счетчика команд на еди­ницу. Таким образом, после завершения выполнения очередной ко­манды, счетчик команд указывал на следующую ячейку памяти, в которой находилась следующая команда программы. Устройство уп­равления читает команду, адрес которой находится в счетчике ко­манд, помещает ее в регистр команд и т.д. Этот процесс продолжа­ется до тех пор, пока очередная исполняемая команда не оказывается командой останова исполнения программы. Интересно отметить, что и команды, и данные, находящиеся в памяти, представляют собой целочисленные двоичные наборы. Отличить команду от данных уст­ройство управления не может, поэтому, если программист забыл закончить программу командой останова, устройство управления чи­тает следующие ячейки памяти, в которых уже нет команд програм­мы, и пытается интерпретировать их как команды.

Особым случаем можно считать команды безусловного или ус­ловного перехода, когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количе­ство адресов. В этом случае команда перехода содержит адрес ячей­ки, куда требуется передать управление. Этот адрес записывается устройством управления непосредственно в счетчик команд и про­исходит переход на соответствующую команду программы.

2.5, Поколения иисрроВын устройств обработки инсрормаиии

В период развития цифровых технологий были разработаны ком­пьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но дру­гие оказали сильное влияние на развитие современных вычислитель­ных систем. Здесь мы дадим краткий обзор некоторых этапов развития вычислительных машин, чтобы показать, как человеческая мысль пришла к современному пониманию компьютерных техно­логий.

Устройства, облегчающие счет или запоминание его результатов, известны давно, но нас будут интересовать только устройства для вы­числений, которые автоматически выполняют заложенные в них про­граммы. Поэтому мы не рассматриваем здесь такие устройства, как счеты, механические арифмометры и электронные калькуляторы.

Первая счетная машина с хранимой программой была построена французским ученым Блезом Паскалем в 1642 г. Она была механичес­кой с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания. Немецкий математик Готфрыд Лейбниц в 1672 г. построил механическую машину, которая могла делать также операции умноже­ния и деления. Впервые машину, работающую по программе, разра­ботал в 1834 г. английский ученый Чарльз Бэббидж. Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. Команды считывались с перфокарты и выполняли считывание данных из памяти в вычисли­тельное устройство и запись в память результатов вычислений. Все устройства машины Бэббиджа, включая память, были механически­ми и содержали тысячи шестеренок, при изготовлении которых тре­бовалась точность, недоступная в XIX в. Машина реализовала любые

программы, записанные на перфокарте, поэтому впервые для напи­сания таких программ потребовался программист. Первым програм­мистом была англичанка Ада Ловлейс, в честь которой уже в наше время был назван язык программирования Аёа.

В XX в. начала развиваться электроника и ее возможности немедленно взяли на вооружение разработчики вычислительных ма­шин. С построения вычислительных машин, базовая система элемен­тов которых была построена на электронных компонентах, начина­ется отсчет поколений цифровых вычислительных машин. Отметим, что деление периода развития цифровой техники на этапы связано, в основном, с переводом базовой системы элементов на новые тех­нологии производства электронных компонентов.

Первое поколение -электронные лампы (1945-1955 гг.)

В основе базовой системы элементов этого поколения компью­теров лежали электронные лампы. Их использование определяло и достоинства и недостатки цифровых устройств. Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элемен­тов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попыт­ками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лам­пы были достаточно долговечны и обеспечивали надежную работу компьютера. К сожалению, недостатков у ламповых компьютеров тоже было достаточно. Электронные лампы работали с напряжени­ями в десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того, раз­мер электронных ламп, по современным понятиям микроэлектрони­ки, был огромным — несколько десятков кубических сантиметров. Для построения вычислительной машины нужны были тысячи ло­гических элементов, поэтому размер ламповых вычислительных ма­шин по занимаемой площади составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность колебалась в пределах от единиц до десят­ков и даже сотен киловатт. Такая мощность приводила к перегрева­нию ламп, которые были размешены довольно компактно, и стави­ла задачу эффективного охлаждения электронных компонентов машины. Скорость обработки информации в ламповых машинах колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в се­кунду.

Второе поколение -транзисторы (1955-1965 гг.)

Полупроводниковые приборы — транзисторы были изобретены в 1948 г. Они отличались от электронных ламп малыми размерами, низким напряжением питания и малой потребляемой мощностью. Все эти достоинства полупроводниковых приборов произвели рево­люцию в радиоэлектронной промышленности. Стали появляться ми­ниатюрные приемо-передающие радио- и телеустройства, появилась возможность встраивать управляющие устройства непосредственно в объекты управления и т.д. Новая элементная база для компьютеров на основе транзисторов произвела революцию и в производстве ком­пьютеров. Значительное уменьшение габаритов, снижение потребля­емой мощности и стоимости позволило создавать архитектуры ком­пьютера с большими функциональными возможностями, резко повысить быстродействие компьютеров до сотен тысяч и даже мил­лионов операций в секунду. Увеличение производительности обеспе­чивалось как за счет более высокой скорости работы транзисторов по сравнению с электронными лампами, так и путем введения в со­став вычислительной машины нескольких обрабатывающих уст­ройств, работающих параллельно. Площадь, требуемая для размеще­ния компьютера, снизилась до нескольких квадратных метров, предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Снижение стоимости увеличило число потенциальных пользователей компьютеров. Появились крупные фирмы по производству компью­теров широкого назначения: 1п1етаиопа1 Визтезз МасШпез (1ВМ), СоШго! ^а^а СогротИоп (СОС), Ъ1%Иа1 ЕдшртеШ СогрогаПоп (ОЕС) и др. Следует отметить компьютер РОР-8 фирмы ОЕС — первого мини-компьютера с общей шиной, оказавшего большое влияние на раз­витие архитектур персональных компьютеров.

Третье поколение -интегральные снемы (1965-1980 гг.)

Полупроводниковые элементы и другие электронные компонен­ты выпускались электронной промышленностью в виде отдельных элементов. Так, полупроводниковый кристалл, на котором размещал­ся транзистор, заключался в специальный металлический или плас­тмассовый корпус. Требование уменьшения габаритов электронных

устройств привело к тому, что сначала полупроводниковые приборы стали производиться в бескорпусном исполнении, а затем в 1958 г. была предпринята попытка разместить в одном полупроводниковом кристалле все компоненты одного функционального узла. Так появи­лись интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощ­ность. На основе ИС строились мини-ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. Мощность, потреб­ляемая компьютером на ИС, уменьшилась до сотен ватт. Увеличение быстродействия узлов, построенных на ИС, позволило довести быс­тродействие компьютеров до десятков миллионов операций в секун­ду. Электронная промышленность приступила к массовому производ­ству электронных компонентов на ИС, что позволило снизить их стоимость и резко уменьшить стоимость аппаратной составляющей компьютеров. Уменьшение стоимости привело к разработке и прак­тической реализации мощных вычислительных систем, использую­щих параллельную обработку: многопроцессорные и конвейерные вычислители.

Четвертое поколение -сверхбольшие интегральные скемы (с 1980 гг.)

Микроминиатюризация электронных устройств привела к по­явлению новой отрасли промышленности — микроэлектроники, ко­торая относится к области высоких технологий. Используя последние научно-технические достижения физики, химии, кристаллографии, материаловедения и даже космонавтики (в невесомости можно по­лучить полупроводниковые кристаллы очень высокой чистоты), до­бились размещения на одном кристалле размером несколько квад­ратных миллиметров сначала сотен, затем тысяч и, наконец, миллионов транзисторов и других электронных компонентов. Теперь полупроводниковая схема содержала уже не набор нескольких логи­ческих элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы и, в первую очередь процессор, который, учитывая его размеры, получил название микро­процессор, устройства управления внешними устройствами — контрол­леры внешних устройств. Такие интегральные схемы получили назва­ние сначала больших интегральных схем (БИС), а затем и сверхбольших интегральных схем (СБИС).

Итогом такого бурного развития микроэлектроники стало появ­ление одноплатных ЭВМ, где на одной плате, размером несколько десятков квадратных сантиметров, размещались несколько СБИС, содержащих все функциональные блоки компьютера. Одноплатные компьютеры встраивались в различные промышленные, медицинские и бытовые приборы для оперативной обработки информации и управ­ления. Стоимость одноплатных компьютеров так упала, что появилась возможность их приобретения отдельными людьми. Такой возможно­стью воспользовались английские инженеры Стыв Джобе и Стыв Воз-няк. Используя выпускаемые промышленностью функциональные узлы: плата микро-ЭВМ с процессором и памятью, клавиатура, дис­плей, они собрали дешевую настольную вычислительную машину — микрокомпьютер. Его привлекательность для непрофессиональных пользователей заключалась в том, что это было готовое к употребле­нию устройство, содержащее все необходимое оборудование и про­граммное обеспечение для работы. Этот микрокомпьютер получил на­звание Арр1е и стал первым в мире персональным компьютером.

Персональными компьютерами, которые получили большое рас­пространение на компьютерном рынке, заинтересовалась крупная компания, занимавшаяся выпуском мощных вычислительных систем — 1ВМ, и решила наладить выпуск своей модели персонального компь­ютера. Совместно с фирмой 1п1е1, разработавшей микропроцессорный комплект, и фирмой М'сгагоД которая оснастила компьютер операци­онной системой М8 ВО8, 1ВМ создала персональный компьютер 1ВМ РС. Значительный потенциал фирмы 1ВМ позволил в короткие сроки произвести огромное количество таких компьютеров. Их привлека­тельная для покупателей цена и некоторые новшества, например, боль­ший, по сравнению с выпускавшимися в то время персональными ком­пьютерами других фирм, объем оперативной памяти, позволили компьютеру 1ВМ РС стать самой популярной «персоналкой» в мире.

Дальнейшая классификация вычислительных систем по их при­надлежности к различным поколениям весьма условна. В настоящее время элементная база микропроцессорных систем активно разви­вается, но в ее основе по-прежнему лежат СБИС. Некоторые спе­циалисты выделяют пятое, шестое и последующие поколения как усовершенствование микроэлектронных технологий. Другие рассмат­ривают последующие поколения как изменение структур обработки команд и данных внутри микропроцессора.

2,6. Пркитектуры Вычислительных систем сосреЭоточенной обработки инсрормоиии

Современный компьютер состоит из нескольких функциональ­ных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого могут входить миллионы логических элементов. Для луч­шего понимания принципа работы каждого узла и компьютера в це­лом вводится понятие уровней представления компьютера.

Цифровой логический уровень — уровень логических схем базовой системы элементов.

Микроархитектурный уровень — уровень организации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятся регист­ры различного назначения, устройство обработки поступающих ко­манд, устройство преобразования данных, устройство управления.

Командный уровень — набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами.

Набор блоков, связей между ними, типов данных и операций каждого уровня называется архитектурой уровня.

Архитектура командного уровня называется обычно компьютер­ной архитектурой или компьютерной организацией. В этом разделе мы рассмотрим различные компьютерные архитектуры. Архитекту­ры других уровней будут рассмотрены в следующих разделах.

2,6,1. Йрнитектуры с фиксироВонным нобором устройств

Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабаты­вающих устройств (процессоров) расположены компактно и исполь­зуют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры первого и второго поколения имели архитектуру зак­рытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Та­кая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логи­ческих элементов которых построена на дискретных электронных компонентах (электронных лампах, транзисторах). Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры был

сопряжен с увеличением потребляемой мощности, занимаемой пло­щади и резко увеличивал стоимость всей системы. Поэтому компь­ютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности под­ключения дополнительных устройств, не предусмотренных раз­работчиком.

Укрупненная схема такой компьютерной архитектуры приведе­на на рис. 2.9. Оперативная память хранит команды и данные испол­няемых программ, АЛУ обеспечивает не только числовую обработ­ку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществляя ее занесение в оперативную память. Канал ввода/вывода представ­ляет собой специализированное устройство, работающее по коман­дам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подклю­чение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.

Канал ввода/вывода

Устройство управления

АЛУ

и

регистры ввода/вывода

II

Буферные регистры

II

Оперативная память

Рис. 2.9. Архитектура компьютера закрытого типа

Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чи­сто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализа­ции компьютерных технологий, требующих подключения дополни­тельных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.

2.6.2. Вычислительные системы с открытой орнитектурой

В начале 70-х гг. фирмой О ЕС (В1%На1 Е^тртеп^ СогрогаИоп) был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитек­тура позволяла свободно подключать любые периферийные устрой­ства, что сразу же заинтересовало разработчиков систем управления различными техническими системами, так как обеспечивало свобод­ное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполни­тельных механизмов. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине переда­чи информации. Подключение устройств к шине осуществлялось в

Общая шина

Рис. 2.10. Архитектура компьютера открытого типа

соответствии со стандартом шины. Стандарт шины являлся свобод­но распространяемым документом, что позволяло фирмам— произ­водителям периферийного оборудования разрабатывать контроллеры для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использо­вании общей шины, приведена на рис. 2.10. Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информаци­ей. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и

данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигна­лов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых от­личаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через спе­циальное устройство — контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессо­ра. Контроллер подключается к шине специальными устройствами — портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обраще­ние к нему процессора происходит, также как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сиг­нал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке па­мяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.

Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток, который прояв­лялся все больше при повышении производительности внешних ус­тройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объемами и ско­ростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности ком­пьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компь­ютера с общей и локальной шинами приведена на рис. 2.11.

Центральный процессор

I

Запоминающее устройство

Клавиатура

Другие устройства

Контроллер

Устройство

Рис. 2.11. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной

Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые про­цессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устрой­ством или, если устройство не является стандартно входящим в со­став компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате — слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с централь­ным процессором и между собой. Хотя архитектура компьютера ос­талась прежней, структура современного персонального компьютера имеет вид, представленный на рис. 2.12.

Выходы контроллеров для подключения стандартных внешних устройств

Рис. 2.12. Структура персонального компьютера

Центральный контроллер играет роль коммутатора, распре­деляющего потоки информации между процессором, памятью, устрой­ством отображения и остальными узлами компьютера. Кроме этого в состав микросхемы центрального контроллера включены устройства, которые поддерживают работу компьютера. К ним относятся систем­ный таймер', устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечи­вает обмен данными между внешними устройствами и памятью в пе­риоды, когда это не требуется процессору; устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запросы внешних устройств, имеющих данные для передачи,

Функциональный контроллер — это СБИС, которая содержит кон­троллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при про­слушивании музыкальных и речевых файлов.

Для подключения специфических устройств часть общей шины, соединяющая центральный и функциональный контроллеры, имеет слоты расширения для установки плат контроллеров.

2.6.3. Орнилпектуры многопроцессорный Вычислительный систем

Персональные компьютеры позволяют реализовать многие ком­пьютерные технологии, начиная от работы в Интернете, и кончая по­строением анимационных трехмерных сцен. Однако существуют задачи, объем вычислений которых превышает возможности персо­нального компьютера. Для их решений применяются компьютеры с гораздо более высоким быстродействием. Для получения высокого быстродействия на существующей элементной базе исполь­зуются архитектуры, в которых процесс обработки распараллелива­ется и выполняется одновременно на нескольких обрабатывающих устройствах Существует три основных подхода к построению архи­тектур таких компьютеров: многопроцессорные, магистральные и мат­ричные архитектуры.

Архитектура простых многопроцессорных систем выполняется по схеме с общей шиной. Два или более процессоров и один или несколько модулей памяти размещены на общей шине. Каждый про-

цессор, для обмена с памятью, проверяет, свободна ли шина, и, если она свободна, он занимает ее. Если шина занята, процессор ждет, пока она освободится. При увеличении числа процессоров произво­дительность системы будет ограничена пропускной способностью шины. Чтобы решить эту проблему, каждый процессор снабжается собственной локальной памятью (рис. 2.13), куда помещаются тек­сты исполняемых программ и локальные переменные, обрабатывае­мые данным процессором. Общее запоминающее устройство исполь­зуется для хранения общих переменных и общего системного программного обеспечения. При такой организации нагрузка на об­щую шину значительно снижается.

Локальное

запоминающее

устройство

Локальное

запоминающее

устройство

Процессор

Процессор

Общее

запоминающее устройство

Периферийный процессор

Общая шина

Контроллер

I

Внешние устройства

Контроллер

Внешние устройства

Рис. 2.13. Архитектура многопроцессорной вычислительной системы с общей шиной

Один из процессоров выделяется для управления всей системой. Он распределяет задания на исполнение программ между процессо­рами и управляет работой общей шины.

Периферийный процессор осуществляет обслуживание внешних устройств при вводе и выводе информации из общей памяти. Он

может быть того же типа, что и остальные процессоры, но обычно устанавливается специализированный процессор, предназначенный для выполнения операций управления внешними устройствами.

Магистральный принцип является самым распространенным при построении высокопроизводительных вычислительных систем. Про­цессор такой системы имеет несколько функциональных обрабаты­вающих устройств, выполняющих арифметические и логические опе­рации, и быструю регистровую память для хранения обрабатываемых данных. Данные, считанные из памяти, размещаются в регистрах и из них загружаются в обрабатывающие устройства. Результаты вы­числений помещаются в регистры и используются как исходные дан­ные для дальнейших вычислений. Таким образом, получается кон­вейер преобразования данных: регистры — обрабатывающие устройства — регистры —.... Архитектура магистрального суперком­пьютера приведена на рис. 2.14. Число функциональных устройств здесь равно шести («Сложение», «Умножение» и т.д.), однако в ре­альных системах их количество может быть иным. Устройство пла-

Сложение

Регистры

для хранения

обрабатываемых

данных

Умножение

Деление

Логика

Индекс

I

Общее

запоминающее устройство

Периферийный процессор

Сдвиг

Устройство

планирования

последовател ьности

выполнения команд

Контроллер

Контроллер

Внешние устройства

Внешние устройства

Рис. 2.14. Архитектура магистрального суперкомпьютера

нирования последовательности выполнения команд распределяет данные, хранящиеся в регистрах, на функциональные устройства и производит запись результатов снова в регистры. Конечные резуль­таты вычислений записываются в общее запоминающее устройство. В матричной вычислительной системе процессоры объединяют­ся в матрицу процессорных элементов. В качестве процессорных эле­ментов могут использоваться универсальные процессоры, имеющие собственное устройство управления, или вычислители, содержащие только АЛУ и выполняющие команды внешнего устройства управ­ления. Каждый процессорный элемент снабжен локальной памятью, хранящей обрабатываемые процессором данные, но при необходи­мости процессорный элемент может производить обмен со своими соседями или с общим запоминающим устройством. В первом слу­чае, программы и данные нескольких задач или независимых частей одной задачи загружаются в локальную память процессоров и выпол­няются параллельно. Во втором варианте все процессорные элемен­ты одновременно выполняют одну и ту же команду, поступающую от устройства обработки команд на все процессорные элементы, но над разными данными, хранящимися в локальной памяти каждого про­цессорного элемента. Вариант архитектуры с общим управлением показан на рис. 2.15. Обмен данными с периферийными устройства­ми выполняется через периферийный процессор, подключенный к общему запоминающему устройству.

2.6.4. Классисрикаиия компьютеров по сферам применения

Наиболее часто при выборе компьютера для той или иной сферы применения используется такая характеристика, как произво­дительность, под которой понимается время, затрачиваемое компь­ютером для решения той или иной задачи. Понятие «производитель­ность» определяет и некоторые другие характеристики компьютера, такие, например, как объем оперативной памяти. Вполне естествен­но, что компьютер с высокой скоростью обработки должен снабжать­ся большим объемом оперативной памяти, так как иначе его произ­водительность будет ограничена- необходимостью подкачки информации из более медленной внешней памяти. Можно считать, что производительность является некоторой интегрированной харак-

Матрица процессорных элементов

А1 А1 *

Общее

запоминающее

устройство

I

Периферийный процессор

Устройство обработки команд

Контроллер

I

Внешние устройства

Контроллер

Внешние устройства

Рис. 2.15. Архитектура матричной вычислительной системы с общим управлением

теристикой, определяющей общую вычислительную мощность ком­пьютера, и, соответственно, области его применения.

По производительности компьютеры можно условно разбить на три класса: суперкомпьютеры; мэйнфреймы; микрокомпьютеры.

Суперкомпьютеры — компьютеры с производительностью свыше 100 млн операций в секунду. Применяются для решения таких задач, как моделирование физических процессов, гидрометеорология, кос-

мические исследования и других задач, которые требуют огромных объемов вычислений. Выполняются обычно по многопроцессорной архитектуре, имеют большой набор внешних устройств, и, как пра­вило, выпускаются небольшими партиями для конкретной задачи или конкретного заказчика. Обычно важность решаемой задачи та­кова, что основным параметром суперкомпьютера является его вы­сокая производительность, а такие параметры, как стоимость, раз­меры или вес, не являются определяющими.

Мэйнфреймы — компьютеры с производительностью от 10 до 100 млн операций в секунду Они используются для решения таких задач, как хранение, поиск и обработка больших массивов данных, построение трехмерной анимационной графики, создание рекламных роликов, выполняют роль узлов глобальной сети, используемой тор­говыми или компьютерными фирмами с большим потоком запросов. Выполняются по многопроцессорной архитектуре с общей шиной и небольшим числом мощных процессоров. Конструктивно выполня­ются в виде одной стойки или в настольном варианте. Стоимость мэйнфреймов колеблется от тридцати до трехсот тысяч долларов.

Микрокомпьютеры — компактные компьютеры универсального назначения, в том числе и для бытовых целей, имеющие производи­тельность до 10 млн. операций в секунду. Микрокомпьютеры, или персональные компьютеры, можно классифицировать по конструк­тивным особенностям: стационарные (настольные) и переносные. Переносные компьютеры, в свою очередь, можно разделить на пор­тативные (1ар№р), блокноты (по1еЬооК) и карманные (Ра1т1ор). Пор­тативные компьютеры по размеру близки к обычному портфелю, они, в настоящее время, уступают место более компактным. Блок­ноты по размеру близки к книге крупного формата и имеют массу около 3 кг. Такие компьютеры имеют встроенные аккумуляторы, по­зволяющие работать без сетевого напряжения. В настоящее время имеются полноцветные жидкокристаллические мониторы, не уступа­ющие по качеству мониторам стационарных компьютеров. Карман­ные компьютеры в настоящее время являются самыми маленькими персональными компьютерами. Они не имеют внешней памяти на магнитных дисках, она заменена на энергонезависимую электронную память. Эта память может перезаписываться при помощи линии свя­зи с настольным компьютером. Карманный компьютер можно ис­пользовать как словарь-переводчик или записную книгу.

2,7. Функциональная организаииа персонального компьютера

2,7,1. Центральный проиессор

Центральный процессор (ЦП) — функционально-законченное про­граммно-управляемое устройство обработки информации, выполнен­ное на одной или нескольких СБИС. В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

• полная система команд переменной длины — Сотр1ех 1п5*гис1юп 8е1
Сотртег (С18С);

• сокращенный набор команд фиксированной длины — КесЗисес!
1п51шс{юп 8е{ Сотри1ег (Я18С).

Весь ряд процессоров фирмы 1п1е1, устанавливаемых в персо­нальные компьютеры 1ВМ, имеют архитектуру С18С, а процессоры Мо*ого1а, используемые фирмой Арр1е для своих персональных ком­пьютеров, имеют архитектуру К18С. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так С18С-процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать ко­манду, наиболее подходящую ему в данном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внут­реннее устройство управления процессором, увеличивает время ис­полнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения.

К18С-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недо­статкам К18С-архитектуры можно отнести то, что если требуемой ко­манды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помо­щью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

Упрощенная схема процессора, отражающая основные особен­ности архитектуры микроуровня, приведена на рис. 2.16. Наиболее

Управле­ние

и синхро­низация

л

V

Счетчик команд

Управление

выборкой

очередной

микрокоманды

Регистры

общего

назначения

ПЗУ

микрокоманд

Дешифратор команд

/ АЛУ \

4^---- О^

т> Чт

Буфер команд

\7

Контроллер шины

шина шина шина адреса данных управ­ления

Рис. 2.16. Архитектура процессора

сложным функциональным устройством процессора является устрой­ство управления выполнением команд. Оно содержит:

• буфер команд, который хранит одну или несколько очередных
команд программы; читает следующие команды из запоминаю­
щего устройства, пока выполняется очередная команда, умень­
шая время ее выборки из памяти;

• дешифратор команд расшифровывает код операции очередной
команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы,
которая реализует исполнение команды;

• управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой
небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана,
имеет свой счетчик микрокоманд, который автоматически вы­
бирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд;

• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд — это
запоминающее устройство, в которое информация записывает­
ся однократно и затем может только считываться; отличитель­
ной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него
информация сохраняется сколь угодно долго и не требует посто­
янного питающего напряжения.

Поступивший от дешифратора команд адрес записывается в счетчик микрокоманд устройства выборки, и начинается процесс обработки последовательности микрокоманд. Каждый разряд микро­команды связан с одним управляющим входом какого-либо функци­онального устройства. Так, например, управляющие входы регистра хранения «Сброс», «Запись», «Чтение» соединены с соответствующи­ми разрядами микрокоманды. Общее число разрядов микрокоманды может составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч и равно общему числу управляющих входов всех функциональных устройств процессора. Часть разрядов микрокоманды подается на устройство управления выборкой очередной микрокоманды и используется для организации условных переходов и циклов, так как алгоритмы об­работки команд могут быть достаточно сложными.

Выборка очередной микрокоманды осуществляется через опре­деленный интервал времени, который, в свою очередь, зависит от времени выполнения предыдущей микрокоманды. Частота, с кото­рой осуществляется выборка микрокоманд, называется тактовой частотой процессора. Тактовая частота является важной характери­стикой процессора, так как определяет скорость выполнения процес­сором команд, и, в конечном итоге, быстродействие процессора.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специаль­ных регистров, полноразрядного сумматора и схем местного управ­ления.

Регистры общего назначения (РОН) используются для временно­го хранения операндов исполняемой команды и результатов вычис­лений, а также хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-выво­да для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам. Необходимо отметить, что если операнды команды хранятся в РОН, то время выполнения команды значительно сокращается. Одна из причин, почему программисты иногда обращаются к программиро­ванию на языке машинных команд, это наиболее полное использо­вание РОН для получения максимального быстродействия при вы­полнении программ, критичных по времени.

Рассмотрим кратко характеристики процессоров, используемых в современных ПК типа 1ВМ РС. Процессоры для этих ПК выпус-

кают многие фирмы, но законодателем моды здесь является фирма 1п1е1. Ее последней разработкой является процессор 1п1е1 Соге, вы­пуск которого начат в начале 2006 г. К основным особенностям ар­хитектуры 1п1е1 Соге можно отнести следующие:

—имеется специальный внутренний КЭШ размером 2 Мбайта;

—добавлена арбитражная шина, которая уменьшает нагрузку си­
стемной шины;

—внутренняя микроархитектура процессора базируется на двух
ядрах — параллельно работающих конвейерах команд (суперска­
лярная архитектура), которые исполняют сразу несколько
команд в 12 разных фазах обработки (чтение, дешифрация, за­
грузка операндов, исполнение и т.д.). Конвейеры заканчивают­
ся двумя АЛУ: АЛУ, работающим на удвоенной частоте процес­
сора для коротких арифметических и логических команд, и АЛУ
для выполнения медленных команд;

—введено управление питанием ядра, которое включает в себя блок
температурного контроля, способный управлять отдельно пита­
нием каждого ядра.

Фирма 1п1е1 поставляет упрощенные варианты процессоров РепПит 4 под названием Се1егоп, который в два раза дешевле базово­го варианта процессора. Однако следует отметить, что последние модели процессора Се1егоп ни в чем не уступают «старшему брату» и даже в некоторых случаях превосходят его.

Фирма АМО (ААчапсей М1сго ^еV^се5) выпускает процессоры, со­вместимые по системе команд с 1п1е1 РепПит 4 — АМоп (К7). Этот процессор выполнен по суперскалярной архитектуре с тремя конвей­ерами команд, работающими параллельно и способными обрабатывать до девяти инструкций за один цикл работы процессора. Тестирование процессора К7 и его сравнение с РепПит 4 показывает, что К7 не ус­тупает ему и даже превосходит его в некоторых случаях. Стоимость процессора АШ1оп на 20—30 % дешевле процессора 1п1е1. Процессор К7 требует для своей работы собственной шины, несовместимой с шиной процессора Реп1шт 4. Поэтому замена одного типа процес­сора другим требует и замены системной платы, на которой располо­жен набор микросхем основных функциональных устройств ПК.

2.7.2. Оперативное запоминающее устройство

Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство, или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоми­нающим устройством (ОЗУ), или ВАМ (Капёот Асс姧 Метогу) — па­мятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считы­вать информацию из ячейки, обращаясь к ней по ее номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов. В настоящее время стандартный размер ячейки ОЗУ равняется од­ному байту. Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схе­мы памяти подается питание, т.е. она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими харак­теристиками: динамическое ОЗУ, или ^РЛМ (Оупапис КАМ), и ста­тическое ОЗУ, или 8КАМ (8Ш1с КАМ). Разряд динамического ОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсут­ствие заряда на котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтении информации из такой ячейки требует­ся время для накопления (стекания) заряда на конденсаторе. Поэто­му быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем у ста­тического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на четырех или шести транзисторах. Однако из-за большего числа эле­ментов на один разряд в одну СБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамического ОЗУ. Например, современные СБИС динамических ОЗУ способны хранить 256—1024 Мбайт информации, а схемы статических ОЗУ только 256—512 Кбайт. Кроме этого статические ОЗУ более энергоемки и значительно до­роже. Обычно, в качестве оперативной или видеопамяти использу­ется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В кэш-па­мять из динамической памяти заносятся команды и данные, кото­рые процессор будет выполнять в данный момент.

Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения ее произ­водительности. Одним из способов увеличения быстродействия ди­намического ОЗУ является размещение в одном корпусе микросхе­мы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов. Байт

с нулевым адресом находится в первом модуле, байт с первым адре­сом во втором модуле, байт со вторым адресом в первом модуле и т.д. Поскольку обращение к памяти состоит из нескольких этапов: установка адреса, выбор ячейки, чтение, восстановление, то эти этапы можно совместить во времени для разных модулей. Другим способом увеличения быстродействия является чтение из памяти со­держимого ячейки с заданным адресом и нескольких ячеек, распо­ложенных рядом. Они сохраняются в специальных регистрах — за­щелках. Если следующий адрес указывает на одну из уже считанных ячеек, то ее содержимое читается из защелки.

Несмотря на разработку новых типов схем динамических ОЗУ, снижающую время обращения к ним, это время все еще остается значительным и сдерживает дальнейшее увеличение производитель­ности процессора. Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта па­мять называется кэш-памятью (от англ. сасНе — запас). Время обра­щения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ, и срав­нимо со скоростью работы самого процессора.

Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновремен­но копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратит­ся к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Та­кая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, ког­да шина свободна, переписываются в ОЗУ Современные процессо­ры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри про­цессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объем порядка 16—128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш­память второго уровня, которая имеет объем порядка 256 Кбайт — 4 Мбайта. И, наконец, кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, ее объем может составлять 2—24 Мбайта.

Управление записью и считыванием данных в кэш-память вы­полняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняет-

ся, то для записи последующих данных устройство управления кэш­памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производи­тельность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит по-следовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких профамм, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление вне­шними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохра­няет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или КОМ (Кеай Оп1у Метогу). Постоянные запоминающие устройства можно разделить по способу записи в них информации на следующие категории:

— ПЗУ, программируемые однократно. Программируются при из­
готовлении и не позволяют изменять записанную в них инфор­
мацию.

— Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Позволяют перепрофамми-
ровать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ инфор­
мации осуществляется или засветкой полупроводникового кри­
сталла ультрафиолетовым излучением, или электрическим
сигналом повышенной мощности, для этого в корпусе микросхе­
мы предусматривается специальное окно, закрытое кварцевым
стеклом.

2.7.3. Внутренние шины переЭачи инсрормаиии

Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминаю­щим устройством, во многом определяет производительность рабо­ты компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется шириной — числом параллельных проводников для передачи информации. Другим важ­ным параметром шины является тактовая частота шины — это час-

тота, на которой работает контроллер шины при формировании цик­лов передачи информации.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памя­ти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет мак­симальное количество ячеек, которое она может напрямую адресо­вать. Если ширина шины адреса равна я, то количество адресуемой памяти равно 2".

Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и ее ширина во многом определяет информационную пропускную спо­собность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32—64.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспе­чивают работу общей шины. Ее ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом ее работы или, как говорят, протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких цик­лов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри про­цессора (рис. 2.16), или отдельным контроллером шины (рис. 2.12).

Приведем примерный протокол работы системной шины. Пер­вый такт работы шины инициируется процессором, когда ему тре­буется произвести обмен информации с каким-либо устройством. Процессор выставляет на шину адреса адрес порта внешнего устрой­ства или ячейки памяти и устанавливает управляющие сигналы, по­казывающие, какой тип обмена и с каким устройством или памятью он собирается произвести. На втором такте работы процессор ожи­дает от устройства сигнала о его готовности к приему или передаче информации. Второй такт может повторяться бесконечное число раз, пока не будет получен сигнал о готовности устройства. На третьем такте процессор выставляет на шину данных передаваемую инфор­мацию при записи или открывает шину данных для приема инфор­мации. На четвертом такте происходит обмен информацией, и ра­бота протокола передачи заканчивается.

Несмотря на то, что производители компьютеров постоянно предлагают новые варианты протоколов работы общих шин, кото­рые обеспечивают более высокую производительность операций об­мена информацией, ее пропускная способность оказывается недоста­точной для обеспечения данными таких высокопроизводительных функциональных узлов, как центральный процессор, и некоторых внешних устройств, таких, например, как видеоподсистема с высо-

ким качеством отображения. Поэтому разработчики предлагают включать в состав компьютера дополнительные шины, связывающих напрямую центральный процессор и отдельные наиболее быстродей­ствующие устройства. Такие шины получили название локальных шин. На рис. 2.12 локальные шины используются для подключения к про­цессору запоминающего устройства и видеоконтроллера.

Ниже приведены обозначения и основные характеристики общих и локальных шин, применяемых в персональных компьютерах фирмы 1ВМ.

Общая шина РС1 (РепрЬега! Сотропеп*1п1егсоппес1) применяется в настольных компьютерах, в настоящее время используются модифи­кации РС1 2.1—3.0, РС1 64/66, РС1-Х. Тактовая частота контроллера этой шины 33,33 МГц или 66,66 МГц. Ширина шины 32 или 64 бита, шина мультиплексированная (адрес и данные передаются по одним и тем же линиям). Пиковая пропускная способность шины 533 Мбайт/С.

Общая шина РСМС1А (Регзопа! СотрШег Метогу Саге! 1п1ег-паНопа! А88ос1а1юп) применяется в переносных компьютерах класса ноутбук и имеет параметры, сравнимые с параметрами шины РС1.

Локальная шина для подключения видеоконтроллера АОР (Ассе-1ега1ес1 СгарЫсв Рог!) позволяет организовать непосредственную связь видеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Она ориентирована на массовую передачу видеоданных. Имеет конвей­ерную организацию выполнения операций чтения/записи, что позво­ляет избежать задержек при обращении к модулям памяти. За один такт работы может передать два, четыре или восемь блоков данных, в зависимости от установленного режима работы. При установке ре­жима параллельной передачи восьми блоков обеспечивает пиковую скорость передачи 2112 Мбайт/С. В настоящее время для увеличе­ния производительности видеосистемы разработана новая более бы­страя и прогрессивная шина РС1 Ехргезз.

2.7.4. Внешние запоминающие устройства

Поиск по сайту: