Лекция 6 Внутримашинный системный интерфейс (ВМСИ)
. Характеристика ВМСИ. Это система связи и сопряжения узлов и блоков (компонентов ЭВМ) между собой. ВМСИ представляет собой совокупность проводов связи, схем сопряжения, протоколов (порядок действий или алгоритм) передачи и преобразования сигналов. Известно два варианта ВМСИ: многосвязный и односвязный. Первый используется в простейших бытовых ПК, где каждый блок связан с прочими блоками своими локальными проводами. Во втором все блоки связаны друг с другом через общую (системную) шину. Этот вариант используется на всех современных ПК IBM. Структура и состав СШ были рассмотрены ранее.
Важнейшими функциональными характеристика- ми СШ являются: количество обслуживаемых ею устройств и пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропус- кная способность зависит от разрядности шины (8-, 16-, 32-, 64- разрядные) и тактовой частоты, на ко- торой шина работает. На IBM PC/XT была 8-разряд- ная ШД и 20-разрядная ША, тактовая частота 4,77 МГц, на последующих моделях IBM PC/АT – 16- раз- рядная ШД и 24-разрядная ША, тактовая частота 16 МГц. Эта система непрерывно совершенствуется и в настоящее время тактовая частота - сотни МГц. Тактовая частота шины должна быть не более чем в 2 раза меньше частоты МП. Она указывается в типе материнской платы.
Примеры современных материнских плат тип платы MD GigaByte K8NS (Nvidia Nforce3 250, socet 754), ATX, 800 MHz, AGP+5PCI+LAN 10/100+4USB 2.0+ RJ-45, SATA RAID, 3xDDR DIMM PS-3200,кодек АС97 MD GigaByte K8NS – (тип материнской платы) Nvidia Nforce (тип чипсета - набора основных микросхем ) Socet 754 (AMD Atlon 64) - (тип разъёма и процессора) ATX – (тип корпуса системного блока) 800 MHz – (рабочая частота системной шины) AGP+5PCI+LAN 10/100+4USB 2.0+ RJ-45 – (разъёмы устройств и локальные шины)
SATA RAID – (котроллер жёсткого диска, позволяющий распараллеливать процесс записи и чтения на несколько дисков) 3xDDR DIMM PS-3200 – (три разъёма под память) кодек АС97 – (звуковой модуль, интегрированный в материнскую плату)
Локальные шины. Современные вычислительные системы характеризуются: возрастающим быстродействие Мп ( МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с и более по 64-разряд- ной ШД) и внешних устройств (пример: для отображения цифрового видео необходима пропускная способность 22 Мбайт/с); появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (обработка графики, мультимедиа и т.п.). В этих условиях пропускная способность системной шины, обслуживающей одновременно несколько устройств с очень разными рабочими частотами, оказалась недостаточной и ПЭВМ стала «тормозить- ся». Разработчики интерфейса пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП.
Шина ISA (Industry Standart Architecture - архитектура промышленного стандарта) – 16-разрядная ШД и 24-разрядная ША, тактовая частота 8 МГц, теоретическая пропускная способность 16 Мбайт/с, (факт Мбайт/с), у неё увеличено количество линий аппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа к памяти с 7 до 11. Шина ЕISA (Extended ISA) - 32-разрядная ШД и 32- разрядная ША, тактовая частота 8 МГц, пропускная способность 33 Мбайт/с, может быть подключено до 15 устройств, улучшена система прерываний, обеспечивает автоматическое конфигурирование системы, полностью совместима с шиной ISA, поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина ЕISA очень дорогая, используется в серверах и сетевых станциях.
Локальная шина обеспечивает связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: ОП, ВЗУ, видеосистемы и др. Существует несколько типов локальных шин, отличающихся параметрами. В 1993 г. фирмой Intel разработана шина типа РСI. Шина PCI 32-разрядная(можно рас- ширить до 64), теоретическая пропускная способность 132 (263) Мбайт/с (факт. в 2 раза ниже), позволяет подключить 10 устройств, автоконфигурирование, совместима с более ранними вариантами - шинами ISA, EISA. Параметры некоторых локальных шин приведены в следующей таблице. Пример конфигурации ПК с общей шиной и несколькими локальными шинами: типа ISA / EISA + РСI приведен ниже на рисунке.
Основные характеристики локальных шин Параметр ISAEISAMSAVLBPS I Разрядность шины, бит: Данных Адреса Рабочая частота, МГц , , до 33 32, до 33 Пропускная способность, Мбайт/с Теоретическая практическая Число подключаемых устройств, шт
Конфигурация системы с шинами РСI и Конфигурация системы с шинами РСI и ISA / EISA Другие устройства Шина ISA / EISA, МГц МПАдаптер шиныОП Адаптер шины Локальная шина PCI, 33МГц Адаптер видеомонитор Адаптер НЖМД Адаптер сети Другие устройства СИСТЕМНАЯ ШИНА до 800 МГц
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПЬЮТЕРА 1.Быстродействие,производительность, тактовая частота: ед. измерения- миллион операций в сек.(МИПС над числами с фиксированной запятой, МФЛОПС над числами с плавающей запятой); 2. Разрядность ЭВМ и кодовых шин интерфейса: Разрядность это макс. количество разрядов двоичного числа над, над которым может выполняться машинная операция. Чем больше разрядность тем производительнее ЭВМ; 3. Типы системного и локального интерфейсов: обеспечивают подключение разного количества внешних устройств разных типов и разные скорости передачи информации внутри ЭВМ.
4. Ёмкость оперативной памяти измеряется чаще всего в мегабайтах (Мбайт). Напоминаем: 1 Мбайт = 1024 Кбайта = байт. 5. Ёмкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера); В первых моделях ПК ёмкость винчестера измерялась в Мегабайтах; в современных моделях в Гигабайтах ( 1 Гбайт = 1024 Мбайта). 6. Тип и ёмкость накопителей на гибких магнитных дисках. Сейчас применяются в основном накопители на гибких магнитных дисках, использующие дискеты диаметром 3,5 дюйма (1 дюйм = 25,4 мм). ёмкостью 1,44 Мбайта. 7. Виды и ёмкость КЭШ-памяти: регистровая (КЭШ- память первого уровня), на материнской плате (КЭШ- память второго уровня), на ячейках электронной памяти.
8. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера. 9. Тип принтера. 10. Наличие математического сопроцессора. Мате- матический сопроцессор позволяет в десятки раз ус- корить выполнение операций над двоичными числа -ми с плавающей запятой и над двоично- кодированным и десятичными числами. 11. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы (будет рассмотрено в последующих лекциях) 12. Аппаратная и программная совместимость с другими типами ЭВМ - означает возможность использования на компьютере соответственно тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.
13. Возможность работы в вычислительной сети (будет рассмотрены в последующих лекциях). 14. Возможность работы в многозадачном режиме. Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совме- щение во времени работы нескольких устройств ПК, возможное в таком режиме, позволяет значительно увеличить его эффективное быстродействие. 15. Надежность. Характеризуется средним временем наработки на отказ -тыс. часов или вероятностью безотказной работы ( методы расчёта изучите в дисциплине «Спецглавы математики» в 4 семестре). 16. Стоимость. 17. Габариты и масса.
МИКРОПРОЦЕССОРЫ МИКРОПРОЦЕССОРЫ 1. Типы микропроцессоров. 2. Структура микропроцессора. 3. Последовательность работы блоков ПК. 1. Типы микропроцессоров. Общая характеристика. Микропроцессор, иначе, центральный процессор Central Processing Unit (CPU) функционально за- конченное программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем: низкая стоимость, малые габариты, высокая надёжность, малое потребление энергии (десятки ватт).
Микропроцессор выполняет следующие функции: чтение и дешифрацию команд из основной памяти; чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств; прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ; обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров ВУ; выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК. Разрядность шины данных (ШД) микропроцессора определяет разрядность ПК в це- лом; разрядностью шины адреса (ША) МП является его адресное пространство. Адресное пространство это максимальное количество ячеек ОП, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.
Наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel. Все микропроцессоры можно разделить на три группы: МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд; МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд; МП типа MISC (Minimum Instruction Set Computing) с минимальным набором команд и весьма высоким быстродействием. Большинство современных ПК типа IBM PC используют МП типа CISC, характеристики наиболее распространенных из них приведены в таблице.
Мо- дель МП Разряд ность, бит Такто -вая часто та, МГц Адрес- ное пространство, байт Число команд Число элементов в СБИС Фирма год выпуска ШДША Pentium x ,1 х 10 6 Intel 1993 Pentium Pro x ,5 х 10 6 Intel 1995 Pentium x ,5 х 10 6 Intel 2000 Pentium46432 до x ,5 х 10 6 Celeron до x ,5 х 10 6 Intel 2003 Celeron до x ,5 х 10 6 Intel 2004
Отметим некоторые характеристики МП: Δ начи- ная с МП используется конвейерное выполнение команд. т.е. одновременное выполнение разных тактов последовательных команд в разных частях МП при непосредственной передаче результатов из одной части МП в другую. Конвейерное выполнение команд увеличивает эффективное быстродействие ПК в раза; Δ предусматривается возможность работы в вычислительной сети; Δ имеется возмож - ность многозадачной работы (многопрограммность) и сопутствующая ей защита памяти; Δ обеспечива - ется поддержка режима системы виртуальных ЭВМ, т.е. такого режима многозадачной работы, при кото- ром в одном МП моделируется как бы несколько компьютеров, работающих параллельно и имеющих разные операционные системы;
Δ микропроцессоры могут работать в двух режимах: реальном (Real mode) и защищенном (Protected mode). В реальном режиме имитируется (эмулиру- ется) работа МП, естественно, однозадачная. В защищенном режиме возможна многозадачная ра- бота с непосредственным доступом к расширенной памяти (будет изучено позднее) с защитой памяти, отведенной задачам, от посторонних обращений. Δ Микропроцессоры (Р5) - (МП других фирм имеют иные обозначения: К5 у фирмы AMD, Ml у фирмы Cyrix и др.). имеют пятиступенную конвей- ерную структуру, обеспечивающую многократное совмещение тактов выполнения последовательных команд, и КЭШ-буфер для команд условной переда- чи управления.,
КЭШ-буфер позволяет предсказывать направление ветвления программ; по эффективному быстродей- ствию они приближаются к RISC МП, выполняющим каждую команду как бы за один такт. МП Pentium имеют 32-разрядную 32- адресную шину и 64- разрядную шину данных. Обмен данными с системой может выполняться со скоростью 1 Гбайт/с. У всех МП Pentium имеется встроенная КЭШ-память, отде- льно для команд, отдельно для данных; имеются специализированные конвейерные аппаратные бло- ки сложения, умножения и деления, значительно ускоряющие выполнение операций с плавающей запятой. В сентябре 1995 г. прошли презентацию и выпущены МП (Р6), торговая марка Pentium Pro.
Благодаря новым схемотехническим решениям они обеспечивают для ПК более высокую производите- льность. Часть этих новшеств может быть в целях упрощения объединена понятием динамическое ис- полнение (dynamic execution), что в первую очередь означает наличие 14-ступенной суперконвейерной структуры (superpipelining), предсказания ветвле - ний программы при условных передачах управле- ния (branch prediction) и исполнение команд по пред- полагаемому пути ветвления (speculative execution). Примеч. Если процессор может заранее предсказы- вать направление перехода (ветвления), то произво -дительность его работы значительно повысится за счет оптимизации загрузки вычислительных конвейе- ров. В процессоре Pentium Pro вероятность правиль- ного предсказания 90 % против 80 % у МП Pentium.
КЭШ-память ёмкостью Кбайт обяза- тельный атрибут высокопроизводительных систем на МП Pentium. Но у них встроенная КЭШ-память имеет небольшую ёмкость (16 Кбайт), а основная ее часть находится вне процессора на материнской плате. Поэтому обмен данными с ней происходит не на внутренней частоте МП, а на частоте тактового генератора, которая обычно в раза ниже, что снижает общее быстродействие ПК. В МП Pentium Pro и последующих моделях КЭШ-память ёмкос- тью Кбайт находится в самом микро- процессоре.
Микропроцессоры типа RISC Микропроцессоры типа RISC содержат набор только простых, чаще всего встречающихся в программах команд. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых. В этих МП на выполнение каждой простой команды за счет их наложения и параллельного выполнения тратится 1 машинный такт (на выполнение даже самой корот- кой команды из системы CISC обычно тратится 4 такта) весьма перспективны и уже сейчас широко применяются в серверах и в ПК типа Macintosh. Микропроцессоры типа RISC имеют быстродействие очень высокое, но программно не совместимы с CISC-процессорами.
Функционально МП состоит из двух частей: операционной, содержащей устройство управления, арифметико-логическое устройство и микропроцес- сорную память (за исключением нескольких адрес- ных регистров); интерфейсной, содержащей адресные регистры МПП, блок регистров команд, схемы управления ши- ной и портами. Работают обе части параллельно, причем интерфей- сная часть опережает операционную, так что выбор- ка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) произ- водится во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Современные микропроцес- соры имеют несколько групп регистров в микропро- цессорной части
Регистры работают с различной степенью опереже- ния, что позволяет выполнять операции в конвейер- ном режиме. Такая организация МП дает возможность значитель- но повысить его эффективное быстродействие.