Лекция 4. Архитектура ЭВМ (продолжение) Микропроцессоры

Лекция 4. Архитектура ЭВМ (продолжение)
Микропроцессоры
Определение. Микропроцессор (МП, CPU – Central Processing Unit) – это функционально
законченное программно управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде
одной или нескольких больших или сверхбольших интегральных схем.
Зачем нужен микропроцессор?
Три основных функции:
 Арифметическое и логическое преобразование данных;
 Организация обращения к оперативной памяти (ОП) и внешним устройствам (ВУ);
 Управление ходом вычислительного процесса.
Основные параметры современных микропроцессоров (которые также используются как
основания для классификации):
 Разрядность;
 Рабочая тактовая частота;
 Размер кэш-памяти;
 Состав инструкций;
 Технология изготовления
Разрядность микропроцессора определяет количество разрядов в обрабатываемой
информационной единице. Различают разрядность МП, разрядность шины данных и
разрядность шины адреса МП. Разрядность микропроцессора – это число одновременно
обрабатываемых процессором битов (то есть, разрядность двоичных операндов команды).
Очевидно, что разрядность процессора – это важнейший фактор его производительности.
Разрядность шины данных определяет количество разрядов, над которыми одновременно
могут выполняться операции передачи данных. Разрядность шины адреса – определяет его
адресное пространство, то есть максимальное количество ячеек основной памяти, которое
может быть непосредственно адресовано микропроцессором. МП Intel 8086, выпущенный в
1978 году, стал первым 16-разрядным процессором в мире. Процессоры Pentium имели 32рязрядную шину данных, но усовершенствованную 64-разрядную адресную шину. Уже
существуют 64-разрядные МП, например, семейство AMD-64 для настольных и мобильных
ПК, архитектуры Intel IA-32e, EM64-T (серверные МП Xeon), IA-64 (процессоры Itanium и
Itanium 2 для больших серверных станций).
Замечания, касающиеся 64-разрядной архитектуры МП:
1. Первым 32-битным процессором (архитектура IA-32) семейства x86 стал МП Intel
i386. С тех пор существенного изменения архитектуры в указанном семействе не
происходило. Основные изменения касались расширения набора команд
(инструкций) процессора. Например, инструкции для работы с мультимедиа –
технология MMX. Последние 10-12 лет постоянно говорят об устаревании 32-битной
архитектуры.
2. Новая 64-битная архитектура позволяет преодолеть несколько недостатков 32-битной
архитектуры. Основным недостатком является невозможность адресации более, чем
4Гб оперативной памяти без существенных затрат в производительности. Более того,
сам метод адресации памяти в 32-разрядных процессорах, достаточно трудоемкий.
Переход к 64-битной архитектуре МП позволил бы использовать более удобную
модель памяти (т.н. плоскую модель адресации), обеспечивающую более высокую
скорость доступа к данным.
3. Проблемой перехода на 64-битную архитектуру был тот факт, что изменение
платформы автоматически повлекло бы за собой необходимость перехода к новому
программному обеспечению. Операционные системы, которые управляют
распределением памяти между приложениями и выполняют другие служебные
функции, очевидно, должны иметь поддержку новых возможностей МП. Что
касается прикладного программного обеспечения, то необходимость их
перекомпилирования определялась бы наличием или отсутствием совместимости
нового поколения процессоров (в первую очередь, с точки зрения набора инструкций
и поддерживаемых режимов работы) с предыдущими поколениями.
4. В 2001 году компания AMD провозгласила принцип эволюционного перехода к 64разрядной архитектуре, в соответствие с которым новые 64-битные МП должны
оставаться полностью совместимыми и пригодными для работы с программным
обеспечением, созданным для 32-разрядных МП. Этот подход (спецификация AMD
x86-64) оказался психологически и экономически оправданным. Поэтому, пару лет
спустя, фирма Intel была вынуждена также принять его (архитектура IA-32e).
5. Концепция x86-64 позволяет работать МП в следующих режимах: а) 16/32 legacy –
эмулируя устаревшую 16/32-битную архитектуру МП семейства x86; б) long
compatiblilty – позволяя работать с 16/32-разрядными приложениями под
управлением 64-разрядной ОС; в) long 64-bit – работа с 64-разрядными
приложениями под управлением 64-разрядной ОС. Современные 64-разрядные ОС:
Windows XP 64-bit edition, FreeBSD 6.x x86-64 и др.
6. Важно помнить, что переход на новое оборудование всегда должен быть оправдан и
обоснован. Многие специалисты (в том числе, сами производители
микропроцессоров) предупреждают, что переходить на использование 64-разрядных
МП в своих ЭВМ следует только тогда, когда разработаны 64-битные версии
программных продуктов, решающих именно ваши задачи. Причем для эффективного
использования возможностей 64-разрядной архитектуры нужно, как минимум, две
вещи: а) наличие специального компилятора, поддерживающего возможности новых
МП. По этой причине фирма AMD начала продвижение первых версий своих 64битных процессоров одновременно с разработкой совместно с ведущими
производителями ПО специальных компиляторов для своих процессоров; б)
Доработка алгоритмов ПО под новую 64-битную архитектуру. Быстродействие
многих программ может быть увеличено в разы за счет повышения разрядности
операндов, однако для этого необходимо не только перекомпилировать программный
код, но и значительно изменить некоторые ее алгоритмы (Пример: при переходе от
16-разрядных к 32-разрядным приложениям далеко не всегда были модифицированы
алгоритмы работы со строками, поэтому эффективность работы многих
программных продуктов пострадала).
7. Некоторые задачи, где уже сейчас специалисты видят необходимость использования
64-разрядных процессоров:
 Системы проектирования, симуляторы, CAD.
 Серверы Баз Данных, серверы крупных информационных сетей.
 Научные вычисления с большими объемами обрабатываемых данных.
 Криптографические задачи (в том числе и для обычных пользователей).
Рабочая тактовая частота микропроцессора – это показатель пиковой
производительности микропроцессора, определяющий темп формирования результатов на
выходе арифметико-логического устройства. Производительность ЭВМ напрямую зависит от
тактовой частоты. Широко распространена формула, по которой может быть вычислена
пиковая производительность компьютера:
П = ТЧ ×ИЗТ.
(*)
Здесь П – производительность, ТЧ – тактовая частота, ИЗТ – количество инструкций,
исполняемых за 1 такт. Современные микропроцессоры имеют возможность одновременного
исполнения машинная команд в своих разных блоках (суперскалярная архитектура), поэтому
величина ИЗТ для них больше 1. С другой стороны, исполнение машинных команд далеко не
всегда занимает 1 такт, поэтому полезная производительность ЭВМ как правило в несколько
раз меньше. Следует также помнить, что формула (*) дает представление о пиковой
производительности МП, полученной в теоретических, идеальных условиях. На практике редко
удается достичь производительности, выше чем 70-80% от пиковой (на специальных тестах –
до 95%).
Кэш-память – обязательный атрибут высокопроизводительных вычислительных систем
– это вид оперативной памяти ЭВМ, которая устанавливается на плате МП, обладает высоким
быстродействием (от 1 до 5 тактов, в зависимости от уровня) и используется для временного
хранения данных с другого носителя, чтобы обеспечить более быстрый доступ к ним со
стороны микропроцессора. Фактически, кэш-память является буфером между регистрами МПП
и основной памятью. Современные МП имеют иерархическую структуру кэш-памяти (до трех
уровней). Кэш-память первого уровня (L1 cache) имеет минимальный размер (8 кб) и
максимальное быстродействие (время доступа 1-2 такта). Кэш каждого следующего уровня
имеет больший размер, но меньшее быстродействие. В семействе Intel x86 кэш-память впервые
появилась в процессорах i486 и i386SLC. Современные МП имеют до 3 уровней кэш-памяти.
Состав инструкций (команд) процессора – это перечень, вид и тип команд, автоматически
исполняемых МП. В зависимости от вида команд все микропроцессорные устройства можно
разделить на несколько классификационных групп:
 CISC-процессоры (CISC, Complex Instruction Set Computer, процессоры с полным
набором инструкций), к которым относится подавляющее количество МП для
персональных ЭВМ. Базовым набором инструкций является набор команд процессора
Intel i386. В дальнейшем он постоянно увеличивался. Современные микропроцессоры
предлагают в распоряжение программиста более 200 команд, которые позволяют
выполнять самую разную обработку информации. Достоинства CISC-процессоров:
богатый набор команд, активное использование аппаратных средств, которые работают
быстрее программных. Недостатки CISC-процессоров: команды имеют разный размер
(в байтах) и разный формат, поэтому на их дешифрацию тратится довольно много
процессорного времени. Кроме того, при конвейерном исполнении команд, когда
следующая команда начинает исполняться до того, как окончилось исполнение
предыдущей, конвейер будет простаивать, если между двумя командами есть
зависимость по данным. Это тоже отрицательно сказывается на производительности
процессора.
Наконец,
статистика
показывает,
что
большинство
команд,
предусмотренных разработчиками МП, практически не используются. Перевод
программы с языков высокого уровня на язык машинных команд в подавляющем
большинстве случаев осуществляется автоматически программами-компиляторами,
которые не умеют использовать сложные команды МП и почти всегда ограничиваются
инструкциями только самого простого формата. Все вышеуказанные наблюдения
привели к появлению альтернативного класса процессоров.
 RISC-процессоры (RISC, Reduced Instruction Set Computer, процессоры с усеченным
набором инструкций), которые традиционно используются в рабочих станциях
проектных и конструкторских бюро (семейство PowerPC), в некоторых персональных и
мобильных ЭВМ (по лицензии фирмы ARM, например, производятся процессоры Intel
xScale для КПК), а также на серверах. Этот класс микропроцессоров характеризуется
уменьшенным по сравнению с CISC набором команд (50-100), каждая из которых имеет
строго определенный размер и исполняется за 1 машинный такт (на 1 команду в CISCпроцессорах обычно тратится 4 такта). Достоинства RISC-процессоров: повышение
быстродействия (по сравнению с CISC) при аналогичной элементной базе, уменьшение
размера кристалла, простота и экономичность разработки. Недостатки RISCпроцессоров: необходимость использование расширенного количества регистров и кэшпамяти, поскольку время к данным в памяти становится критичным (определяющим
производительность работы всего процессора), несовместимость с CISC-архитектурой
(эмуляция сложных команд приводит к существенному падению производительности),
проблемы технологической реализации (процессоры семейства PowerPC были
практически сняты с производства из-за проблем с уровнем тепловыделения). В
настоящее время идет интеграция двух классов систем (см. далее), а также поиск
некоторых альтернативных подходов к решению проблем, порожденных CISCархитектурой.
 VLIW-процессоры (VLIW, Very Long Procession Word, процессоры с очень длинным
командным словом) – сравнительно новый подход (первые экземпляры – конец 1980-ых)
к проектированию архитектуры микропроцессоров. Также как и у RISC-процессоров,
процессоры со сверхбольшим командным словом ограничиваются небольшим набором
инструкций. Однако каждая инструкция имеет сверхбольшой размер (128 или 256 бит
против 32 бит RISC-процессоров), причем содержит информацию не об одной
элементарной инструкции, а сразу о нескольких, с явным указанием того, какое
вычислительное устройство должно выполнять ту или иную команду. Таким образом,
все элементарные инструкции, которые «упакованы» в сверхбольшое командное слово,
будут исполняться параллельно. Возникает 2 вопроса. Во-первых, откуда в нашем МП
несколько исполняющих устройств? Забегая вперед, нужно сказать о суперскалярной
архитектуре современных микропроцессоров, то есть о возможности параллельного
исполнения ими однотипных, подряд идущих команд. Первый суперскаляр семейства
x86 – Intel Pentium (1993). Второй вопрос: а кто будет распараллеливать исполняемую
программу так, чтобы имеющаяся в ней зависимости операторов не нарушилась?
Варианта два: 1) это делается аппаратно с привлечением сложных логических схем; 2)
это делается специальным компилятором, то есть (в основном) программно. Первый
подход используется в CISC и RISC процессорах. Второй подход применяется в
процессорах VLIW. Исходный машинный код в виде последовательности СISC
инструкций поступает на вход специального низкоуровневого программного
обеспечения (Code Morphing в процессорах компании Transmeta, технология EPIC в
процессорах Intel Itanium), которое упаковывает поступающие инструкции в
сверхбольшие командные слова так, чтобы достигался максимальный параллелизм и в то
же время сохранялся нужный порядок исполнения операций. Достоинства VLIWпроцессоров: упрощение структуры МП, существенное снижение энергопотребления
(практически исчезает проблема перегрева микропроцессора во время работы).
Недостатки VLIW-архитектуры: зависимость от VLIW-компилятора (который сам
может содержать ошибки), невозможность (или чрезвычайная трудоемкость)
низкоуровневого программирования.
Важно: Технология процессоров со сверхбольшим командным словом активно
разрабатывалась в СССР и в России, ее результатом стал, например, проект МП Эльбрус
E2K. Многие специалисты считают, что архитектура IA-64, которую фирма Intel
пытается пропагандировать как новый стандарт 64-разрядной архитектуры процессоров,
создавалась после внимательного «ознакомления» инженеров компании с разработками
Б. Бабаяна и его коллектива.
 MISC-процессоры (MISC, Minimal Instruction Set Computer, процессор с минимальным
набором команд) – разновидность микропроцессоров, объединяющих в себе достоинства
технологий RISC и VLIW, а также суперскалярной концепции. Распространена в
меньшей степени.
Важнейшие особенности архитектуры современных микропроцессоров
Рассматриваются на основе изучения семейства МП Intel x86.
Особенность
Многозадачность
Поддержка
системы
виртуальных
машин
Конвейерная
обработка команд
Кэширование
данных
Суперскалярная
архитектура
Суперскалярная
архитектура с
поддержкой
внеочередного
исполнения
В чем заключается
Возможность работы в одном из двух
режимов: реальном (real) и защищенном
(protected). В реальном режиме возможно
выполнение только одной программы.
Адресация оперативной памяти без
специальных драйверов ограничивается
1Мб. В защищенном (protected) режиме
обеспечивается выполнение сразу
нескольких программ за счет
переключения между задачами
(«переключение контекста процессора»).
Адресация основной памяти расширена
до 4 ГБ (в последних МП – до 100 ГБ).
Дальнейшее развитие принципа
многозадачности, возможность
моделирования в одном МП работу
нескольких компьютеров, управляемых
разными ОС.
Одновременное выполнение разных
тактов последовательных команд в
разных частях МП с непосредственной
передачей результатов выполнения из
одной части МП в другую. Позволяло
достигнуть пятикратного увеличения
производительности МП.
Использование высокоскоростного
буфера для обмена данными между
микропроцессорной памятью
(регистрами МП) и основной памятью
ЭВМ. В кэш-память заранее копируются
те участки памяти, с которыми
собирается работать МП. Управление
процессом кэширования осуществляется
кэш-контроллером и производится
параллельно с работой центрального
процессора. Современные ЭВМ имеют
иерархически организованную кэшпамять (до 3 уровней).
Наличие в микропроцессоре более 1
конвейера для выполнения команд
(параллелизм на уровне инструкций)
Наличие в микропроцессоре более 1
конвейера для выполнения команд, а
также специальных схем, позволяющих
изменить изначальную
последовательность выполнения команд
Где впервые появилась
Intel 80286
Intel 80386
Intel 80286
Intel i386SLC,
Intel i486
Многоуровневое
кэширование – Intel
Pentium II
Intel Pentium
Intel Pentium Pro
команд
(«динамическое
исполнение»)
Гарвардская
архитектура
процессора
Расширенный
набор инструкций
Гибридизация
RISC и CISC
архитектуры
Технология
одновременной
многопоточности
Многоядерные
процессоры
Технология
автоматического
увеличения
тактовой частоты
процессора
(не нарушая смысла алгоритма) с целью
параллельной загрузки всех конвейеров.
В кэш-памяти 1 уровня предусмотрено
разделение команд и данных, которые
хранятся отдельно друг от друга для
повышения эффективности обработки
Новые команды, расширяющие базовый
набор инструкций МП, для работы с
мультимедийной информацией и
одновременной однотипной обработки
множественных данных.
Преобразование стандартных x86инструкций в RISC-подобные команды
фиксированной длины. Еще не
выполненные команды записываются в
кэш инструкций в том порядке, в
котором они будут подаваться на
исполняющие устройства (конвейеры)
МП. В кэш-памяти может храниться до
12000 микрокоманд. Перевод
инструкций формата x86 в
микрокоманды ядра процессора
происходит асинхронно с работой
основных исполняющих устройств.
Эмуляция двух логических
исполняющих устройств на одном
физическом с целью более эффективно
исполнять параллельно запущенные
потоки команд (параллелизм на уровне
потоков)
Объединение двух или более
исполняющих устройств на одной ИС,
действующих как единое устройство.
Обычно имеют общий кэш и
интерфейсную систему для связи с
другими устройствами ЭВМ
Для обеспечения дополнительной
производительности и при условии
соблюдения ограничений по мощности,
температуре и току, процессор может
автоматически «разгоняться», то есть
увеличивать рабочую тактовую частоту
всех своих ядер.
Intel Pentium Pro
Intel Pentium MMX,
Intel Pentium III,
Intel Pentium IV,
Семейство Intel Core,
Intel Core 2
Intel Pentium IV
Intel Pentium IV HyperThreading
Процессоры семейства
Intel Core (Intel Core Duo,
Intel Core 2 Duo, Pentium
Dual Core, Intel core 2
Quad и др.)
Процессоры Core i5, i7
Функциональная структура микропроцессоров
Функционально современные МП включают в себя две части:
 Операционную, к которой относятся устройство управления, арифметико-логические
устройства и микропроцессорная память (за исключением системных регистров);
 Интерфейсную, содержащую системные регистры МПП, а также схемы управления
шиной и портами ввода/вывода.
Порты ввода/вывода – это пункты системного интерфейса ПК, через которые
микропроцессор обменивается информацией с внешними устройствами. Всего портов у МП
может быть 65 536 (216). Каждый порт имеет свой номер («адрес порта») и фактически
представляет собой адрес ячейки памяти в том устройстве, которое использует этот порт.
Многие стандартные устройства (жесткие и гибкие диски, клавиатура, принтер и т.д.) имеют
постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода. Общая схема взаимодействия
микропроцессора с внешним устройствам состоит из следующих этапов:
 Микропроцессор посылает сигнал по кодовой шине инструкций, оповещающий, что
сейчас на кодовую шину адреса будет послан адрес порта;
 Микропроцессор посылает адрес порта на кодовую шину адреса;
 Устройство, чей адрес порта совпадает с полученным по кодовой шине адреса, дает
ответ о готовности.
 Осуществляется обмен данными между МП и внешним устройством по кодовой
шине данных.
Системные платы
Определение. Системная плата (system board, motherboard, mainboard, MB, материнская плата) –
это печатная плата, на которой осуществляется монтаж большинства компонентов
компьютерной системы.
Назначение системной платы – согласование работы устройств ЭВМ с центральным
процессором и между собой.
Компоненты системной платы:
 Разъем для подключения центрального процессора;
 Набор системных микросхем, собственно обеспечивающих интерфейс между
составными частями ЭВМ (чипсет);
 Микросхема ПЗУ с программой базовой системы ввода-вывода (BIOS);
 Микросхема энергонезависимой памяти CMOS с данными об аппаратной конфигурации
ЭВМ;
 Микросхема кэш-памяти 2 или 3 уровня (в зависимости от типа МП);
 Разъемы для подключения модулей оперативной памяти;
 Разъемы для подключения устройств к системным, локальным и периферийным
интерфейсам;
 Микросхемы, обеспечивающие дополнительную функциональность (например, средства
мультимедиа);
 Иные устройства (системный динамик, блок конфигурационных перемычек и др.).
Определение. Форм-фактор материнской платы – стандарт, определяющий размеры
материнской платы для ПК, места ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов
шин, портов ввода/вывода, разъемов для центрального процессора и модулей оперативной
памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.
Форм-фактор носит рекомендательный характер, однако подавляющее большинство
производителей стараются его соблюдать, чтобы обеспечивать совместимость различных
устройств.
Чипсеты
Важнейшей частью системной платой является ее чипсет, то есть набор системных
микросхем, обеспечивающих взаимодействие между составными частями ЭВМ.
Как правило, современный набор системных микросхем включает в себя: микросхемы
управления оперативной памятью и интерфейсами системной шины, микросхемы кэш-памяти 2
или 3 уровня, микросхемы контроллеров прерываний и некоторых внешних устройств,
микросхемы, реализующие работу часов реального времени с CMOS-памятью.
Традиционно чипсеты реализовывались в виде двух базовых микросхем с условными
именами: северный мост (Northbridge) и южный мост (Southbridge). Свои названия он получили
из-за традиционного месторасположения на системной плате – соответственно, выше и ниже
одной из локальных интерфейсных шин (PCI), которая использовалась для обмена данными
между ними. Функциональное назначение у них различное. Северный мост обеспечивает связь
центрального процессора с оперативной памятью и другими быстродействующими
устройствами (например, видеоадаптером) через высокоскоростные интерфейсные шины
(например, AGP, PCI-Ex16). Южный мост осуществляет управление медленными
устройствами, такими как жесткий диск, шины ISA, SCSI, USB и т.д. Взаимодействие между
северным и южным мостом традиционно осуществлялось через шину PCI (см. далее).
Частота работы северного моста является определяющей для производительности всей
ЭВМ. Кроме того, северный мост, как правило, сильно нагревается в процессе работы, поэтому
в современных системных платах нередко предусматривается возможность его охлаждения.
Фирма Intel предлагает отказаться от понятий северный и южный мост, предлагая новые
названия для базовых микросхем: «Хаб контроля памяти» (Memory Controller Hub») и «Хаб
контроля за вводом/выводом» (I/O Controller Hub). Функции базовых микросхем (хабов) не
поменялись, однако они стали более независимы. Кроме того, между ними предлагается
улучшенный интерфейс связи – не через шину PCI (которая в настоящее время считается
устаревшей), а через специальную высокоскоростную шину (hub link).
Интерфейсы системной шины
Как уже говорилось ранее, сопряжение и связь всех устройств компьютера между собой,
осуществляется с помощью системной шины. Очевидно, что обмен данными осуществляет по
некоторым правилам. Во-первых, эти правила регулируют вопросы соединения устройств на
механическом уровне (число проводов, элементы связи, типы соединений, размеры и формат
разъемов, номера используемых контактов и т.п.). Во-вторых, – на логическом уровне (вид,
длительность и частота сигналов, их полярность и амплитуда, протоколы взаимодействия). Все
указанные правила описывают некоторый интерфейс, то есть стандарт сопряжения и связи,
обеспечивающий эффективное взаимодействие между устройствами. Таким образом, системная
шина представляет собой один или несколько реализованных интерфейсов. В первых ЭВМ
системная шина имела довольно простую архитектуру, то есть реализовывала единственный
интерфейс. Однако со временем, появилась необходимость усложнения ее конструкции. Это
связано с тем, что значительно повысилось быстродействие МП, увеличились объемы и
быстродействие оперативной памяти, появились новые виды внешних устройств. Системная
шина стала «узким» местом ЭВМ, поскольку все устройства, подключенные к ней, начали
конкурировать за возможность передавать по ней свои данные. По этой причине архитектура
современных системных шин включает в себя несколько интерфейсов, обеспечивающих
взаимодействие устройств ЭВМ на различных уровнях:
Процессорная шина (frontside bus, system bus) – используется для связи микропроцессора
с северным мостом, через который осуществляется его связь с оперативной памятью (см.
выше). Тактовую частоту этой шины, нередко называют внешней частотой микропроцессора.
Для процессоров Intel Pentium III и IV была применена так называемая шина DIB (dual
independent bus), которая позволяет осуществлять одновременное взаимодействие процессора и
с устройствами северного моста (через frontside bus), и с кэш-памятью второго уровня (через
backside bus). На сегодняшний день компания Intel использует для связи своих процессоров с
чипсетом интерфейс QPI (QuickPath Interconnect), который теоретически способен обеспечивать
скорость передачи информации свыше 10 гигабайт в секунду. Это позволяет использовать
интерфейс QPI также и для связи между ядрами процессора.
Шина памяти – соединяет северный мост с оперативной памятью. Раньше тактовые
частоты шины памяти и процессорной шины совпадали. Сейчас существует возможность
изменить соотношение между указанными частотами от 1:1 до, например, 5:4 (т.е. шина памяти
будет работать с частотой на 25% выше). Следует помнить, что в общем случае
производительность ЭВМ с рассогласованным соотношением указанных частот может сильно
колебаться.
Локальные шины – относятся к шинам второго уровня и обеспечивают взаимодействие
различных устройств с центральным процессором (через северный мост), а также между собой
и с другими внешними устройствами (через южный мост). К современным стандартам
локальных шин относится интерфейс PCI-Express, разработка которого была закончена в 2002
году. Он приходит на смену интерфейсам PCI (Peripheral Component Interconnect) и AGP
(Accelerated Graphics Port).
Интерфейс PCI был разработан компанией Intel в 1993 году и позволял подключение до
10 устройств. Тактовая частота шины PCI – 33 МГц, разрядность – 32 бита, пиковая скорость
передачи данных – 132 Мб/с. Поздние 64-разрядные версии PCI-шины работали на частоте
66МГц и обеспечивали скорость до 528 Мб/с. Интерфейс шины PCI предусматривал поддержку
режимов Plug-and-Play, а также Bus Mastering (управление транзакциями шины), что
обеспечивало независимость шины от процессора и позволило существенно повысить
производительность компьютера. Первоначально PCI-шины признавались высокоскоростным
средством взаимодействия, поэтому использовались для связи между северным и южным
мостом системной платы. В современных ПК PCI-шины – это самый медленный способ для
обмена данными, поэтому он используется только для подключения внешних устройств
(внутренний модем, сетевая карта, адаптеры беспроводной связи и т.п.) к южному мосту.
Интерфейс AGP предназначен для подключения видеоадаптера к северному мосту с
прямым выходом на микропроцессор и системную память. Построенная на основе одной из
последних версий стандарта PCI, шина AGP может работать со скоростью до 133МГц/с,
обеспечивая довольно высокую скорость передачи видеоданных. Пиковая пропускная
способность шины AGP в режиме восьмикратного умножения (когда передается 8 блоков
данных за один такт) достигает 2112 Мб/с. Кроме того, стандарт AGP включил в себя
некоторые технологические усовершенствования, позволяющие осуществлять работу и
взаимодействие видеоустройства с оперативной памятью более эффективно.
Рис. 4.1. Основные интерфейсы системной шины ПК.
Рис. 4.2. Северный и южный мосты чипсета системной платы
Технология PCI Express является самым современным стандартом среди интерфейсов
локальной шины. По заявлениям специалистов, его использование позволит сохранить баланс
между производительностью микропроцессора и устройствами ввода/вывода в ближайшие 10
лет. Интерфейс PCI Express реализует технологию последовательной точечной связи с
устройствами. Все рассмотренные ранее интерфейсы локальных шин реализовывали
односвязный интерфейс, которому соответствует само понятие «шина» – среда передачи
данных с подключенными к ней устройствами. Стандарт PCI Express лишь использует
программную модель шины PCI, а на физическом уровне представляет собой
высокоскоростную многосвязную сеть, узлами которой являются либо взаимодействующие
устройства, либо коммутаторы. Скорость передачи данных между узлами зависит от
«толщины» канала связи, то есть от количества используемых для соединения «дорожек» (lane)
(от 1x до 16x). Использование соединения 1x (1 дорожка) позволяет достичь скорости до 250
Мб/с, скорость связи с максимально широким каналом достигает 4Гб/с (!). Производители
системных плат постепенно отказываются от устаревающих стандартов PCI и AGP, используя
улучшенный интерфейс PCI Express как для связи процессора и оперативной памяти с
видеоадаптером и видеопамяти (PCIex16), так и для связи с более медленными внешними
устройствами (PCIex1). Северный и южный мосты в этом случае выступают в качестве
коммутатора в сети PCI Express, соединяясь между собой выделенным PCIe каналом связи с
высокой пропускной способностью.
Рис 4.3. Использование интерфейса PCI-Ex.
Шины расширений (expansion bus) практически не используются в современных ЭВМ. К
ним относятся устаревшие на сегодняшний день стандарты ISA, EISA, VESA LB, MCA.
Периферийные шины служат для подключения к системной плате внешних
(периферийных) устройств. В настоящее время в ЭВМ встречаются следующие стандартные
интерфейсы периферийных шин:



Интерфейс ATA (AT Attachment = IDE, Integrated Drive Electronics) был
разработан в конце 80-ых и изначально предназначался для подключения
внешних запоминающих устройств (жестких дисков). Теоретическая скорость
передачи данных ограничивалась 5-10 Мбайт/с. В дальнейшем указанный
интерфейс неоднократно совершенствовался и улучшался. Во-первых, постоянно
увеличивалась максимально возможная емкость жесктих дисков, которые могли
быть подключены к компьютеру (стандарт ATA-1 – не больше 504 Мбайт, ATA-2
= EIDE, Enhanced IDE – до 128 Гбайт, действующие стандарты – до 128 Пбайт).
Во-вторых, постоянно повышалась скорость передачи данных. Действующие
стандарты ATA декларируют скорость передачи данных до 100 Мбайт/c. Втретьих, значительно увеличился набор внешних устройств, которые могут
подключаться с использованием указанного интерфейса. С 1998 года принято
говорить о версиях стандарта ATA/ATAPI (ATA Package Interface),
обеспечивающих
возможность
подключения
большого
количества
дополнительных устройств: CD-ROM, DVD-ROM, накопителей на магнитных
лентах, гибких дисков большой емкости (т.н. ARMD – ATAPI Removable Media
Devices). В-четвертых, на развитие интерфейса ATA повлияло развитие
технологии DMA (прямого обмена данными между ОЗУ и внешним устройством
без загрузки центрального процессора), которая пришла на смену обычного
метода обмена данными с жестким диском с использованием процессора (PIO –
Programmed Input/Output). Все стандарты ATA, начиная с версии 4, поддерживают
технологию UDMA (Ultra DMA). Каждая последующая версия стандарта
содержала в себе и иные, не упомянутые здесь улучшения. Обычно на
материнских платах реализованы два канала интерфейса ATA, к каждому из
которых можно подключить до двух внешних устройств (в действующих
спецификациях – device0 и device1, обозначения master и slave – считаются
устаревшими).
Интерфейс SATA (Serial ATA) был впервые предложен в 2003 году. Как и в случае
с локальными интерфейсами PCI и PCI Express здесь наблюдается переход от
низкоскоростного параллельного интерфейса (когда за один раз передается
несколько – в данном случае 16 – бит информации) к высокоскоростному
последовательному (когда за один раз передается 1 бит информации).
Предыдущие версии интерфейса ATA теперь часто обозначают как PATA (Parallel
ATA). Первая версия интерфейса SATA позволяет передавать данные со
скоростью до 150 Мбайт/с. Кроме высокой скорости передачи данных, стандарт
также содержит в себе некоторые улучшения, позволяющие повысить
эффективность доступа к данным жесткого диска (например, технологию NCQ –
Native Command Queuing). Сейчас уже существует второе поколение интерфейса
SATA (SATA II или SATA/300), позволяющее повысить скорость обмена
данными до 300 Мбайт/с, а в дальнейшем планируется поднять ее до 600 Мбайт/с.
Кроме того, ведутся работы над проектированием интерфейса eSATA (External
SATA) для подключения внешних (по отношению к корпусу ЭВМ) устройств. Он
позволяет увеличить длину соединяющего кабеля до 2 метров (SATA – 1 м, PATA
– 46 см) и показывает фактическую скорость передачи данных на уровне 100
Мбайт/с. Тем не менее, подавляющее большинство производителей пока не
оснащают свои системные платы каналом с eSATA интерфейсом.
Интерфейс SCSI (Small Computer System Interface) стал стандартом в 1986 году и
в настоящее время продолжает использоваться (разумеется, в модифицированных
версиях) для подключения таких периферийных устройств, как принтеры,
сканеры, внешние устройства для чтения и записи CD/DVD, а также для
подключения массивов жестких дисков на мощных рабочих станциях и серверах.
Особенностью SCSI-интерфейса изначально стало то, что он фактически является




упрощенным вариантом системной шины. Все устройства подключаются к SCSIконтроллеру, который осуществляет многие функции по управлению и передаче
данных автономно, без загрузки центрального процессора. Одна из современных
реализаций SCSI-интерфейса (Ultra-320 SCSI) позволяют подключить к ЭВМ до
15 внешних устройств, ограничивают максимальную длину соединяющего кабеля
12 метрами и обеспечивают скорость передачи данных до 320 Мбайт/с. В
настоящее время ведется разработка и стандартизация последовательной версии
SCSI интерфейса (Serial SCSI).
Последовательный интерфейс RS-232 предназначен для обмена информации с
устройствами, подключенными к последовательному порту компьютера (COMпорту). Раньше последовательный порт широко использовался для подключения
мыши, клавиатуры, модема и иных периферийных устройств. Сейчас его
использование постепенно снижается за счет перехода к USB-интерфейсу.
Параллельные интерфейсы стандарта IEEE 1284 довольно долго
использовались для подключения к параллельному порту компьютера (LPTпорту) таких устройств как принтер, сканер, цифровые камеры и т.п. Скорость
передачи данных через параллельный порт не превышает 2.5 Мбайт/с, поэтому в
настоящее время использование указанного стандарта в персональных
компьютерах сходит на нет. Тем не менее, промышленные печатающие
устройства все еще довольно широко используют интерфейс ECP (External
Capabilities Port, порт с расширенными возможностями) из стандарта IEEE 1284
(наряду с интерфейсами SCSI).
Интерфейс PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association)
или интерфейс PC Card изначально создавался как внешняя шина ноутбуков,
предназначенная для расширения их (внешней) памяти. Однако постепенно
интерфейс стал использоваться для взаимодействия с самыми разными
периферийными устройствами для компьютеров данного класса. Интерфейс
поддерживает автоконфигурирование и горячую замену устройств в процессе
работы компьютера. Более современным стандартом считается интерфейс
CardBus, разработанный на основе интерфейса PCMCIA и стандартизованный в
1997 году. Интерфейс CardBus очень напоминает локальный PCI-интерфейс,
реализованный в форм-факторе «карта». Некоторые специалисты считают, что
постепенно PCMCIA будет вытеснен интерфейсом USB.
Интерфейсы USB и FireWire (стандарт IEEE 1394) относятся к универсальным
последовательным интерфейсам и в настоящее время широко используются для
подключения огромного количества устройств. Между ними много общего,
поэтому предлагается рассмотреть их в сравнении.
Характеристика
Расшифровка названия
Год разработки
Разработчики
Тип интерфейса
Максимальная скорость
передачи данных
Макс. количество
подключаемых устройств
Технология взаимодействия
устройств
USB
Universal Serial Bus,
Универсальная
последовательная шина
1996 (январь)
Intel, Apple, Hewlett-Packard,
Microsoft и др.
последовательный
До 12 Мбит/с (USB 1.0),
До 480 Мбит/с (USB 2.0)
127
FireWire
«Огненный провод»
последовательный
До 400 Мбит/с (FireWire 400),
До 800 Мбит/с (FireWire 800)
63
Клиент-сервер
Одноранговая сеть
1995
Apple
Макс. длина кабеля (без
использования доп. устройств)
Автоконфигурирование
Возможность горячей замены
Эл. питание
Распространенность
5 метров
4.5 метра
Да
Да
Да
Потребительские продукты
(свыше 1 млрд. устройств к
началу 2004 года)
Да
Да
Да
Профессиональные продукты
(например, аудио/видео
устройства)