Интерфейсы - МГГУ им. М.А.Шолохова

Основные компоненты, установленные на системной плате:

Центральный процессор.
Основная статья: Центральный процессор
 набор системной логики (англ. chipset) — набор микросхем, обеспечивающих подключение
ЦПУ к ОЗУ и контроллерам периферийных устройств. Как правило, современные наборы
системной логики строятся на базе двухСБИС: «северного» и «южного мостов».

Северный мост (англ. Northbridge), MCH (Memory controller hub), системный
контроллер — обеспечивает подключение ЦПУ к узлам, использующим
высокопроизводительные шины: ОЗУ, графический контроллер.
Для подключения ЦПУ к системному контроллеру могут использоваться такие FSB-шины,
как Hyper-Transport иSCI.
Обычно к системному контроллеру подключается ОЗУ. В таком случае он содержит в себе
контроллер памяти. Таким образом, от типа применённого системного контроллера обычно
зависит максимальный объём ОЗУ, а также пропускная способность шины памяти
персонального компьютера. Но в настоящее время имеется тенденция встраивания
контроллера ОЗУ непосредственно в ЦПУ (например, контроллер памяти встроен в
процессор в AMD K8 и Intel Core i7), что упрощает функции системного контроллера и
снижает тепловыделение.
В качестве шины для подключения графического контроллера на современных системных
платах используетсяPCI Express. Ранее использовались общие шины (ISA, VLB, PCI) и
шина AGP.

Южный мост (англ. Southbridge), ICH (I/O controller hub), периферийный
контроллер — содержит контроллеры периферийных устройств
(жёсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин для подключения
периферийных устройств (шины PCI, PCI-Express и USB), а также
контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не требующие
высокой пропускной способности (LPC — используется для
подключения загрузочного ПЗУ; также шина LPC используется для
подключения мультиконтроллера (англ. Super I/O) — микросхемы,
обеспечивающей поддержку «устаревших» низкопроизводительных
интерфейсов передачи данных: последовательного и параллельного
интерфейсов, контроллера клавиатуры и мыши).
Как правило, северный и южный мосты реализуются в виде отдельных СБИС, однако
существуют и одночиповые решения. Именно набор системной логики определяет все
ключевые особенности системной платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.
Основная статья: Чипсет
 Оперативная память (также оперативное запоминающее устройство, ОЗУ).
Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой индивидуальный адрес.
Оперативная память передаёт процессору данные непосредственно, либо
через кеш-память. ОЗУ изготавливаться как отдельный блок; также может
входить в конструкцию однокристальной ЭВМ или микроконтроллера в
виде оперативной памяти.
Основная статья: Оперативная память
[править]Классификация
системных плат по форм-
фактору
Основная статья: Форм-фактор (техника)
Форм-фактор системной платы — стандарт, определяющий
размеры системной платы для персонального компьютера, места ее
крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов
шин, портов ввода/вывода, разъёма центрального процессора (если
он есть) и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для
подключения блока питания.
Форм-фактор (как и любые другие стандарты) носит
рекомендательный характер. Спецификация форм-фактора
определяет обязательные и опциональные компоненты. Однако
подавляющее большинство производителей предпочитают
соблюдать спецификацию, поскольку ценой соответствия
существующим стандартам является совместимость системной
платы и стандартизированного оборудования (периферии, карт
расширения) других производителей.

Устаревшие: Baby-AT; Mini-ATX; полноразмерная плата AT; LPX.

Современные: АТХ; microATX; Flex-АТХ; NLX; WTX, CEB.

Внедряемые: Mini-ITX и Nano-ITX; PicoITX; BTX, MicroBTX и PicoBTX
Существуют системные платы, не соответствующие никаким из
существующих форм-факторов (см. таблицу). Обычно это
обусловлено либо тем, что
производимый компьютерузкоспециализирован, либо желанием
производителя системной платы самостоятельно производить и
периферийные устройства к ней, либо невозможностью
использования стандартных компонентов (так называемый «бренд»,
например Apple Computer, Commodore, Silicon Graphics, Hewlett
Packard, Compaq чаще других игнорировали стандарты; кроме того
в нынешнем виде распределённый рынок производства
сформировался только к 1987 году, когда многие производители уже
создали собственные платформы[источник не указан 35 дней]).
Наиболее известными производителями системных плат на
российском рынке в настоящее время являются
фирмы Asus, Gigabyte, MSI, Intel, Elitegroup, ASRock[источник не указан 35 д
ней].
Ранее большой известностью пользовались платы
фирм Abit и Epox[источник не указан 35 дней]. На сегодня обе фирмы
прекратили выпуск системных плат. Из российских производителей
системных плат можно упомянуть только компанию Формоза,
которая производила платы, используя компоненты фирм Lucky
Star и Albatron[источник не указан 35 дней]. Из украинских — корпорацию
«Квазар-Микро».[1]
Важнейшим узлом компьютера является системная плата (system board), иногда
называемая материнской (motherboard), основной или главной платой (main board); все
эти термины взаимозаменяемы.
Существует несколько наиболее распространенных формфакторов, учитываемых при
разработке системных плат. Формфактор (form factor) определяет физические параметры
платы и тип корпуса, в котором она может быть установлена. Формфакторы системных
плат могут быть стандартными (т.е. взаимозаменяемыми) и нестандартными.
Наиболее известные формфакторы системных плат перечислены ниже:
Устаревшие: Baby-AT, AT, LPX, WTX, ITX
Современные: BTX, Micro BTX, Pico BTX, ATX, Micro ATX, FlexATX, DTX, Mini-ITX, NLX.
На сегодняшний день существует четыре преобладающих типоразмера материнских плат
– AT, ATX, LPX и NLX. Кроме того, есть уменьшенные варианты формата AT (Baby-AT),
ATX (Mini-ATX, microATX) и NLX (microNLX).
AT
Форм-фактор АТ делится на две, отличающиеся по размеру модификации - AT и Baby AT.
Размер полноразмерной AT платы достигает до 12" в ширину, а это значит, что такая
плата вряд ли поместится в большинство сегодняшних корпусов. Монтажу такой платы
наверняка будет мешать отсек для дисководов и жестких дисков и блок питания. Кроме
того, расположение компонентов платы на большом расстоянии друг от друга может
вызывать некоторые проблемы при работе на больших тактовых частотах. Поэтому после
материнских плат для процессора 386, такой размер уже не встречается.
Таким образом единственные материнские платы, выполненные в форм-факторе AT,
доступные в широкой продаже, это платы соответствующие форматы Baby AT. Размер
платы Baby AT 8.5" в ширину и 13" в длину. В принципе, некоторые производители могут
уменьшать длину платы для экономии материала или по каким-то другим причинам. Для
крепления платы в корпусе в плате сделаны три ряда отверстий.
Все AT платы имеют общие черты. Почти все имеют последовательные и параллельные
порты, присоединяемые к материнской плате через соединительные планки. Они также
имеют один разъем клавиатуры, впаянный на плату в задней части. Гнездо под процессор
устанавливается на передней стороне платы. Слоты SIMM и DIMM находятся в
различных местах, хотя почти всегда они расположены в верхней части материнской
платы.
LPX
Еще до появления ATX, первым результатом попыток снизить стоимость PC стал формфактор LPX. Предназначался для использования в корпусах Slimline или Low-profile.
Задача была решена путем довольно новаторского предложения - введения стойки.
Вместо того, чтобы вставлять карты расширения непосредственно в материнскую плату, в
этом варианте они помешаются в подключаемую к плате вертикальную стойку,
параллельно материнской плате. Это позволило заметно уменьшить высоту корпуса,
поскольку обычно именно высота карт расширения влияет на этот параметр. Расплатой за
компактность стало максимальное количество подключаемых карт - 2-3 штуки. Еще одно
нововведение, начавшее широко применяться именно на платах LPX - это
интегрированный на материнскую плату видеочип. Размер корпуса для LPX оставляет 9 х
13'', для Mini LPX - 8 x 10''.
После появления NLX, LPX начал вытесняться этим форм-фактором.
ATX
Особенности:






1. Интегрированные разъемы портов ввода-вывода. На всех современных платах
коннекторы портов ввода-вывода присутствуют на плате, поэтому вполне естественным
выглядит решение расположить на ней и их разъемы, что приводит к довольно
значительному снижению количества соединительных проводов внутри корпуса. К тому
же, заодно среди традиционных параллельного и последовательного портов, разъема для
клавиатуры, нашлось место и для новичков – портов PS/2 и USB. Кроме всего, в результате
несколько снизилась стоимость материнской платы, за счет уменьшения кабелей в
комплекте.
2. Значительно увеличившееся удобство доступа к модулям памяти. В результате всех
изменений гнезда для модулей памяти переехали дальше от слотов для материнских плат,
от процессора и блока питания. В результате наращивание памяти стало в любом случае
минутным делом, тогда как на Baby AT материнских платах порой приходится браться за
отвертку.
3. Уменьшенное расстояние между платой и дисками. Разъемы контроллеров IDE и FDD
переместились практически вплотную к подсоединяемым к ним устройствам. Это
позволяет сократить длину используемых кабелей, тем самым повысив надежность
системы.
4. Разнесение процессора и слотов для плат расширения. Гнездо процессора перемещено с
передней части платы на заднюю, рядом с блоком питания. Это позволяет устанавливать в
слоты расширения полноразмерные платы - процессор им не мешает. К тому же, решилась
проблема с охлаждением - теперь воздух, засасываемый блоком питания, обдувает
непосредственно процессор.
5. Улучшено взаимодействие с блоком питания. Теперь используется один 20-контактный
разъем, вместо двух, как на AT платах. Кроме того добавлена возможность управления
материнской платой блоком питания – включение в нужное время или по наступлению
определенного события, возможность включения с клавиатуры, отключение операционной
системой, и т.д.
6. Напряжение 3.3 В. Теперь напряжение питания 3.3 В, весьма широко используемое
современными компонентами системы, (взять хотя бы карты PCI!) поступает из блока
питания. В AT-платах для его получения использовался стабилизатор, установленный на
материнской плате. В ATX-платах необходимость в нем отпадает.
NLX
в 1997 году, как развитие идеи LPX, учитывающее появление новых технологий,
появилась спецификация форм-фактора NLX. Формата, нацеленного на применение в
низкопрофильных корпусах. При ее создании брались во внимание как технические
факторы (например, появление AGP и модулей DIMM, интеграция аудио/видео
компонентов на материнской плате), так и необходимость обеспечить большее удобство в
обслуживании. Так, для сборки/разборки многих систем на базе этого форм-фактора
отвертка не требуется вообще.
Как видно на схеме, основные черты материнской платы NLX, это:


Стойка для карт расширения, находящаяся на правом краю платы. Причем
материнская плата свободно отсоединяется от стойки и выдвигается из корпуса,
например, для замены процессора или памяти.
Процессор, расположенный в левом переднем углу платы, прямо напротив
вентилятора.


Вообще, группировка высоких компонентов, вроде процессора и памяти, в левом
конце платы, чтобы позволить размещение на стойке полноразмерных карт
расширения.
Нахождение на заднем конце платы блоков разъемов ввода/вывода одинарной (в
области плат расширения) и двойной высоты, для размещения максимального
количества коннекторов.
Вообще, стойка – очень интересная вещь. Фактически, это одна материнская плата,
разделенная на две части – часть, где находятся собственно системные компоненты, и
подсоединенная к ней через 340 контактный разъем под углом в 90 градусов часть, где
находятся всевозможные компоненты ввода/вывода – карты расширения, коннекторы
портов, накопителей данных, куда подключается питание.
WTX
Однако, с другого стороны, мощные рабочие станции и серверы спецификации AT и ATX
тоже не вполне устраивают. Там свои проблемы, где стоимость играет не самую главную
роль. На передний план выходят обеспечение нормального охлаждения, размещение
больших объемов памяти, удобная поддержка многопроцессорных конфигураций,
большая мощность блока питания, размещение большего количество портов контроллеров
накопителей данных и портов ввода/вывода. Так в 1998 году родилась спецификация
WTX. Ориентированная на поддержку двухпроцессорных материнских плат любых
конфигураций, поддержку сегодняшних и завтрашних технологий видеокарт и памяти.
Особое внимание, пожалуй, стоит уделить двум новым компонентам -Board Adapter Plate
(BAP)и Flex Slot.
В этой спецификации разработчики попытались отойти от привычной модели, когда
материнская плата крепится к корпусу посредством расположенных в определенных
местах крепежных отверстий. Здесь она крепится к BAP, причем способ крепления
оставлен на совести производителя платы, а стандартный BAP крепится к корпусу.
Помимо обычных вещей, вроде размеров платы (14 х 16.75''), характеристик блока
питания (до 850 Вт), и т.д., спецификация WTX описывает архитектуру Flex Slot - в
каком-то смысле, AMR для рабочих станций. Flex Slot предназначен для улучшения
удобства обслуживания, придания дополнительной гибкости разработчикам, сокращению
выхода материнской платы на рынок. Выглядит Flex Slot карта примерно так:
На подобных картах могут размещаться любые PCI, SCSI или IEEE 1394 контроллеры,
звук, сетевой интерфейс, параллельные и последовательные порты, USB, средства для
контроля за состоянием системы.
FlexATX
В марте 1999 года Intel опубликовала дополнение к спецификации microATX, названное
“FlexATX”. В этом дополнении описывались системные платы еще меньшего размера, чем mi_
croATX, которые позволяют производителям создавать небольшие и недорогие системы.
Платы FlexATX уменьшенного размера предназначены для использования во многих совре_
менных ПК, особенно тех, которые отличаются невысокой ценой, размером и ориентированы
на пользователей, работающих с офисными приложениями. В некоторых платах FlexATX
даже нет слотов расширения, и вместо них используются только порты USB или IEEE_
1394/FireWire.
Формфактор FlexATX определяет системную плату, которая является наименьшей из се_
мейства ATX. Размеры этой платы — всего 229191 мм (9,07,5 дюйма).
DTX и mini(DTX
Спецификации DTX и mini_DTX были изданы в феврале 2007 года компанией AMD
и доступны на сайте www.dtxpc.org. Все это — варианты малого размера спецификаций mi_
croATX и FlexATX соответственно. Плата DTX имеет размеры 89,6 дюйма (203244 мм),
а mini_DTX — 86,7 дюйма (203170 мм). Платы mini_DTX имеют всего четыре крепежных
отверстия (C, F, H и J), в то время как DTX — на два больше (C, F, H, J, L и M) (см. рис. 4.16).
Размеры плат DTX и mini_DTX и их соотношение с размерами FlexATX представлены в
табл. 4.4. Малая ширина плат DTX и mini_DTX (203 мм) позволяет поместить на них всего
2 разъема расширения.
Mini_ATX Несколько уменьшенная версия ATX; на рынке иногда продается под маркой ATX 6
microATX Настольные компьютеры или вертикальные системы mini_tower среднего уровня.
Подходит к корпусам microATX и ATX
4
DTX Уменьшенная версия microATX, используемая в недорогих развлекательных и
прикладных системах. Подходит к корпусам DTX, microATX и ATX
2
FlexATX Уменьшенная версия microATX, используемая в малоразмерных системах.
Подходит к корпусам flexATX, microATX и ATX
3
Mini_DTX Уменьшенная версия FlexATX, используемая в малоразмерных системах.
Подходит к корпусам DTX, flexATX, microATX и ATX
Mini_ITX Версия FlexATX минимального размера, используемая в телевизионных
компьютерных приставках и компактных компьютерных системах. Представляет
собой формфактор с тесной интеграцией системных компонентов и одним
разъемом PCI. Устанавливается в корпусах mini_ITX, FlexATX, microATX и ATX
1
NLX Корпоративные настольные или вертикальные системы mini_tower, отличающиеся
простотой и удобством обслуживания. Слоты расширения находятся на плате
расширения. В современных системах практически вытеснены формфакторами
microATX, FlexATX и Mini_ITX
Типы, назначение и функционирование шин
Основой системной платы являются различные шины, служащие для передачи сигналов
компонентам системы. Шина (bus) представляет собой общий канал связи, используемый в
компьютере и позволяющий соединить два и более системных компонента.
Существует определенная иерархия шин ПК, которая выражается в том, что каждая более
медленная шина соединена с более быстрой. Современные компьютерные системы включают
в себя три, четыре или более шин. Каждое системное устройство соединено с какой_либо ши_
ной, причем определенные устройства (чаще всего это наборы микросхем) играют роль моста
между шинами.
Шина процессора. Эта высокоскоростная шина является ядром набора микросхем и
системной платы. Она используется в основном процессором для передачи данных
между кэш_памятью или основной памятью и северным мостом набора микросхем.
В системах на базе процессоров Pentium эта шина работает на частоте 66, 100, 133, 200,
266, 400, 533, 800 или 1066 МГц и имеет ширину 64 разряда (8 байт).
Шина AGP. Эта 32_разрядная шина работает на частоте 66 (AGP 1х), 133 (AGP 2х), 266
(AGP 4х) или 533 МГц (AGP 8x), обеспечивает пропускную способность до 2133 Мбайт/с
и предназначается для подключения видеоадаптера. Она соединена с северным мостом
или контроллером памяти (MCH) набора микросхем системной логики.
Шина PCI$Express. Третье поколение шины PCI. Шина PCI_Expres — это шина с
дифференциальными сигналами, которые может передавать северный или южный
мост. Быстродействие PCI_Express выражается в количестве линий. Каждая двуна_
правленная линия обеспечивает скорость передачи данных 2,5 или 5 Гбит/с в обоих
направлениях (эффективное значение — 250 или 500 Мбайт/с). Разъем с поддержкой
одной линии обозначается как PCI_Express x1. Видеоадаптеры PCI_Express обычно ус_
танавливаются в разъем x16, который обеспечивает скорость передачи данных 4 или
8 Гбайт/с в каждом направлении.
Шина PCI$X. Это второе поколение шины PCI, которое обеспечивает более высокую
скорость передачи данных, но при этом обратно совместимо с PCI. Данная шина пре_
имущественно применяется в рабочих станциях и серверах. PCI_X поддерживает 64_раз_
рядные разъемы, обратно совместимые с 64_ и 32_разрядными адаптерами PCI. Шина
PCI_X версии 1 работает с частотой 133 МГц, в то время как PCI_X 2.0 поддерживает час_
тоту до 533 МГц. Обычно полоса пропускания PCI_X 2.0 разделяется между нескольки_
ми разъемами PCI_X и PCI. Хотя некоторые южные мосты поддерживают шину PCI_X,
чаще всего для обеспечения ее поддержки требуется специальная микросхема.
Шина PCI. Эта 32_разрядная шина работает на частоте 33 МГц; она используется, на_
чиная с систем на базе процессоров 486. В настоящее время существует реализация
этой шины с частотой 66 МГц. Она находится под управлением контроллера PCI —
компонента северного моста или контроллера MCH набора микросхем системной ло_
гики. На системной плате устанавливаются разъемы, обычно четыре или более, в кото_
рые можно подключать сетевые, SCSI_ и видеоадаптеры, а также другое оборудование,
поддерживающее этот интерфейс. Шины PCI_X и PCI_Express представляют собой
более производительные реализации шины PCI; материнские платы и системы, под_
держивающие эту шину, появились на рынке в середине 2004 года.
Шина ISA. Эта 16_разрядная шина, работающая на частоте 8 МГц, впервые стала ис_
пользоваться в системах AT в 1984 году (в первоначальном варианте IBM PC она была
8_разрядной и работала на частоте 5 МГц). Эта шина имела широкое распространение,
но из спецификации PC99 была исключена. Реализуется с помощью южного моста.
Чаще всего к ней подключается микросхема Super I/O.
Некоторые современные системные платы содержат специальный разъем, получивший
название Audio Modem Riser (AMR) или Communications and Networking Riser (CNR). Подобные
специализированные разъемы предназначены для плат расширения, обеспечивающих выпол_
нение сетевых и коммуникационных функций. Следует заметить, что эти разъемы не являют_
ся универсальным интерфейсом шины, поэтому лишь немногие из специализированных плат
AMR или CNR присутствуют на открытом рынке. Как правило, такие платы прилагаются к
какой_либо определенной системной плате. Их конструкция позволяет легко создавать как
стандартные, так и расширенные системные платы, не резервируя на них место для установки
дополнительных микросхем. Большинство системных плат, обеспечивающих стандартные
сетевые функции и функции работы с модемом, созданы на основе шины PCI, так как разъе_
мы AMR/CNR имеют узкоспециализированное назначение. Разъемы AMR и CNR показаны
на рис. 4.58, а соответствующие платы — на рис. 4.59.
В современных системных платах существуют также скрытые шины, которые никак не прояв_
ляются в виде гнезд или разъемов. Имеются в виду шины, предназначенные для соединения ком_
понентов наборов микросхем, например hub_интерфейса и шины LPC. Hub_интерфейс представ_
ляет собой четырехтактную (4x) 8_разрядную шину с рабочей частотой 66 МГц, которая использу_
ется для обмена данными между компонентами MCH и ICH набора микросхем (hub_архитектура).
Пропускная способность hub_интерфейса достигает 266 Мбайт/с, что позволяет использовать его
для соединения компонентов набора микросхем в недорогих конструкциях. Некоторые со_
временные наборы микросхем для рабочих станций и серверов, а также последняя серия 9xx
от Intel для настольных компьютеров используют более быстродействующие версии этого
hub_интерфейса. Сторонние производители наборов микросхем системной логики также реа_
лизуют свои конструкции высокоскоростных шин, соединяющих отдельные компоненты на_
бора между собой.
Для подобных целей предназначена и шина LPC, которая представляет собой 4_разряд_
ную шину с максимальной пропускной способностью 16,67 Мбайт/с и применяется в качес_
тве более экономичного по сравнению с шиной ISA варианта. Обычно шина LPC использует_
ся для соединения Super I/O или компонентов ROM BIOS системной платы с основным на_
бором микросхем. Шина LPC имеет примерно равную рабочую частоту, но использует значи_
тельно меньше контактов. Она позволяет полностью отказаться от использования шины ISA
в системных платах.
Набор микросхем системной логики можно сравнить с дирижером, который руководит
оркестром системных компонентов системы, позволяя каждому из них подключиться к соб_
ственной шине. В табл. 4.74 приведены разрядность, частота и скорость передачи данных
практически всех типов шин ПК.
Системными ресурсами называются коммуникационные каналы, адреса и сигналы, используемые узлами компьютера
для обмена данными с помощью шин. Обычно под системными ресурсами подразумевают следующее:
адреса памяти;
каналы запросов прерываний (IRQ);
каналы прямого доступа к памяти (DMA);
адреса портов ввода_вывода.
Основные характеристики процессора
Процессоры можно классифицировать по двум основным параметрам: разрядности и быстродействию. Быстродействие
процессора — довольно простой параметр. Оно измеряется в
мегагерцах (МГц); Чем выше быстродействие, тем лучше (тем быстрее работает процессор). Разрядность процессора —
параметр более сложный. В процессор входит три важных устройства, основной характеристикой каждого из которых
является разрядность:
шина ввода и вывода данных (передней шиной (Front Side Bus — FSB), обозначают шину, соединяющую процессор с
основными компонентами набора микросхем системной платы (северный мост или концентратор контроллера памяти));
шина адреса памяти;
внутренние регистры.
Технический процесс(иногда пишут технология) — не основная характеристика
процессора для обычного обывателя, но знать о нем надо, чтобы понимать заумные статьи на
компьютерных сайтах. Чем меньше тех процесс, тем как говорится, лучше. По факту – это
площадь кристалла на процессоре. Чем кристаллы меньше, тем их больше можно уместить,
следовательно увеличить тактовую частоту. Да и на меньший кристалл нужно меньше подавать
напряжения, поэтому и тепловыделение уменьшается, поэтому опять же можно увеличить
тактовую частоту. Эта цепочка приведена в пример, что бы вы поняли как всё взаимосвязано. Тех
процесс в прайсах могут и не написать, но в обзорах его упоминают почти всегда.
Шина данных
Производительность и разрядность внешней шины данных являются основными характеристиками центрального
процессора, определяющими быстродействие, с которым данные передаются в процессор или из него.
Когда говорят о шине процессора, чаще всего имеют в виду шину данных, представленную
как набор соединений (или выводов) для передачи или приема данных. Чем больше сигналов
одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за определенный ин_
тервал времени и тем быстрее она работает.
Данные в компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени.
Для передачи единичного бита данных в определенный временной интервал посылается сиг_
нал напряжения высокого уровня (около 5 В), а для передачи нулевого бита данных — сигнал
напряжения низкого уровня (около 0 В). Чем больше линий, тем больше битов можно передать за одно и то же время.
Современные процессоры, начиная с Pentium и Athlon и заканчивая Core 2 и Athlon 64 X2, и даже Itanium 2, имеют
64_разрядные внешние шины данных. Это означает, что все эти процессоры могут передавать в системную память (или
получать из нее) одновременно 64 бит (8 байт) данных.
Шина адреса
Шина адреса представляет собой набор проводников, по которым передается адрес ячейки
памяти, в которую или из которой пересылаются данные. Как и в шине данных, по каждому
проводнику передается один бит, соответствующий одной цифре в адресе. Увеличение коли_
чества проводников (разрядов), используемых для формирования адреса, позволяет увели_
чить количество адресуемых ячеек. Разрядность шины адреса определяет максимальный объем
памяти, адресуемой процессором.
Шины данных и адреса независимы, и разработчики микросхем выбирают их разрядность
по своему усмотрению, но, как правило, чем больше разрядов в шине данных, тем больше их и
в шине адреса. Разрядность этих шин является показателем возможностей процессора: коли_
чество разрядов в шине данных определяет способности процессора в обмене информацией, а
разрядность шины адреса — объем памяти, с которым он может работать.
Внутренние регистры (внутренняя шина данных)
Количество битов данных, которые может обработать процессор за один прием, характеризуется разрядностью
внутренних регистров. Регистр — это, по существу, ячейка памяти
внутри процессора; например, процессор может складывать числа, записанные в двух различ_
ных регистрах, а результат сохранять в третьем регистре. Разрядность регистра определяет
количество разрядов данных, обрабатываемых процессором, а также характеристики программного обеспечения и
команд, выполняемых чипом. Например, процессоры с 32_разрядными внутренними регистрами могут выполнять
32_разрядные команды, которые обрабатывают данные 32_разрядными порциями, а процессоры с 16_разрядными
регистрами этого делать не могут. Процессоры, начиная с 386 и заканчивая Pentium 4, имели 32_разрядные регистры и
поэтому могли обеспечивать работу одних и тех же 32_разрядных приложений. Процессоры Core 2 и Athlon 64 имеют
как 32_, так и 64_разрядные регистры;
это значит, что на них можно запускать существующие 32_разрядные приложения и их новые 64_разрядные версии.
Если разрядность внутренних регистров больше разрядности внешней шины данных, то
для полной загрузки данных необходимо несколько циклов считывания. Например, в процессорах
386DХ и 386SХ внутренние регистры — 32_разрядные, но процессору 386SХ для их загрузки
необходимо выполнить два цикла считывания, а процессору 386DХ достаточно одного. Ана_
логично передаются данные и от регистров к системной шине.
Процессорам Pentium также свойственна такая архитектура. В них шина данных —
64_разрядная, а регистры — 32_разрядные. Такое построение на первый взгляд кажется стран_
ным, если не учитывать, что в этом процессоре для обработки информации используются два
32_разрядных параллельных конвейера. Pentium во многом подобен двум 32_разрядным про_
цессорам, объединенным в одном корпусе, а 64_разрядная шина данных позволяет быстрее
заполнить рабочие регистры. Архитектура процессора с несколькими конвейерами называет_
ся суперскалярной.
Современные процессоры шестого и седьмого поколений от компаний Intel и AMD имеют
шесть внутренних конвейеров для выполняемых команд. Хотя некоторые из указанных внут_
ренних конвейеров специализированы (т.е. предназначены для выполнения специальных
функций), эти процессоры все же могут выполнять несколько команд за один цикл.
Режимы процессора
Процессоры могут работать в трех режимах.
Реальный режим (16_разрядное программное обеспечение).
Режим IA_32:
защищенный режим (32_разрядное программное обеспечение);
виртуальный реальный режим (16_разрядное программное обеспечение в 32_разрядной
среде).
Расширенный 64_разрядный режим IA_32e (также называемый AMD64, x86_64 и
EM64T):
64_разрядный режим (64_разрядное программное обеспечение);
режим совместимости (32_разрядное программное обеспечение).
Реальный режим
16_разрядный режим, в котором выполнялись команды процессоров 8088 и 286, был назван реальным режимом. Все
программы, выполняемые в реальном режиме, должны использовать только 16_разрядные команды, 20_разрядные
адреса и поддерживаться архитектурой памяти, рассчитанной на емкость до 1 Мбайт. Для программного обеспечения
этого типа обычно используется однозадачный режим, т.е. одновременно может выполняться только одна программа.
Режим IA"32 (32"разрядный)
Чтобы полностью использовать преимущество 32_разрядной системы команд, были необходимы 32_разрядная
операционная
система и 32_разрядные приложения. Этот новый режим назывался защищенным, так как выполняемые в нем
программы защищены от перезаписи своих областей памяти другими программами.
Виртуальный реальный режим IA-32
Для обратной совместимости 32_разрядная система Windows использует третий режим в
процессоре — виртуальный реальный режим. По существу, это режим выполнения 16_раз_
рядной среды (реальный режим), реализованный внутри 32_разрядного защищенного режима
(т.е. виртуально, а не реально). Выполняя команды в окне командной строки DOS системы
Windows, вы создаете виртуальный сеанс реального режима. Поскольку защищенный режим
является подлинно многозадачным, фактически можно выполнять несколько сеансов реаль_
ного режима, причем в каждом сеансе собственное программное обеспечение работает на вир_
туальном компьютере. И все эти приложения могут выполняться одновременно, даже во вре_
мя работы других 32_разрядных программ.
64"разрядный расширенный режим IA"32e (AMD64, x86"64, EM64T)
Этот режим является расширением архитектуры IA_32, разработанным компанией AMD
и в дальнейшем поддержанным Intel. Процессоры, поддерживающие 64_разрядные расшире_
ния, могут работать в реальном режиме (8086), режиме IA_32 или IA_32e. При использовании
режима IA_32 процессор может работать в защищенном или виртуальном реальном режиме.
Режим IA_32e позволяет работать в 64_разрядном режиме или в режиме совместимости, что
подразумевает возможность одновременного выполнения 64_ и 32_разрядных приложений.
Режим IA_32e включает в себя два подрежима.
64_разрядный режим. Позволяет 64_разрядной операционной системе выполнять
64_разрядные приложения.
Режим совместимости. Позволяет 64_разрядной операционной системе выполнять
32_разрядные приложения.
Первый подрежим активизируется после загрузки 64_разрядной операционной системы и
используется 64_разрядными приложениями. В 64_разрядном подрежиме доступно несколько
новых функций:
64_разрядная линейная адресация памяти;
Поддержка физической памяти объемом более 4 Гбайт (определенные ограничения
накладываются процессором);
8 новых регистров общего назначения GPR (General_Purpose Register);
8 новых регистров для поточных расширений SIMD (MMX, SSE, SSE2 и SSE3);
64_разрядные регистры GPR и указатели инструкций.
Режим совместимости IE_32e позволяет запускать 32_ и 16_разрядные приложения под управ_
лением 64_разрядной операционной системы. К сожалению, старые 16_разрядные программы, ра_
ботающие в виртуальном реальном режиме (например, приложения DOS), не поддерживаются, а
значит, их выполнение невозможно. Данное ограничение наверняка будет представлять наиболь_
шую проблему для пользователей. Подобно 64_разрядному режиму, режим совместимости активи_
зируется операционной системой для отдельных приложений, благодаря чему становится возмож_
ным одновременное выполнение 64_ и 32_разрядных приложений.
Основное различие между 32_ и 64_разрядной версиями Windows — поддерживаемый
объем памяти, поскольку 32_разрядные версии не поддерживают более 4 Гбайт физической
памяти, а также больше 2 Гбайт выделенной памяти на процесс. В то же время 64_разрядные
версии Windows поддерживают до 128 Гбайт физической памяти (при выделении до 4 Гбайт
на каждый 32_разрядный процесс, или до 8 Гбайт на каждый 64_разрядный процесс). Под_
держка больших объемов памяти означает, что приложения могут загружать больше инфор_
мации в память, а значит, процессор может быстрее обращаться к данным.
Быстродействие процессора
Быстродействие — это одна из характеристик процессора, которую зачастую толкуют по_
разному. Из этого раздела вы узнаете о быстродействии процессоров Intel, AMD и VIA/Cyrix.
Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой
в мегагерцах (МГц). Она определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего
собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. В новых материн_
ских платах кварцевый резонатор может быть интегрирован в набор микросхем системной
логики. Под воздействием электрического напряжения в кристалле кварца возникают коле_
бания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Частота
этого переменного тока и называется тактовой частотой. Микросхемы обычного компьюте_
ра работают на частоте нескольких миллионов или миллиардов герц.
Наименьшей единицей измерения времени (квантом) для процессора как логического
устройства является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую операцию затрачивается минимум один
такт. Например, первый обмен данными с памятью процессор Pentium 4 выполняет минимум за три такта; последующие
3–6 операций обмена данными выполняются за один такт. Дополнительные циклы первой операции обмена данными
называют циклами ожидания. Цикл ожидания — это такт, в котором ничего не происходит; он необходим только для
того, чтобы процессор не “убегал” вперед от менее быстродействующих узлов компьютера.
Различается и время, затрачиваемое на выполнение команд.
8086 и 8088. В этих процессорах на выполнение одной команды уходит примерно 12 тактов.
286 и 386. В этих процессорах время выполнения команд уменьшено примерно до 4,5
тактов.
486 и большинство Intel_совместимых процессоров четвертого поколения, таких как
AMD 5x86, уменьшили этот параметр до 2 тактов.
Pentium и K6. Архитектура процессоров Pentium и других Intel_совместимых процес_
соров пятого поколения, созданных в AMD и Cyrix, включающая в себя двойные кон_
вейеры команд и прочие усовершенствования, обеспечила выполнение одной или двух
команд за один такт.
От Pentium Pro до Core 2 и от Athlon до Athlon X2. Процессоры шестого и седьмого
поколений, созданные компаниями AMD и Cyrix, позволяют выполнить минимум три
команды за каждый такт. В многоядерных процессорах этот показатель умножается на
количество ядер.
Процессор 486 обладает более высоким быстродействием по сравнению с 386_м, так как на
выполнение команды ему требуется в среднем в два раза меньше тактов, чем 386_му; процес_
сору Pentium требуется в два раза меньше тактов, чем 486_му. Таким образом, процессор 486
с тактовой частотой 133 МГц (типа AMD 5x86_133) работает даже медленнее, чем Pentium с
тактовой частотой 75 МГц!
Кэш"память
Следует заметить, что, несмотря на повышение скорости ядра процессора, быстродействие
памяти остается на прежнем уровне. При этом возникает вопрос, как добиться повышения
производительности процессора, если память, используемая для передачи данных, работает
довольно медленно? Ответ прост: использовать кэш. Попросту говоря, кэш_память представ_
ляет собой быстродействующий буфер памяти, используемый для временного хранения дан_
ных, которые могут потребоваться процессору. Это позволяет получать необходимые данные
быстрее, чем при извлечении из оперативной памяти.
Буфер содержит случайные данные, которые обычно обрабатываются по принципу
“первым получен, первым выдан” или “первым получен, последним выдан”. Кэш_память, в
свою очередь, содержит данные, которые могут потребоваться процессору с определенной
степенью вероятности. Это позволяет процессору работать практически с полной скоростью,
без ожидания данных, извлекаемых из более медленной оперативной памяти. Кэш_память
реализована в виде микросхем статической оперативной памяти (SRAM), установленных на
системной плате или интегрированных в процессор.
В современных ПК используются два уровня кэш_памяти, получившие название кэш_
памяти первого (L1) и второго (L2) уровней. В некоторых процессорах применяется кэш_
память третьего уровня — L3, однако такие случаи редки. Организация и функционирование
кэш_памяти разных уровней рассматривается в следующих разделах.
Типы процессоров
В основном в микропроцессоры встроены микроконтроллеры. Второй по распространенности тип
процессора - общий процессор для настольных ПК, таких как Intel Pentium или AMD Athlon's. Менее
распространены чрезвычайно мощные процессоры, используемые для высокопроизводительных
серверов, таких как сервер Sun SPARC, IBM Power, или Intel Itanium.
Классификация процессоров:
http://www.openclass.ru/node/27313
Оперативная память
Оперативная память — это рабочее пространство процессора компьютера. В нем во время работы хранятся программы
и данные, которыми оперирует процессор. Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище,
потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса
(reset). Перед
выключением питания или нажатием кнопки сброса все данные, изменявшиеся во время ра#
боты, необходимо сохранить на устройстве долгосрочного хранения (обычно это жесткий
диск). При очередном включении питания сохраненная информация вновь может быть за#
гружена в память.
Оперативную память иногда называют памятью с произвольным доступом (Random Access Memory — RAM). Это
означает, что обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависит от порядка их расположения в ней.
Однако этот термин вносит некоторую путаницу и является причиной заблуждений. Дело в том, что память, доступная
только для чтения (Read#Only Memory — ROM), также имеет произвольный доступ, но отличается от RAM тем, что ее
содержимое не пропадает при выключении питания и в нее ничего нельзя за#
писать. Несмотря на то что жесткие диски также могут использоваться в качестве виртуаль_
ной памяти с произвольным доступом, их не относят к категории RAM.
За несколько лет определение RAM превратилось из обычной аббревиатуры в термин, оз#
начающий основное рабочее пространство памяти, создаваемое микросхемами динамической
оперативной памяти (Dynamic RAM — DRAM) и используемое процессором для выполнения
программ. Одним из свойств микросхем DRAM (и, следовательно, оперативной памяти в це#
лом) является динамическое хранение данных, что означает, во#первых, возможность много#
кратной записи информации в оперативную память и, во#вторых, необходимость постоянного
обновления данных (т.е., в сущности, их перезапись) примерно каждые 15 мс (миллисекунд).
Существует и так называемая статическая оперативная память (Static RAM — SRAM), не
требующая постоянного обновления данных. Следует заметить, что в любом случае данные
сохраняются в оперативной памяти только до выключения питания.
В современных компьютерах используются запоминающие устройства трех основных типов.
ROM. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), не способное записывать дан#
ные.
DRAM. Динамическое запоминающее устройство с произвольным порядком выборки.
SRAM. Статическая оперативная память.
Единственным типом памяти, которую приходится приобретать и устанавливать в ком#
пьютере, является динамическая (DRAM). Остальные ее типы встроены либо в материнскую
плату (ROM), либо в процессор (SRAM), либо в другие компоненты, такие как видеокарты,
жесткие диски и т.п.
Память типа ROM
В памяти типа ROM (Read Only Memory), или ПЗУ (постоянное запоминающее устрой#
ство), данные можно только хранить; изменять их нельзя. Именно поэтому данная память ис#
пользуется только для чтения данных. ROM также часто называют энергонезависимой памя_
тью, потому что любые записанные в нее данные сохраняются при выключении питания. По#
этому в ROM помещаются команды запуска ПК, т.е. программное обеспечение, которое
загружает систему.
Заметьте, что ROM и оперативная память — не противоположные понятия, как думают
многие. На самом деле ROM представляет собой часть оперативной памяти системы. Други#
ми словами, часть адресного пространства оперативной памяти отводится для отображения
ROM. Это необходимо для ускорения загрузки системы после включения питания.
Основной код BIOS содержится в микросхеме ROM на системной плате, но на платах
адаптеров также имеются аналогичные микросхемы. Они содержат вспомогательные подпрограммы BIOS и драйверы,
необходимые для конкретной платы, особенно для тех плат, кото#
рые должны быть активизированы на раннем этапе начальной загрузки
В настоящее время в большинстве систем используется одна из форм флэш#памяти, кото#
рая называется электрически стираемой программируемой постоянной памятью (Electrically
Erasable Programmable Read#only Memory — EEPROM). Флэш#память действительно являет#
ся энергонезависимой и перезаписываемой и позволяет пользователям легко модифициро#
вать ROM, программно#аппаратные средства системных плат и других компонентов (таких,
как видеоадаптеры, платы SCSI, периферийные устройства и т.п.).
Память типа DRAM
Динамическая оперативная память (Dynamic RAM — DRAM) используется в большинстве систем оперативной памяти
современных ПК. Основное преимущество памяти этого типа состоит в том, что ее ячейки очень плотно упакованы, т.е.
в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно организовать память большой
емкости.
Ячейки памяти в микросхеме DRAM — это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно так
(наличием или отсутствием зарядов) и кодируются биты. Проблемы, связанные с памятью этого типа, вызваны тем, что
она динамическая, т.е. должна постоянно регенерироваться, так как в противном случае электрические заряды в
конденсаторах памяти будут “стекать” и данные будут потеряны. Регенерация происходит, когда контроллер памяти
системы берет крошечный перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхемах памяти.
В устройствах DRAM для хранения одного бита используются только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому
они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти.
Кэш_память ____ SRAM
Существует тип памяти, совершенно отличный от других, — статическая оперативная память (Static RAM — SRAM).
Она названа так потому, что, в отличие от динамической оперативной памяти (DRAM), для сохранения ее содержимого
не требуется периодической регенерации. Но это не единственное ее преимущество. SRAM имеет более высокое
быстродействие, чем DRAM, и может работать на той же частоте, что и современные процессоры.
Время доступа в памяти SRAM — не более 2 нс; это означает, что такая память может работать синхронно с
процессорами на частоте 500 МГц и выше. Однако для хранения каждого бита в конструкции SRAM используется
кластер из шести транзисторов. Использование транзисторов без каких#либо конденсаторов означает, что нет
необходимости в регенерации.
(Ведь если нет конденсаторов, то и заряды не теряются.) Пока подается питание, SRAM будет помнить то, что
сохранено.
Чтобы минимизировать время ожидания при считывании процессором данных из медленной оперативной памяти, в
современных ПК обычно предусмотрены три типа кэш-памяти: кэш_память первого уровня (L1), кэш_память второго
уровня (L2) и кэш_память третьего уровня (L3). Кэш#память первого уровня также называется встроенным или
внутренним кэшем; он непосредственно встроен в процессор и фактически является частью микросхемы процессора. Во
всех процессорах 486 и более новых кэш#память первого уровня интегрирована в микросхему, что значительно
повысило их быстродействие по сравнению с
предыдущими моделями. Кэш#память второго уровня называется вторичным или внешним
кэшем. В момент своего появления он устанавливался вне микросхемы процессора; так было
во всех компьютерах на основе процессоров 386, 486 и Pentium. Если кэш#память второго
уровня установлена на системной плате, то она работает на ее частоте. В этом случае кэш#
память второго уровня обычно помещалась рядом с разъемом процессора.
Чтобы минимизировать время ожидания при считывании процессором данных из медленной оперативной памяти, в
современных ПК обычно предусмотрены три типа кэш-памяти: кэш_память первого уровня (L1), кэш_память второго
уровня (L2) и кэш_память
третьего уровня (L3).
Начиная с 1999 года кэш#память второго уровня стала частью процессора, поскольку была
интегрирована непосредственно в процессорное ядро наравне с кэш#памятью первого уровня.
При этом кэш#память второго уровня работает на полной частоте процессора, обеспечивая на
порядок большую производительность. Кэш#память второго уровня во многих старых про#
цессорах работала на частоте, составляющей половину или одну треть частоты ядра процес#
сора. Быстродействие кэш#памяти имеет особое значение, поэтому компьютеры с кэш#
памятью, представляющей собой отдельную микросхему, установленную на системной плате,
обладали небольшой производительностью. Перенос кэш#памяти в один корпус с процессо#
ром улучшил положение дел, а добавление кэш#памяти непосредственно в ядро обеспечило
оптимальные результаты. Таким образом, любой процессор с кэш#памятью второго уровня,
интегрированной в ядро и работающей на полной частоте процессора, обладает значительным
преимуществом в быстродействии по сравнению с другими схемами использования кэш#
памяти второго уровня.