Тема 1.3. Компоненты компьютера

-1Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
Лекция 1-03
Тема 1.3. Компоненты компьютера
1.3.1. Устройства и компоновка компьютера
1.3.2. Шинный интерфейс
1.3.3. Стандарты шинного интерфейса
1.3.4. Материнская плата
1.3.5. Компоненты центрального процессора
1.3.6. Основные характеристики центрального процессора
1.3.7. Системные ресурсы компьютера
1.3.8. Стандарт Plug & Play
Тема 1.3. Компоненты компьютера
1.3.1. Устройства и компоновка компьютера
Несмотря на то, что компьютеры разного класса и разного назначения, основные
компоненты и принципы компоновки в этих компьютерах несущественно отличаются
друг от друга. Поэтому рассмотрение компонент компьютера в дальнейшем будет
проводиться применительно к IBM-совместимым ПК.
Для функционирования компьютера в настоящее время необходим следующий
минимальный набор устройств:
 материнская плата (motherboard);
 центральный процессор (processor);
 память (storage);
 стандартное устройством вывода – дисплей (display), или монитор (monitor);
 устройство сопряжения дисплея с компьютером, называемое видеокартой
(video card) или видеоконтроллером (video controller);
 стандартное устройство ввода – клавиатура (keyboard);
 блок питания (power supply).
В связи с тем, что в современных операционных системах с графическим
интерфейсом многие операции выполняются с помощью мыши или аналогичных ей
устройств, одно из этих устройств также входят в минимальный состав ПК.
Материнская плата, называемая также системной платой (system board) или
главной платой (main board) является устройством, которое управляет внутренними
связями и взаимодействует с внешними устройствами. На материнской плате
размещаются все основные элементы компьютера, линии соединения и разъемы для
подключения других устройств.
Центральным процессор непосредственно осуществляет обработку информации
и выполняет функции управления работой всего компьютера в соответствии с заданной
программой, называется (в современном ПК в некоторых устройствах могут
использоваться свои процессоры). Центральный процессор (в дальнейшем будем называть
его просто процессор) занимает главенствующую ступень в иерархии устройств
компьютера, являясь, с одной стороны, самым важным и самым сложным его устройством
и, с другой стороны, во многом определяющим возможности конкретного компьютера по
обработке данных.
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-2Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
Память в современном компьютере имеет иерархическую структуру. Это связано с
тем, что стоимость памяти существенно возрастает с увеличением ее быстродействия.
В компьютере можно выделить три уровня памяти:
1. Регистровая память.
2. Оперативная память.
3. Внешняя память.
Регистровая память является самой быстродействующей, но и самой маленькой
по объему памятью (обычно несколько сот байт). В регистровую память помещаются
некоторое системные данные (например, адрес следующей команды, которую будет
выполнять процессор), исходные данные и результаты выполнения некоторых команд
процессора, а также часто используемые в программе данные.
Оперативная память имеет значительно больший объем (от нескольких десятков
мегабайт до нескольких гигабайт) и используется для временного хранения программ и
данных при их обработке. Так, при запуске программы она предварительно загружается с
устройства внешней памяти и уже затем начинает выполняться.
Регистровая память и оперативная память являются энергозависимыми
устройствами, т.е. при выключении компьютера находящиеся на этих устройствах
данные теряются. Устройства внешней памяти являются энергонезависимыми и
предназначены
для длительного хранения данных. Этот уровень памяти является
наименее быстродействующим и объединяет большую группу устройств, существенно
отличающихся как по объему, так и по скорости доступа к данным. Наиболее
распространенными устройствами этого уровня являются дисководы жестких и гибких
дисков, а также дисководы CD-ROM. Устройства внешней памяти могут быть со
съемными носителями данных, например дисководы гибких дисков и дисководы CDROM. В других устройствах носители данных жестко зафиксированы в устройстве,
например, в дисководах жестких дисков (хотя существуют съемные дисководы жестких
дисков). Объем и быстродействие устройств со съемными носителями, как правило,
значительно ниже, чем устройств с фиксированными носителями.
Для увеличения скорости доступа к данным в компьютере используется буферная
память и кэш-память.
Буферная память используется для увеличения быстродействия компьютера при
обмене с внешними устройствами. Поскольку скорость доступа к внешнему устройству
значительно ниже, чем скорость обработки данных в процессоре, процессор обычно
простаивает в ожидании окончания ввода-вывода. Чтобы этого не происходило, фрагмент
данных при чтении предварительно считывается с устройства в буферную память. При
записи данных фрагмент данных сначала записывается в буферную память, а затем из
буферной памяти на устройство. Увеличение быстродействия происходит за счет того, что
обмен между буферной памятью и внешним устройством выполняется без участия
процессора (он в это время может выполнять другие процессы). Буферная память
реализуется либо аппаратно в электронной схеме устройства ввода-вывода, либо
программно в оперативной памяти компьютера.
Кэш-память (cache – убежище, склад), помимо функции буферизации, сохраняет
наиболее часто используемые данные или те данные, к которым недавно происходило
обращение. Эти данные помещаются в более быстродействующую память, чем тот вид
памяти, который используется для хранения этих данных. Так, целесообразно таблицы
размещения файлов на дисках поместить в оперативную память, поскольку при обработке
данных обращение к этой таблице происходит довольно часто. Такие же данные в
оперативной памяти обычно помещают в память, выполненную на более
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-3Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
быстродействующих элементах, чем оперативная память. Такая память называется кэшпамятью, и она обычно размещается на материнской плате и/или плате процессора.
Дисплей и видеоконтроллер, вместе образующие видеосистему компьютера,
обеспечивают вывод данных для пользователя в текстовом и графическом виде.
Клавиатура предназначена для ввода текстовой информации в компьютер, а также
для перемещения курсора по экрану в полноэкранных и графических приложениях. Кроме
того, современные клавиатуры имеют клавиши, запускающие выполнение самых
распространенных операций, например, запуск главного меню в Windows.
Блок питания преобразует напряжения в электросети в напряжения питания,
используемые в блоках и устройствах компьютера. В его состав входят провода с
разъемами для подключения различных устройств.
Наряду с приведенным выше основным набором устройств, в состав ПК, в
зависимости от состава решаемых на данном компьютере задач, включаются и другие,
дополнительные, устройства: принтеры, сканеры, звуковые карты, акустические системы,
микрофоны, модемы и т.п.
Все модели ПК, от самой старой до самой современной, имеют одинаковый
блочный принцип компоновки.
Основным блоком ПК является системный блок. Системный блок содержит блок
питания, а также крепежные элементы для материнской (системной) платы, электронных
плат и дисководов.
Стандартным устройством вывода ПК является дисплей (монитор), а устройством
ввода – клавиатура.
Устройства компьютера, размещаемые в системном блоке, называют внутренними
устройствами. Внешние устройства подключаются к компьютеру двумя способами:
 непосредственно через разъемы материнской платы;
 через разъемы плат (карт), вставляемых в материнскую плату.
Некоторые устройства, например, модемы или жесткие диски имеют и внешние и
внутренние варианты исполнения. Кроме того, разные классы персональных компьютеров
имеют разное конструктивное исполнение. Так, в настольном компьютере (desktop
computer) дисплей, клавиатура и мышь являются внешними устройствами, а портативные
компьютеры (notebooks) фактически представляют собой один системный блок, в который
встроены и дисплей, и клавиатура, и аналог мыши.
Ниже рассматриваются основные устройства компьютера, а также наиболее
распространенные дополнительные устройства, используемые в компьютере для
выполнения проектных и инженерных работ, а также устройства обработки и вводавывода звуковых и видеоданных.
1.3.2. Шинный интерфейс
Совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым
параллельно и одновременно обмениваются информацией компоненты и устройства PC,
называют шиной (bus).
Шина предназначена для обмена данными между двумя и более устройствами.
Шина, связывающая только два устройства, называется портом.
Обычно шина имеет места для подключения внешних устройств, которые при
подключении сами становятся частью шины и могут обмениваться данными со всеми
другими подключенными к ней устройствами.
Шина имеет собственную архитектуру, включающую следующие компоненты:
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-4Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
 контроллер шины;
 линии для обмена данными (шины данных);
 линии для адресации данных (шины адреса);
 линии для управления данными (шины управления).
Контроллер шины осуществляет управление процессом обмена данными и
служебными сигналами.
По шине данных происходит обмен данными между процессором, внешними
устройствами и оперативной памятью. Особую роль при этом играет так называемый
режим прямого доступа к памяти – DMA (Direct Memory Access). Управление обменом
данных в этом режиме осуществляется соответствующим контроллером, без участия
процессора. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за
определенный промежуток времени и выше производительность компьютера. Если
первые IBM-совместимые компьютеры имели 8-разрядную шину данных, то компьютеры
с процессорами семейства Pentium имеют уже 64-разрядную шину данных.
Процесс обмена данными возможен лишь в том случае, когда известен отправитель
и получатель этих данных. Каждый компонент компьютера, каждый регистр ввода/вывода
и ячейка оперативной памяти имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство
компьютера. Для адресации к какому-либо устройству компьютера используется шина
адреса, по которой передается уникальный идентификационный код (адрес).
Для ускорения обмена данными используется устройство промежуточного
хранения данных – память с произвольным доступом RAM (Random Access Memory).
Объем RAM зависит от разрядности адресной шины (числа линий) и, тем самым, от
максимально возможного количества адресов, генерируемых процессором на адресной
шине, иными словами, т.е. максимальный адресуемый объем памяти определяется по
формуле:
V max = 2n,
где n – число линий шины адреса.
Адресные шины первых IMB-совместимых компьютеров имели 20 адресных линий
и, таким образом, могли адресовать память объемом 1 Мб (220 байт), а современные
компьютеры имеют уже 32-разрядную адресную шину, с помощью которой можно
адресовать 4 Гбайта памяти.
Для успешной передачи данных не достаточно установить их на шине данных и
задать адрес на шине адреса. Для того чтобы данные были записаны (считаны) в регистры
устройств, подключенных к шине, адреса которых указаны на шине адреса, необходим
ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передаче данных,
подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и инициализации
контроллера DMA и др. Все эти сигналы передаются по шине управления.
Помимо разрядности, важнейшей характеристикой шины является пропускная
способность, которая определяется количеством бит информации, передаваемых по шине
за секунду. Для определения пропускной способности шины необходимо умножить
тактовую частоту шины на ее разрядность. Так, для 16-разрядной шины с тактовой
частотой 8,33 МГц пропускная способность будет равна 16,66 Мбайт/с., а для 64разрядной шины с тактовой частотой 100 МГц – 800 Мбайт/с.
1.3.3. Стандарты шинного интерфейса
Шина определяется не только своей разрядностью и пропускной способностью, но
и алгоритмами, по которым передаются сигналы, правилами интерпретации сигналов, а
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-5Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
также специальными микросхемами, обеспечивающими эту работу. Набор всех
перечисленных характеристик определяет стандарт шинного интерфейса.
По мере увеличения разрядности шины и увеличения тактовой частоты в
компьютере, изменялись и стандарты шинного интерфейса. В настоящее время в
компьютерах используются следующие основные стандарты шинного интерфейса:
 шина ISA;
 шина PCI;
 порт AGP;
 шина USB;
 шина IEEE 1394.
Другие стандарты, такие как МСА (Micro Channel Architecture), EISA (Extended
Industry Standard Architecture) и VESA, обычно называемый локальной шиной, VL-шиной
и разработанный ассоциацией VESA (Video Electronics Standards Association), в настоящее
время не используются и поэтому их описание и анализ представляет лишь исторический
интерес.
Первый распространенный стандарт шинного интерфейса – шина ISA (Industry
Standard Architecture) была разработана фирмой IBM при создании компьютера IBM PC
AT (1984 г.). Эта 16-битовая шина с тактовой частотой 8,33 МГц допускает установку как
8-битовых, так и 16-битовых плат расширения (с пропускной способностью
соответственно 8,33 и 16,6 Мбайт/с). Шина ISA до сих пор используется даже в новейших
моделях компьютеров, поскольку имеется еще множество периферийных (мышь,
клавиатура, модемы, ручные сканеры, накопители гибких дисков и т. п.), для которых
быстродействия этой шины более чем достаточно.
Шина PCI (Peripheral Component Interface) была разработана фирмой Intel с
участием ряда других фирм в 1993 г. для своего нового высокопроизводительного
процессора Pentium. В стандарте PCI 1.0 разрядность шины определена как 32-разрядная,
а в стандарте PCI 2.0 – как 64-разрядная.
В современных материнских платах тактовая частота шины PCI задается как
половина тактовой частоты системной шины, т. е. при тактовой частоте системной шины
66 МГц шина PCI будет работать на частоте 33 МГц, при частоте системной шины 75 МГц
– на частоте 37,5 МГц. Пропускная способность 64-разрядной шины PCI на этих частотах
будет составлять соответственно 265 и 300 Мбайт/с.
Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является
применение так называемых мостов (Bridges), которые осуществляют связь между шиной
PCI и другими шинами. Важной особенностью шины PCI является и то, что в ней
реализован принцип управления шиной (Bus Mastering), который подразумевает
способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия
процессора). Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering,
захватывает шину и становится главным. При таком подходе центральный процессор
освобождается для выполнения других задач, пока происходит передача данных. Это
особенно важно при использовании многозадачных операционных систем типа Windows и
Unix.
Так, в соответствии с концепцией PCI, передачей пакета данных управляет не
процессор, а включенный между ним и шиной PCI мост (Host Bridge Cache/DRAM
Controller). Процессор может продолжать работу и тогда, когда происходит запись данных
в RAM (или их считывание) либо при обмене данными между двумя любыми
компонентами системы, например, с шиной ISA – PCI to ISA Bridge. Кроме того, шина
PCI подключается к системной шине и, через нее к процессору, не напрямую, а с
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-6Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
помощью главного моста (Host Bridge). Это позволяет настроить мост и, соответственно
шину PCI, для использования с разными типами процессоров (фирма Apple, например,
заявила о поддержки этой шины в своих компьютерах).
Важным свойством шины PCI является ее интеллектуальность, т. е. она в состоянии
распознавать аппаратные средства и анализировать конфигурации системы в соответствии
с технологией Plug & Play, разработанной корпорацией Intel
Несмотря на все преимущества шины PCI, ее возможностей становится
недостаточно в условиях растущей нагрузки на систему. Причина заключается в
комбинации 3-мерной графики и видео, с которой приходится иметь дело новому
поколению устройств сопряжения компьютера с дисплеем – видеоадаптеров.
Стандарт на шину AGP (Accelerated Graphics Port) – канал передачи данных между
видеоадаптером и RAM был разработан фирмой Intel в 1997 г. на основе стандарта PCI.
Этот стандарт предназначен для ускорения ввода/вывода данных на видеоадаптер и
увеличения производительности компьютера при обработке трехмерных изображений без
установки специализированных дорогостоящих видеокарт.
Поскольку шина AGP 32-разрядная и ее тактовая частота равна тактовой частоте
системной шины, то в стандартном режиме ее пропускная способность, составляющая
266 Мб/с, в два раза превышает пропускную способность шины PCI.
Для повышения пропускной способности шины был разработан режим AGPх2, в
котором данные передаются в два раза быстрее (532 Мб/с). Это достигается за счет
увеличения тактовой частоты видеопроцессора в 2 раза и возможности управления
чтением/записью данных по фронтам и срезам тактовых импульсов, что позволяет
выполнять две операции за один такт работы шины AGP.
В мае 1998 г. корпорация Intel разработала новую спецификацию (AGP 2.0)
стандарта AGP. Скорость передачи данных (в режиме х4) была увеличена еще в два раза
по сравнению с режимом х2 и достигла 1064 Мб/с. Это больше пропускной способности
64-разрядной системной шины, работающей на частотах 66 и 100 МГц.
Одной из основных особенностей стандарта AGP является способность разделить
RAM между центральным процессором и видеоадаптером, т.е. обработка трехмерных
изображений выполняется в RAM как центральным процессором, так и процессором в
видеоадаптере.
Спецификация последовательной универсальной шины – USB (Universal Serial Bus)
была разработана ведущими фирмами в области компьютеров и телекоммуникаций для
подключения периферийных устройств вне корпуса PC. Шина USB поддерживает
технологию Plug & Play. Скорость обмена информацией по шине USB составляет 12
Мбит/с. На новых материнских платах имеется специальный разъем для подключения
концентратора USB (USB-Hub).
К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подсоединять периферийные
устройства (клавиатуру, мышь, джойстик, принтер и др.), не выключая питание. Как
только
устройство
будет
подключено,
автоматически
осуществляется
его
конфигурирование. Все периферийные устройства должны быть оборудованы разъемами
USB и подключаться к компьютеру через выносной концентратор USB, с помощью
которого можно подключить к PC до 127 периферийных устройств.
Для использования шины USB под управлением операционных систем Windows
разработаны специальные драйверы.
Шина IEEE 1394 – это стандарт на высокоскоростную локальную
последовательную шину, который был разработан на основе технологии FireWire
фирмами Apple и Texas Instruments и утвержден Институтом
инженеров
по
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-7Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
электротехнике и электронике в США – IEEE (Institute of Electrical and Electronic
Engineers).
Шина IEEE 1394 (ее также называют шиной FireWire) предназначена для обмена
цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. Эта
шина способна передавать данные со скоростью 100, 200, 400, 800 и 1600 Мбит/с (12,5, 25,
50, 100 и 200 Мб/с), а при работе с файлами некоторых типов – до 1 Гбит/с. Такая
высокая скорость достигается за счет передачи информации в пакетном режиме. Кроме
того, шина IEEE 1394 обеспечивает одновременную работу нескольких устройств,
передающих данные с разными скоростями.
Как и USB, шина IEEE 1394 полностью поддерживает технологию Plug & Play,
включая возможность «горячего» подключения (установка и извлечение компонентов без
отключения питания компьютера).
Шина IEEE 1394 построена по разветвляющейся топологии и позволяет
использовать до 63 узлов в цепочке. К каждому узлу можно подсоединить до 16
устройств. Если этого недостаточно, то можно дополнительно подключить до 1023
шинных перемычек, которые могут соединять более 64 000 узлов. Для передачи сигналов
без искажений длина стандартного кабеля, соединяющего два узла, не должна превышать
4,5 м.
Подключаться к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 смогут все виды
накопителей на дисках, включая жесткие, оптические CD-ROM, цифровые видеодиски
(DVD), цифровые видеокамеры, устройства записи на магнитную ленту и многие другие
периферийные высокоскоростные устройства. В настоящее время уже выпускаются
адаптеры IEEE 1394 для шины PCI.
Согласно спецификациям PC 98 и PC 99 корпорация Intel планирует полностью
заменить шину ISA шиной USB, для подключения периферийных низкоскоростных
устройств ввода/вывода и шиной FireWire (IEEE 1394) для подключения устройств
хранения информации (CD-ROM, HDD и др.) и ввода видеоданных.
Таким образом, в скором будущем на задней панели корпуса PC можно увидеть
выходы всего двух последовательных шин: шину USB, предназначенную для
низкоскоростных устройств, и шину FireWire – для высокоскоростных.
1.3.4. Материнская плата
Материнская плата является основным компонентом компьютера, во многом
определяющим его производительность. Узлы материнской платы управляют
внутренними связями и, с помощью системы прерываний, взаимодействуют с внешними
устройствами.
Тип установленной материнской платы определяет общую производительность
системы, а также возможности по модернизации PC и подключению дополнительных
устройств.
Существует огромное количество фирм-производителей материнских плат.
Наиболее известными в настоящее время являются Intel, FICO, LackyStar, ASUStec.
Компоненты материнской платы можно разделить на три группы:
 узлы, управляющие взаимодействием компонент материнской платы и
подключенными внешними устройствами
 разъемы для подключения устройств;
 вспомогательные (сервисные) блоки и узлы.
К первой группе относятся следующие узлы материнской платы:
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-8Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
 набор микросхем высокой степени интеграции для управления обменом
данными между всеми компонентами компьютера;
 микросхемы внешней кэш-памяти (кэш-памяти второго уровня);
 микросхема перепрограммируемой памяти, в которой хранятся программы
базовой системы ввода-вывода – BIOS (Basic Input/Output System), тестирования
компьютера, загрузки операционной системы, драйверы устройств, начальные установки
и т. п.
Набор микросхем (chipset) определяет функциональные возможности
материнской платы: тип и количество устанавливаемых процессоров, тип и объем
оперативной памяти и кэш-памяти второго уровня, тактовую частоту системной шины и
некоторые другие характеристики.
Производством микросхем для материнских плат занимаются несколько фирм,
однако с появлением процессоров Pentium наиболее широкое распространение получили
chipset фирмы Intel, поскольку (в отличие от конкурентов) она сама разрабатывает и
производит процессоры и начинает разработку соответствующих микросхем параллельно
с разработкой своих процессоров. Количество микросхем, а также набор функций,
реализованных как в отдельных микросхемах набора, так и во всем наборе микросхем,
существенно зависят от фирмы-производителя. Кроме того, выходят новые версии chipset
с новыми возможностями и в другом конструктивном оформлении. Поэтому рассмотрим
только основные функции, реализуемые в chipset.
Все компоненты материнской платы связаны друг с другом шинным интерфейсом.
На материнской плате обычно встроены следующие шины:
 системная шина, или шина процессора, которая используется chipset для
пересылки данных процессору и получения данных от процессора;
 шина кэш-памяти, предназначенная для обмена информацией между
процессором кэш-памятью;
 шина памяти, используемая для обмена информацией между оперативной
памятью и процессором;
 шины ввода/вывода, которые подразделяются на локальные шины и
стандартные шины.
Локальная шина ввода/вывода – это скоростная шина, предназначенная для
обмена информацией между периферийными быстродействующими устройствами
(видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др.) и системной шиной под
управлением chipset. В настоящее время в качестве этой шины используется шина РСI. К
локальным шинам относится и шина (точнее, порт) AGP.
Стандартная шина ввода/вывода используется для подключения к
вышеперечисленным шинам более медленных устройств (мыши, клавиатуры, модемов,
старых звуковых карт и др.). В настоящее время в качестве этой шины используется шина
стандарта ISA.
Кроме того, в зависимости от своего функционального назначения современные PC
могут быть оборудованы такими шинами, как USB и FireWire, которые устанавливаются
в слоты расширения или интегрированы в материнскую плату. Их работу обеспечивает
соответствующий контроллер, размещенный либо на плате расширения, либо в виде
микросхемы на материнской плате.
Взаимодействие
между
компонентами
и
устройствами
компьютера,
подключенными к разным шинам, осуществляется с помощью мостов, реализованных на
одной из микросхем chipset. Например, мост для соединения шины ISA и PCI (PCI/ISA
Bridge System 1/0) набора микросхем Triton 430НХ фирмы Intel реализован в микросхеме
82371SB, называемой также PIIX.
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
-9Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
Схема взаимодействия между устройствами с помощью шин и мостов приведена на
рис. 2.18.
Рабочий цикл процессора, как правило, меньше чем время доступа к данным в
оперативной памяти. Поэтому процессор
вынужден простаивать в ожидании, пока
данные из соответствующих элементов памяти появится на системной шине. Для
уменьшения времени простоя обычно используется отдельная, так называемая внешняя
кэш-память. Эта память выполняется на более быстродействующих (но и более дорогих
элементах), чем оперативная память. Кроме того, такой способ обмена данными имеет то
преимущество, что при повторном обращении к памяти уже нет необходимости считывать
данные из медленной оперативной памяти, поэтому информация предоставляется в
распоряжение процессора без задержки.
Кэш-память состоит из трех основных элементов:
 контроллера кэш-памяти, сообщающего процессору, имеются ли еще в кэшпамяти необходимые данные;
 кэш-памяти данных (DataRAM);
 кэш-памяти адресов (TagRAM).
Если нужно получить данные, процессор обращается первоначально не к
оперативной памяти (RAM), а к TagRAM. Если на основании анализа адресов данных
CPU обнаружит, что требуемой информации в DataRAM нет, он обращается к более
медленной оперативной памяти.
Рис. 2.18. Взаимодействие между устройствами, подключенными к материнской плате
Однако с увеличением тактовой частоты работы процессора скорость обмена
данными между процессором и внешней кэш-памятью стала тормозить
производительность системы. Чтобы устранить этот недостаток была разработана
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 10 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
отдельная шина для внешней кэш-памяти, названная двойной независимой шиной – DIB
(Dual Independent Bus), которая работала с большей тактовой частотой, чем системная
шина.
Микросхема BIOS представляет собой элемент памяти только для чтения (ROM –
Read Only Memory) емкостью 64 Кбайта. Ведущими изготовителями BIOS являются
фирмы AMI, Award и Phoenix. Функции, выполняемые системами BIOS, одинаковы и не
зависят от фирмы-изготовителя. Система выполняет следующие основные функции:
 предоставляет операционной системе аппаратные драйверы и осуществляет
сопряжение между материнской платой и остальными средствами компьютера (BIOS
должен соответствовать конкретной материнской плате);
 содержит тестовую программу проверки системы, называемую POST (Power On
Self Test), которая при включении компьютера проверяет все важнейшие компоненты;
 содержит программу CMOS Setup (CMOS – Complimentary Molybdenum-Oxide
Semiconductor) для установки параметров BIOS и аппаратной конфигурации компьютера.
Изменения конфигурации, устанавливаемые в CMOS Setup, например, информация
о новом винчестере, записываются в специальную область памяти BIOS, называемую
CMOS RAM и оттуда считываются ROM BIOS. Для того чтобы записанные значения не
были потеряны, контроллер обеспечивается питанием от аккумуляторной батареи. Таким
образом, информация о конфигурации компьютера остается в памяти, даже если долго не
включать компьютер.
В последнее время многие изготовители для хранения BIOS используют
микросхемы электрически стираемой программируемой постоянной памяти EEPROM
(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), данные в которой можно стирать и
перепрограммировать непосредственно в компьютере. Такой элемент BIOS называют
Flash-BIOS. Теперь производитель может выпускать обновленные версии BIOS на
дискете, а пользователь – загружать их в микросхему Flash-BIOS материнской платы.
Современные микросхемы BIOS поддерживают также стандарт Plug&Play
("Подключай и работай"). Этот стандарт, разработанный корпорацией Intel, позволяет
системам и адаптерам, поддерживающим его, автоматически настраивать друг друга.
На материнскую плату обычно выводятся следующие разъемы:
 разъем (слот) для подключения процессора;
 разъемы (слоты) для установки модулей оперативной памяти (количество и тип
разъемов зависит от типа материнской платы);
 разъемы (слоты) для подключения накопителей жестких дисков – HDD (Hard
Disk Drives) и гибких дисков – FDD (Floppy Disk Drives), дисководов CD-ROM и других
устройств внешней памяти;
 последовательные порты для подключения периферийных устройств (мышь,
модем и др.),
 параллельные порты для подключения принтера, сканеров некоторых типов и
других устройств;
 разъемы (слоты) для установки карт расширения (как правило, это разъемы для
карт стандартов ISA, PCI и AGP);
 разъем для подключения питания.
В состав материнской платы входят следующие сервисные компоненты:
 генератор тактовой частоты;
 аккумуляторная батарея;
 двухпозиционные переключатели.
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 11 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
Генератор тактовой частоты, или тактовый генератор (System Clock)
синхронизирует работу различных компонентов компьютера. Минимальный промежуток
времени, определяемый тактовым генератором, называют циклом. Частота работы
тактового генератора FSC (Frequency of System Clock) измеряется в мегагерцах (миллион
циклов в секунду).
Первые компьютеры имели один тактовый генератор, который с частотой 8 МГц
синхронизировал работу процессора, памяти и шины ввода/вывода. С развитием
компонент компьютера возникла необходимость в использовании нескольких тактовых
генераторов. Как правило, современные компьютеры оборудованы 4-5 тактовыми
генераторами, работающими синхронно на различных частотах. Когда говорят о тактовой
частоте системы, то всегда имеют в виду тактовую частоту системной шины. Тактовые
частоты всех остальных компонентов компьютера являются кратными частоте системной
шины. Так, если частота системной шины – FSC, составляет 66 МГц, то частота
процессора может составлять 266 МГц (FSC*4), шины PCI – 33 МГц (FSC/2) и шины ISA
– 8,3 МГц (FSC/8).
Аккумуляторная батарея она обеспечивает хранение установок CMOS Setup и
работу системного таймера. Следует отметить, что из-за дефектной или разрядившейся
батарейки не только нарушится правильный отсчет времени, но одновременно потеряется
и информация CMOS RAM, которая содержит, например, параметры винчестера и
установки оптимальной конфигурации chipset.
Двухпозиционные переключатели обычно располагаются на материнской плате в
виде нескольких блоков. Значения их состояний обычно приводится в техническом
описании каждой конкретной материнской платы. Следует отметить, что новые
материнские платы настраиваются в основном с помощью CMOS Setup и могут вообще не
иметь переключателей.
На некоторые материнские платы фирмы-производители устанавливают
микросхемы, выполняющие функции видеоадаптера, звуковой карты сетевой карты и т. д.
Это позволяет сэкономить место в корпусе компьютера и увеличить количество
свободных слотов, а также снизить суммарную стоимость оборудования за счет
интеграции. С другой стороны, в этом случае отсутствует возможность модернизации
этих компонент.
В заключение рассмотрим стандарты на размеры материнских плат. Помимо
размеров материнских плат стандартизованы также отверстия внутри платы, которые
соединяют ее с корпусом системного блока.
Распространенные в первых персональных компьютерах стандарты FullSize, BabyAT, LPX и mini-LPX в настоящее время сняты с производства и сохранились только в
старых компьютерах. В современных настольных компьютерах используются следующие
стандарты: ATX, mini-ATX и NLX.
Спецификации АТХ и mini-ATX для материнской платы и корпуса компьютера
были предложены фирмой Intel в 1995 г. Спецификация АТХ для материнских плат
предусматривает:
 интеграцию на материнской плате стандартных периферийных устройств:
контроллеров дисководов и винчестеров, параллельных и последовательных портов, а
также (по мере необходимости) видео и звуковых адаптеров, модемов и интерфейсов
локальных сетей;
 наличие встроенной двойной панели разъемов ввода/вывода размером 15,9х4,4
см, находящейся на тыльной стороне материнской платы
 наличие одноключевого внутреннего разъема источника питания;
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 12 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
 изменение местоположения процессора и модулей памяти на материнской плате
(теперь они располагаются около вентилятора блока питания);
 перемещение разъемов контроллеров ввода/вывода, интегрированных в
материнской плате, ближе к накопителям, т.е. длину внутренних кабелей данных можно
уменьшить.
В настоящее время корпорация Intel полностью перешла на производство
материнских плат спецификации АТХ. Ряд других поставщиков материнских плат,
например ASUSTek, также наладили выпуск материнских плат АТХ.
Стандарт NLX явился дальнейшим развитием стандарта АТХ. Согласно этому
стандарту в компьютер устанавливается так называемая ризер-карта (Riser card). Ризеркарта имеет стандартные слоты PCI и ISA, в которые устанавливаются все необходимые
карты расширения. Материнская плата также устанавливается в специальный слот,
называемый NLX Riser Connector. Этот разъем содержит не только информационную
шину, но и шину питания. Таким образом, после установки материнская плата
автоматически оказывается подключенной к шине питания.
Кроме того, на ризер-карте располагаются различные разъемы, которые ранее
располагались на материнской плате – IDE, FDD, USB, блока питания и др.
На материнской плате NLX располагаются гнезда процессора, слоты для модулей
памяти, chipset, микросхемы BIOS и кэш-памяти. Ризер-карта и материнская плата
стандарта NLX приведены на рис. 2.19.
Стандарт NLX практически превращает компьютер в устройство, состоящее всего
из двух элементов – материнской платы и корпуса со стандартными разъемами для
подключения внешних устройств.
Рис. 2.19. Ризер-карта и материнская плата стандарта NLX
1.3.2. Компоненты центрального процессора
Как указывалось ранее, процессор является устройством, совмещающим
выполнение арифметических и логических операций с управлением работой компьютера
или его отдельных устройств. Процессор, выполняющий команды, хранящиеся в
оперативной памяти (или кэш-памяти) и управляющий работой всего компьютера,
называют центральным, или главным, процессором – CPU (Central Processing Unit).
Следует отметить, что в современных компьютерах для увеличения быстродействия
некоторые устройства, например, звуковая карта, могут иметь свои собственные
специализированные процессоры.
Подавляющее большинство процессоров в настоящее время используют так
называемое микропрограммное управление, каждая команда разбивается на отдельные
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 13 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
микрокоманды. Выполнение одной или нескольких микрокоманд обеспечивается
микропрограммами, которые хранятся в постоянном запоминающем устройстве
процессора. В отличие от схемного управления, когда
все алгоритмы команд
реализованы аппаратно, т. е. на основе логических схем, при микропрограммном
управлении удобнее вносить изменения в функционирование команд и даже расширять их
состав.
В архитектуре центрального процессора (в дальнейшем называемого просто
процессором) можно выделить следующие основные компоненты:
 арифметико-логическое устройство;
 блок управления памятью;
 регистровая память;
 блок внутренней кэш-памяти;
 блок сопряжения с системной шиной;
 блок обработки прерываний.
Команды программ, поступающие в арифметико-логическое устройство из
оперативной памяти или кэш-памяти, проходят следующие этапы обработки:
 дешифрация команд;
 разбиение команды на последовательность микрокоманд;
 выполнение микрокоманд в конвейерном режиме.
Дешифратор, входящий в состав арифметико-логического устройства, определяет
по коду команды блок процессора, в котором будет производиться обработка команды и
передает управление этому блоку.
На втором этапе каждая команда разбивается на несколько микрокоманд,
выполняемых, в свою очередь, поэтапно соответствующими микропрограммами. В
первых процессорах строго выполнялся принцип последовательного выполнения команд
фон Неймана, т.е. первый этап очередной команды начинал выполняться только тогда,
когда был закончен последний этап выполнения предыдущей команды. В современных
процессорах используется так называемая конвейерная обработка команд, когда первый
этап следующей команды начинает выполняться сразу же после окончания первого этапа
предыдущей команды. В этом случае быстродействие процессора существенно
увеличивается за счет одновременного выполнения команд. Процессоры, в которых
выполнение команды разбивается на этапы, называются суперскалярными, а
процессоры, в которых функционирует несколько конвейеров команд,
называются
суперконвейерными. Так, в процессоре Pentium II выполнение команды разбивается на
14 этапов, а количество конвейеров равно 3.
Новым средство, используемым в арифметико-логических устройствах
современных процессоров является предсказание переходов. Обычно команды
программы выполняются последовательно, однако, в соответствии с алгоритмом, в
программах могут выполняться и переходы на другие команды. Существуют безусловные
переходы, когда управление передается на команду с указанным адресом (например, при
вызове подпрограммы управление передается первой команде подпрограммы, а после
выполнения команд подпрограммы управление возвращается, как правило, команде,
следующей за командой вызова). При условных переходах последовательное выполнение
команд изменяется в зависимости от результатов сравнения заданных величин. Условные
переходы снижают общую производительность процессора, так как в ожидании этого
перехода конвейер работает вхолостую. Чтобы этого избежать, в процессоре имеется
специальная буферная память, которая хранит данные о последних переходах.
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 14 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
Первоначально центральный процессор выполнял операции только над числами в
формате с фиксированной точкой (целыми числами). Операции над числами в формате с
плавающей точкой выполнялись либо с помощью программ, либо с помощью
дополнительного процессора, называемого сопроцессором. В дальнейшем сопроцессор
был встроен в центральный процессор, а затем и интегрирован с центральным
процессором и в настоящее время эти два процессора представляют собой единое
устройство.
Первый процессор в IBM-совместимых компьютерах Intel 8086 мог адресовать до 1
Мбайта памяти (из-за 20 разрядной адресной шины). Во всех последующих моделях
процессоров для обеспечения преемственности работы операционной системы MS DOS и
прикладных программ был реализован так называемый реальный режим (real mode),
эмулирующий (имитирующий) работу процессора Intel 8086 и соответственно доступ
только к первому мегабайту оперативной памяти. Другой режим, в котором можно
обращаться не только к полному объему оперативной памяти, но и к виртуальной памяти,
был назван защищенным режимом (protected mode). В дальнейшем защищенный режим
был дополнен виртуальным режимом, который эмулировал работу нескольких (до 256)
процессоров Intel 8086 и позволил обеспечивать аппаратно многопрограммные и
многопользовательские операционные системы Windows и Unix.
Операции разбивки доступного объема оперативной памяти на относительно
небольшие фрагменты – сегменты, а также управление загрузкой и перемещением
сегментов в оперативной и виртуальной памяти для защищенного и виртуального режима
обеспечивает блок управления памятью процессора. Этот же блок обеспечивает четыре
уровня (кольца) защиты для разграничения доступа к ресурсам компьютера операционной
системы и прикладных программ.
По назначению и способу использования регистры процессора подразделяются на:
1. Регистры данных, предназначенные для временного хранения значений
переменных и результатов различных операций над ними.
2. Регистры указателей и индексов, используемые при работе с адресами
операндов команд, в частности, при доступе к элементам массивов.
3. Сегментные регистры, содержащие адреса сегментов команд и данных
4. Указатель команд, в котором хранится адрес следующей выполняемой
команды.
5. Регистр флагов, каждый разряд которого имеет строго определенное
назначение и меняется в зависимости от результатов выполнения текущей команды,
например при переполнении, или получении отрицательного числа.
Программист может использовать регистры данных и индексные регистры по
своему усмотрению, за исключением тех случаев, когда эти регистры используются
командами процессора.
Для повышения производительности в состав процессора введена также своя,
внутренняя, кэш-память, названная кэш-памятью первого уровня (L1). Фактически эта
кэш-память состоит из двух блоков – кэш памяти данных и кэш-памяти команд, каждый
из которых имеет объем несколько десятков килобайт. Ее назначение – согласование
скорости работы процессора и кэш-памяти, размещаемой на плате процессора и/или на
материнской плате.
Блок сопряжения с системной шиной обеспечивает обмен данными, адресами и
командами между процессором и системной шиной.
Когда при выполнении программы в центральном процессоре или на внешних
устройствах выполняются операции, требующие вмешательства операционной системы, в
частности операции ввода/вывода
в центральный процессор поступает специальный
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 15 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
сигнал,
называемый
прерыванием. Блок обработки прерываний процессора
прекращает выполнение команд текущей программы, и передает управление
операционной системе, которая
вызывает процедуру, обрабатывающую данное
прерывание.
В последнее время получают распространение многопроцессорные системы, т.е.
системы, в которых установлено несколько процессоров.
Для функционирования многопроцессорной системы необходимо выполнение
следующих условий:
 материнская плата должна поддерживать несколько процессоров, т. е. иметь
дополнительные разъемы для установки процессоров и соответствующий chipset;
 процессор должен поддерживать работу в многопроцессорной системе;
 операционная система должна поддерживать работу с несколькими
процессорами (такими операционными системами являются Windows NT и Unix).
В процессе одновременной работы нескольких процессоров операционная система
распределяет различные задачи между процессорами. Существуют два режима работы
многопроцессорных систем – асимметричный и симметричный.
В режиме асимметричной обработки один процессор выполняет только задачи
операционной системы, а другой – прикладные программы.
В режиме симметричной обработки – SMP (Symmetric Multi-Processing) задачи
операционной системы и пользовательские приложения могут выполняться любым
процессором в зависимости от его загрузки. Этот режим является более
производительным и поэтому он используется в большинстве многопроцессорных систем.
1.3.6. Основные характеристики центрального процессора
Производительность
процессора
определяется
следующими
основными
характеристиками:
 степенью интеграции или непосредственно связанной с ней технологией
производства;
 внутренней и внешней разрядностью обрабатываемых данных;
 частота тактового генератора для процессора;
 объемом памяти, к которой может адресоваться процессор;
 объемом кэш-памяти;
 набором команд.
Степень интеграции любой микросхемы, в том числе и процессора, показывает,
сколько транзисторов умещается в ней (для процессоров Intel эта характеристика
изменилась от десятков тысяч до десятков миллионов транзисторов). Технология
изготовления для тех же процессоров изменилась с 3,0 мкм до 0,13 мкм.
Одной из основных характеристик процессора является количество бит, которое он
может
обрабатывать
одновременно
–
внутренней
разрядностью.
Самые
быстродействующие процессоры, например, процессор Alpha фирмы Compaq имеет
внутреннюю разрядность 64 бита, а у процессоров Pentium фирмы Intel внутренняя
разрядность – 32 бита и в новых процессорах также планируется разрядность 64 бита (а в
перспективе – 128 бит). Внешняя разрядность для процессора определяется
разрядностью системной шины, которая как указывалось выше, у современных
компьютеров равна 64 битам.
Важнейшими характеристиками процессора, являются частота тактового
генератора и зависящий от нее такт работы процессора, называемый также машинным
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 16 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
тактом. В течение машинного такта выполняется одна или несколько микроопераций
процессора. Чем короче машинный такт, тем выше производительность процессора,
выражаемая количеством выполняемых команд (операций) в единицу времени.
Производительность процессоров современных компьютеров достигает от нескольких
миллионов до нескольких миллиардов операций в секунду, при этом величина машинного
такта составляет 10-100 наносекунд, а частота тактового генератора превысила 1 ГГц.
Объем памяти, к которой может адресоваться процессор, определяется
шириной адресной шины. У процессоров первых IBM-совместимых компьютеров ширина
адресной шины составляла 20 бит и, соответственно, максимальный объем адресуемой
памяти – 1 Мбайт, а у современных компьютеров – 64 Гбайта (при ширине адресной
шины 36 бит).
Как правило, процессоры могут адресовать гораздо больше памяти, чем
фактически установлено (и может быть установлено) на материнской плате, что связано с
конструктивными и технологическими особенностями производства материнских плат.
Например, современные материнские платы обеспечивают работу лишь 540 Мбайт
оперативной памяти.
Помимо кэш-памяти первого уровня (L1), размещенной непосредственно в
процессоре, многие процессоры используют также кэш-память второго уровня (L2)
объемом несколько мегабайт, работающая на тактовой частоте, равной половине
тактовой частоты процессора.
И, наконец, существенной характеристикой процессора является используемый
набор команд. По этому признаку процессоры делятся на CISC-процессоры и RISCпроцессоры (соответственно Complete Instruction Set Chip и Reduced Instruction Set Chip).
При проектировании RISC-процессоров выбирается набор команд, которые используются
чаще всего (для этих команд, вследствие того, что количество команд меньше, чем в
CISC-процессорах, время дешифрации и выполнения
будет быстрее). Первые
процессоры Intel были CISC-процессорами. Однако все самые мощные современные
процессоры являются RISC-процессорами, в том числе и процессоры Intel, начиная с
Pentium II.
Начиная с Pentium MMX, в процессорах фирмы Intel реализована технология
мультимедийного расширения – MMX (MultiMedia eXtension). Эта технология включают
в себя новые команды, предназначенные для обработки звуковых и видеосигналов. Эти
команды функционирую использоваться в режиме «одна команда, много данных» – SIMD
(Single Instruction, Many Data), когда одной командой одновременно обрабатывается
несколько элементов данных, что характерно для обработки мультимедийных данных.
Использование MMX позволяет перенести основную нагрузку по обработке изображения
и звука на центральный процессор, оставив видеоадаптерам и звуковым картам только
преобразование аналоговых сигналов в цифровые и обратное преобразование.
Центральный процессор подключается к системной шине и схеме электропитания
материнской платы. Первые процессоры фирмы Intel подключались к материнской плате
непосредственно с помощью многоштырьковых разъемов. Так, разъем для процессора
Pentium, называемый Socket7, имел 321 вывод. Начиная с модели Pentium II, процессоры
конструктивно располагаются на отдельной плате в специальной коробке (картридже),
снабженной специальной теплоотводной пластиной с радиатором (поскольку, с
увеличением степени миниатюризации элементов процессора, резко возрастает и
количество тепла, выделяемого при работе процессора). На этой же плате размещается и
кэш-память второго уровня. Такое размещение удобно в многопроцессорных системах, т.
к. нет необходимости в разделении кэш-памяти, расположенной на материнской плате.
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 17 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
Материнские платы, предназначенные для установки процессоров, оборудованных кэшпамятью второго уровня, обычно не имеют внешней кэш-памяти.
Картридж, в который заключен процессор, подключается к материнской плате с
помощью специальных разъемов Slot1(для однопроцессорных систем) или Slot2 (для
многопроцессорных систем).
1.3.7. Системные ресурсы компьютера
Для бесконфликтной совместной работы узлов и устройств компьютера
необходимо корректно разделять имеющиеся общие системные ресурсы, основными из
которых являются:
 линии запросов на прерывание;
 каналы прямого доступа к памяти;
 порты ввода/вывода.
В процессе выполнения программ в компьютере могут возникнуть условия,
требующие изменения хода обработки данных. Так, при нажатии клавиши или кнопки
мыши, компьютеру необходимо приостановить текущие действия и переключиться на
другие в ответ на поступивший запрос. При выполнении программы также может
возникнуть ошибочная ситуация, например, деление на ноль. Поэтому для взаимодействия
устройств и программ компьютера с центральным процессором, в IBM-совместимых
компьютерах предусмотрена система прерываний (interrupts). Помимо обеспечения
взаимодействия устройств и программ, система прерываний компьютера аппаратно
поддерживает мультипрограммирование – выполнения одним процессором одновременно
большого числа программ за счет прерывания выполнения текущей программы и
передачи управления другой программе
В IBM-совместимых компьютерах имеется два вида прерываний: аппаратные
(hardware interrupts) и программные (software interrupts). К аппаратным прерываниям
относятся в первую очередь прерывания, встроенные в процессор – прерывания при
делении на нуль, прерывания при аварии питания и т. п. К аппаратным также относятся
прерывания, с помощью которых процессору сообщается об аппаратных событиях,
например, уже упомянутых отсутствии бумаги в принтере или окончании дисковой
операции.
С помощью программных прерываний прикладные программы могут выполнять
операции, запрограммированные в операционной системе, ROM BIOS или в других
сервисных программах. Следует отметить, что аппаратное прерывание может получить
управление и при выполнении программного прерывания. Программные прерывания
действуют практически так же, как и аппаратные, и отличаются только источником
прерывания.
Аппаратные прерывания работают следующим образом. Когда какому-либо
устройству требуется участие процессора (например, когда на клавиатуре нажата
клавиша), оно посылает особый сигнал – запрос на прерывание.
Поскольку моменты возникновения прерываний заранее не известны, в каждом
случае возникновения прерывания специальный блок прерываний
выставляет в
процессор специальные сигналы, называемые запросами на прерывание.
Сигнал прерывания вызывает в процессоре включение “механизма” передачи
управления, причем этот сигнал может поступать как от внешних (внешние прерывания),
так и от внутренних источников (внутренние прерывания).
Основными функциями системы прерываний программ являются:
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 18 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
 запоминание состояния (вектора) прерываемой программы;
 передача управления программам обработки прерываний;
 восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней.
Важными характеристиками системы прерывания являются глубина возможных
прерываний и приоритет прерываний. Запросы на прерывание поступают в блок
прерываний в произвольные моменты времени, причем не только одновременно, но и в
процессе выполнения обработки другого прерывания. Глубина прерывания –
максимально возможное число программ, которые могут прерывать друг друга. Глубина
возможных прерываний зависит от решаемых задач и определяется организацией
очередности при реализации прерываний.
Обычно каждый запрос на прерывание поступает на регистр прерываний,
состоящий из триггеров прерываний – по одному триггеру на каждый тип прерываний.
При поступлении запроса на прерывание соответствующий триггер устанавливается в “1”,
фиксируя наличие запроса на прерывание данного типа, регистр прерываний
периодически опрашивается процессором (обычно перед завершением выполнения
очередной команды).
Очередность реализации запросов на прерывание устанавливается в соответствии с
приоритетами заранее присвоенных каждому типу прерываний. Присвоение приоритетов
представляет собой достаточно сложную проблему, при решении которой следует
учитывать важность и срочность обслуживания тех или иных запросов. Обычно
наивысший приоритет имеют прерывания по машинной ошибке, что объясняется
бессмысленностью продолжения вычислений в этом случае. Приоритеты внешних
устройств обычно устанавливаются в каналах ввода-вывода.
Реализация системы прерывания производится программно и аппаратно. Обычно
опрос триггеров прерываний организуется аппаратно, и при наличии хотя бы одного
триггера в состоянии "1", формируется общий сигнал прерывания, при появлении
которого выполняемая программа прерывается и управление передается операционной
системе.
Для каждого прерывания в операционной системе составляется своя процедура
обработки прерывания. Поскольку при изменении версии операционной системы
начальные адреса этих процедур могут меняться, вызов процедуры осуществляется не по
ее адресу, а с помощью указания номера прерывания следующим образом. Начальные
адреса этих процедур при загрузке операционной системы записываются в самые первые
ячейки памяти. Поскольку каждый адрес занимает 4 байта, общий объем этой области
памяти, называемой вектором прерываний, составляет, таким образом, 1 Кбайт. По
заданному номеру прерывания, определяющего индекс прерывания в векторе прерываний,
определяется адрес соответствующей процедуры прерывания и происходит переход к
выполнению этой процедуры.
Следует отметить, что любая процедура обработки прерываний, прежде чем начать
непосредственно обработку прерываний, производит необходимые действия,
обеспечивающие в дальнейшем переход к прерванной программе.
При наличии нескольких условий прерывания выявляется причина прерывания,
обладающая наивысшим приоритетом, а затем передается управление в ячейку памяти,
начиная с которой располагается программа обработки запроса данного типа.
В IBM-совместимых компьютерах управление аппаратными прерываниями от
устройств и узлов компьютера осуществляется специальными микросхемами –
контроллерами прерываний, встроенными в одну из микросхем на материнской плате.
В процессе автономной работы каждого из контроллеров со своим устройством
наступает момент заполнения его приемного буфера. В этот момент контроллер
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 19 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
генерирует сигнал готовности к перемещению данных по шине. Он приостанавливает
процесс общения со своим устройством и выдает запрос на прерывание работы
центрального процессора. Этот запрос идентифицируется и обрабатывается контроллером
прерываний, который ставит его в очередь и передает микропроцессору сигнал
прерывания, одновременно сообщая ему, какой из контроллеров подал запрос. В
результате
микропроцессор
переключается
на
программу
обслуживания
соответствующего устройства.
Все запросы на прерывания могут быть "маскированы", то есть заблокированы
программными средствами, кроме одного – прерывания, указывающего на аппаратные
ошибки памяти. Это прерывание получило название немаскируемого.
Все запросы имеют определенный приоритет (то есть их опрос производится в
порядке убывания старшинства). Наибольший приоритет имеет немаскируемое
прерывание NMI (Non-Maskable Interrupt) , затем идет IRQ0 (Interrupt ReQuest 0), и т.д.
В первых IBM-совместимых компьютерах имелось всего 8 шин запросов на
прерывания, а затем количество шин было увеличено до 16.
Прерывания и их описания приведены в следующей таблице:
Прерывание
NMI
IRQ0
IRQ1
IRQ2
IRQ3
IRQ4
IRQ5
IRQ6
IRQ7
IRQ8
IRQ9
IRQ10
IRQ11
IRQ12
IRQ13
IRQ14
IRQ15
Описание
(немаскируемое прерывание)
системные часы (счетчик 0
программируемого таймера)
клавиши клавиатуры
используется для подключения второго
блока прерываний (шина IRQ8-IRQ15)
последовательный порт 2 (4)
последовательный порт 1 (3)
параллельный порт 2 или звуковая карта
контроллер гибких дисков
параллельный порт 1
реальное время
свободен или сетевая карта
свободен
свободен или поддержка IRQ для
управления PCI
свободен или порт мыши Bus Mouse
математический сопроцессор
первичный контроллер жестких дисков
вторичный контроллер жестких дисков
Если какое-либо устройство отсутствует в данной конфигурации компьютера, его
IRQ может использоваться другим устройством. Например, IRQ5 вместо отсутствующего
в большинстве компьютеров второго параллельного порта часто используется звуковой
картой.
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 20 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
Передача данных в режиме прямого доступа к памяти – DMA (Direct Memory
Access) требуется при обмене данными между оперативной памятью и
высокоскоростными устройствами. В режиме прямого доступа периферийное устройство
связано с оперативной памятью непосредственно через каналы прямого доступа (каналы
DMA), а не через внутренние регистры микропроцессора. Наиболее эффективным такой
режим обмена данными бывает в ситуациях, когда требуется высокая скорость для
передачи большого объема информации (например, при загрузке данных в память с
компакт-диска).
Для организации прямого доступа в память используется контроллер DMA,
встроенный в одну из микросхем на материнской плате. Устройство, требующее прямой
доступ к памяти, по одному из свободных каналов DMA обращается к контроллеру,
сообщая ему путь (адрес), откуда или куда переслать данные, начальный адрес блока
данных и объем данных. Инициализация обмена происходит с участием процессора, но
собственно передача данных осуществляется уже под управлением контроллера DMA, а
не процессора.
Первые IBM-совместимые компьютеры имели четыре канала DMA:
 канал 0 – управляет периодическим процессом регенерации содержимого
динамической оперативной памяти системы в соответствии со счетчиком 1 внутреннего
таймера;
 канал 1 – может быть использован в прикладных программах;
 канал 2 – осуществляет управление высокоскоростной передачей данных между
дисководами гибких дисков и оперативной памятью;
 канал 3 – управляет высокоскоростной передачей данных между дисководами
жестких дисков и памятью.
В дальнейшем в компьютерах было добавлено еще 4 канала, один из которых,
пятый канал, используется для подключения каналов 0-3.
Один канал DMA может использоваться различными устройствами, но не
одновременно, например, канал 1 – для звуковой карты и устройства записи данных на
магнитную ленту (стримера). Однако в этом случае нельзя одновременно слушать музыку
и записывать данные на ленту.
В компьютере любое устройство (контроллеры, установленные на картах
расширения или на материнской плате) за исключением оперативной памяти
рассматривается центральным процессором как периферийное.
Обмен данными между центральным процессором и периферийными устройствами
осуществляется через так называемые порты ввода/вывода. Конструктивно порт
ввода/вывода представляет собой это буферное устройство или регистр контроллера,
процессора обработки сигналов и т. п., которые непосредственно подключены к шине ввода/вывода компьютера.
Для управления обменом данными между аппаратными компонентами компьютера
каждому порту ввода/вывода присваивается свой уникальный шестнадцатеричный номер,
называемый адресом порта, например, 2F8h или 370h. В IBM-совместимых компьютерах
можно адресовать 65536 (216) портов ввода/вывода, хотя большинство из них, как
правило, не используется.
Адресное пространство портов ввода/вывода не совпадает с адресным
пространством памяти, что дает возможность иметь полный объем памяти и полный
набор портов ввода/вывода. Стандартный диапазон адресов портов ввода/вывода для IBMсовместимых компьютеров составляет значения от 0 до 3FFh. Сюда входят порты контроллеров клавиатуры, жестких и гибких дисков, видеоадаптеров, звуковых карт,
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.
- 21 Вычислительная техника и программирование (Информатика)
Лекция 1-03
последовательных и параллельных интерфейсов, игровых портов и любого другого
периферийного оборудования.
Периферийные устройства могут использоваться несколько портов ввода/вывода
(иногда их количество может достигать нескольких десятков). Например, контроллер
параллельного интерфейса, к которому обычно подключается принтер, имеет три
регистра: регистр вывода данных, регистр состояния и регистр управления, адресуемые
через свои порты ввода/вывода, а контроллер последовательного интерфейса – десять
регистров, адресуемых через семь портов ввода/вывода. В этих случаях используется так
называемый базовый адрес порта ввода/вывода (Base Address In/Out), соответствующий
младшему адресу из группы портов (обычно адресу порта регистра данных). Адресация
остальных портов периферийного устройства осуществляется путем задания смещения
относительно базового адреса.
1.3.8. Стандарт Plug & Play
Все устройства компьютера (клавиатура, мышь, карты расширения и др.)
используют определенное адресное пространство, требуют для себя линии прерываний,
каналы прямого доступа и адреса ввода/вывода. По мере увеличения количества устройств
заметно усложняется задача грамотного распределения ресурсов PC.
Стандарт Plug&Play, разработанный корпорацией Intel, предназначен для
автоматического распознавания и согласования всех изменений в конфигурации
компьютера, что позволяет системам и устройствам, поддерживающим его, автоматически
настраиваться друг друга.
В реализации стандарта Plug&Play принимают участие:
 аппаратные средства;
 BIOS;
 операционная система.
Аппаратные средства, поддерживающие стандарт Plug&Play, информируют BIOS и
операционную систему о необходимых им ресурсах и, в свою очередь, самонастраиваются
на основании полученной информации.
В BIOS возможности Plug&Play реализуются в процессе выполнения программы
проверки системы (POST). BIOS распознает установленные аппаратные средства,
подключенные к материнской плате и адаптерам PC, анализирует распределение ресурсов
этих устройств, считывает информацию, содержащуюся в ROM подключенных
устройствах, настраивает адаптеры Plug&Play.
Операционная система, поддерживающая технологию Plug&Play (например,
Windows 95/98/2000/XP), берет на себя управление всеми внешними устройствами,
загружая соответствующие драйверы. Кроме того, операционная система сообщает о
конфликтах устройств, которые не были устранены BIOS. С помощью операционной
системы можно настроить параметры адаптеров вручную (с экрана монитора) или после
изменения положения переключателей на картах расширения.
Файл: 147330063 Создан: 16.09.2001 Модифицирован: 18.01.2016
Автор: Шонин В.А.