АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА АРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ i386, i486 Архитектура Компьютеров2011

ОСНОВНЫЕ ТЕМЫ ЛЕКЦИИ Архитектура процессоров I386, I486. Архитектура ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА Шины расширения Архитектура Компьютеров2011

АРХИТЕКТУРА ПРОЦЕССОРОВ I386, I486 В состав процессора i80386 входят 7 внутренних функциональных устройств (у процессора i устройств), которые работают параллельно: УСТРОЙСТВО ШИННОГО ИНТЕРФЕЙСА (или просто - шинный интерфейс); внутренняя КЭШ-память (только у 486+); УСТРОЙСТВО ОПЕРЕЖАЮЩЕЙ ВЫБОРКИ КОМАНД (очередь команд); двухступенчатый ДЕШИФРАТОР КОМАНД; УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ; ЦЕЛОЧИСЛЕННОЕ УСТРОЙСТВО (CPU) ; УСТРОЙСТВО С ПЛАВАЮЩЕЙ ТОЧКОЙ (FPU) (только у i486+); УСТРОЙСТВО СЕГМЕНТАЦИИ; УСТРОЙСТВО СТРАНИЧНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АДРЕСА.

ШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС учитывает приоритеты обращений к шине и координирует передачи данных, осуществляет предвыборку команд и выполняет функции согласования действий между внутренними устройствами процессора и внешней системой. Внутренняя КЭШ-ПАМЯТЬ (у процессоров i486+) хранит копии последних считанных команд, операндов и других данных. Когда процессор запрашивает информацию, уже находящуюся в кэш- памяти (кэш-попадание), цикл шины обращения к внешней памяти не нужен. При этом скорость передач соизмерима с регистровыми пересылками и сокращается загрузка шины процессора

Когда шинный интерфейс не выполняет циклов шины выполнения команды (запись или чтение операндов из памяти), УСТРОЙСТВО ПРЕДВЫБОРКИ КОМАНД привлекает его для опережающей выборки (предвыборки) команд. В устройстве предвыборки имеется ОЧЕРЕДЬ КОМАНД, которая хранит 16 байт команд (у процессоров i486 – 32 байта очереди команд). Код команды, считываемый из очереди, подается в устройство ДЕШИФРИРОВАНИЯ КОМАНД, а смещение (т.е. константа в команде) подается в УСТРОЙСТВО СЕГМЕНТАЦИИ, где участвует в вычислении адреса.

УСТРОЙСТВО ДЕШИФРИРОВАНИЯ КОМАНД получает коды (байты префиксов, коды операций, байты адресации и др.) от УСТРОЙСТВА ПРЕД- ВЫБОРКИ и в двухступенчатом процессе преобра- зует их в управляющие сигналы низкого уровня и точки входа микрокода, т.е. микропрограмм в П З У УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ. УСТРОЙСТВО СЕГМЕНТАЦИИ преобразует логический (или виртуальный) адрес в ЛИНЕЙНЫЙ АДРЕС, привлекая дескрипторы сегментов и смещения, выделенные из команд. Параллельно с вычислением линейного адреса производится контроль атрибутов сегментов. УСТРОЙСТВО СТРАНИЧНОГО ПРЕОБРАЗО- ВАНИЯ транслирует ЛИНЕЙНЫЙ АДРЕС в – ФИЗИЧЕСКИЙ.

Внутренняя архитектура процессоров i386 (i486) 64 (486) 32 (386) Данные ШИНЫ (МАГИСТРАЛЬ) ПРОЦЕССОРА ШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС АдресДанныеУправление Устр-во предвыборки команд (Очередь команд) КЭШ-память Адрес32 Устр-во Страничного преобразования Буфер ассоциативной трансляции (TLB) Физический адрес Устройство Сегментации Регистры Дескрипторов Контроль пределов и атрибутов Линейный адрес Целочисленное устройство Регистры А Л У Сдвигатель База/Индекс FP-регистры Устр-во с плав. Точкой (FPU) Устройство Дешифрации Команд Устройство Управления КомандыСмещение

АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА В МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЕ (МПС) процессор управляет всеми периферийными ресурсами, а также выполняет все программы (совместно с сопроцессором). К типичным МПС относятся ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ, РАБОЧИЕ СТАНЦИИ и ВСТРОЕННЫЕ КОНТРОЛЛЕРЫ. Такие системы реализуются на одной плате, называемой МАТЕРИНСКОЙ или СИСТЕМНОЙ. На МАТЕРИНСКОЙ ПЛАТЕ находятся: ПРОЦЕССОР, установленный в специальный разъем. Как правило, на процессор устанавливается радиатор с вентилятором.

Микросхемы КЭШ-памяти второго уровня (внешней). В современных процессорах КЭШ- память второго уровня размещена на кристалле процессора. РАЗЪЕМЫ (СЛОТЫ) для установки модулей оперативной памяти (RAM). Микросхема перепрограммируемой памяти (EEPROM), в которой хранятся программы BIOS, тестирования РС, загрузки операционной системы, драйверы устройств. Микросхема CMOS-Setup – начальной уста- новки, системные часы и календарь – с резервным питанием от аккумулятора.

Набор микросхем высокой степени интеграции (ЮЖНЫЙ и СЕВЕРНЫЙ МОСТЫ – Chipset) для управления обменом данными между всеми компонентами РС. Разъемы для подключения накопителей FDD, HDD, CD-ROM, последовательные порты (COM, USB и др.) для подключения периферийных устройств (МЫШЬ, МОДЕМ и др.), параллельные порты для подключения принтера, сканера и др. Разъемы (слоты стандартов ISA, PCI, AGP и др.) для установки карт расширения. Возможность установки в эти разъемы любых карт расширения (видеоадаптера, звуковой карты, модема, карты АЦП и др.) определяет ОТКРЫТУЮ АРХИТЕКТУРУ РС.

АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА Устройства ISA Шина расширения ISA Шина USB Шина расширения PCI Порт AGP CPU + FPU Главный (северный) мост Контроллер DMA RAM Видеоадаптер AGP Монитор ТV, DVD КЭШ-память Устройства PCI Южный Мост PCI/ISA CD-ROMHDDFDD BIOS Клавиат Мышь … Принтер Клавиат Сканер Устр-ва расширения…

ОТКРЫТАЯ АРХИТЕКТУРА допускает замену дополнительных устройств на новые при старении прежних. Это качество поддерживается строго соблюдаемым правилом, выработанным производителями аппаратных и программных средств: ВСЕ НОВЫЕ УСТРОЙСТВА И ПРОГРАММЫ ДОЛЖНЫ БЫТЬ СОВМЕСТИМЫМИ ПО ПРИНЦИПУ «СВЕРХУ-ВНИЗ», т.е. последующие версии должны обслуживать ВСЕ ранее существующие. Поэтому пользователь имеет возможность заменять один или несколько компонентов, не изменяя всей системы. Например, при появлении новых видеомониторов или новых дисковых накопителей - возможно обновление «по частям».

Совершенствование РС становится уделом самого пользователя, который лучше представляет, что требуется от системы. Ремонт компьютера сводится к замене одного крупного модуля, что доступно неквалифицированному в области электроники пользователю. На некоторые материнские платы фирмы-произво- дители устанавливают микросхемы, выполняющие функции ВИДЕОАДАПТЕРА, ЗВУКОВОЙ КАРТЫ, СЕТЕВОЙ КАРТЫ и др. Эти меры приняты с целью экономии места в корпусе РС и увеличения количества свободных слотов расширения. При покупке такой материнской платы, с одной стороны, экономятся деньги, а, с другой стороны, – отсутствует возможность модернизировать любой из интегрированных компонентов, если его характеристики устаревают.

ЧИПСЕТ (chip set – набор микросхем) – это набор системной логики, обеспечивающий функциони- рование как самого процессора, так и периферийных устройств, – «сердце» всей вычислительной системы. Именно он определяет основные функциональные возможности компьютера: типы поддерживаемых процессоров, максимальный объем и тип оперативной памяти и др. Кроме того, от чипсета также зависит максимальная штатная частота системной шины и шины памяти, синхронный или асинхронный режим их работы, поддерживаемые делители для шин AGP и PCI, а также максимально возможные режимы работы AGP и UDMA, количество и состав внешних портов.

Все компоненты материнской платы связаны друг с другом системой проводников (линий), по которым происходит обмен информацией. Эту совокупность линий называют ИНФОРМАЦИ- ОННОЙ ШИНОЙ или просто ШИНОЙ (BUS). Линии шины делятся на три группы в зависимости от типа передаваемых сигналов: ЛИНИИ ДАННЫХ (шина данных), ЛИНИИ АДРЕСА (шина адреса), ЛИНИИ УПРАВЛЕНИЯ (шина управления).

Шины в РС различаются по своему функцио- нальному назначению: · СИСТЕМНАЯ ШИНА (или шина CPU), которая связывает процессор с Chipset; · Шина КЭШ-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и КЭШ-памятью; · ШИНА ПАМЯТИ используется для обмена информацией между оперативной памятью и Chipset; · ШИНЫ ВВОДА/ВЫВОДА (PCI, ISA, USB, SCSI, Fire Wire и др.)

ШИНЫ РАСШИРЕНИЯ Через РАЗЪЕМЫ РАСШИРЕНИЯ (СЛОТЫ) дополнительные электронные устройства могут подключаться к ШИНАМ ВВОДА/ ВЫВОДА, расширяя возможности всей системы. В зависимости от разрядности передаваемых дан- ных, разъемы расширения (слоты) разделяются на: 8-ми разрядные, 16-ти разрядные, 32-х разрядные. Увеличение разрядности передаваемых данных позволяет увеличить скорость обмена инфор- мацией с устройствами расширения.

ШИНЫ ISA и EISA ISA Bus (Industry Standard Architecture) – шина расширения, применявшаяся с первых моделей РС и ставшая промышленным стандартом. В компьютерах ХТ применялась шина с разрядностью данных 8 бит и адреса – 20бит. В компьютерах АТ шину расширили до 16 бит данных и 24 бита адреса. Конструктивно шина выполнена в виде щелевых разъемов (слотов) с шагом выводов 2,54 мм (0,1 дюйма). Слот ISA-16 является расширением предыдущего слота, поэтому в него можно вставлять адаптеры как свои родные – ISA-16, так и устаревшие – ISA-8 (поддерживая совместимость сверху – вниз).

EISA Bus (Extended ISA) – жестко стандарти- зованное расширение ISA до 32-х бит. Конструк- тивное исполнение обеспечивает совместимость с ней и обычных ISA-адаптеров. Но установка карт EISA в слоты ISA – недопустима. EISA – дорогая, но оправдывающая себя архитектура, применявшаяся в многозадачных системах, на файл- серверах и др. Расширение шины касается не только увеличения разрядности данных и адреса: для режимов EISA используются дополнительные управляющие сигналы, обеспечивающие возможность применения более эффективных режимов передачи. Максимальную производительность шины реализует пакетный режим (Burst Mode) – скоростной режим пересылки пакетов данных без указания текущего адреса внутри пакета.

ЛОКАЛЬНАЯ ШИНА VLB Локальная шина VLB (VESA Local Bus) разработана Ассоциацией стандартов видеоэлектроники (VESA – Video Electronics Standard Associations) и представляет собой не новое устройство на материнской плате, а расширение шины ISA для обмена видеоданными. VLB – стандартизованная 32-х битовая локальная шина, практически представляющая собой сигналы системной шины процессора 486, выведенные на дополнительный разъемы системной платы. Шина сильно ориентирована на 486 процессор. Конструктивно VLB-слот аналогичен 16- ти битовому обычному MСА-слоту, но является расширением системного слота шины ISA или ЕISA, располагаясь позади него вблизи от процессора. Максимальная тактовая частота шины – 66 МГц. Шину VLB обычно использовали для подключения графических адаптеров или контроллеров дисков.

ШИНА PCI PCI (Peripheral Component Interconnect) local bus – шина соединения периферийных компонентов. Она разработана фирмой INTEL для своего нового высопроизводительного процессора PENTIUM, но хорошо сочетается и с 486 процессором, а также поддержана компьютерными фирмами DEC и Apple. Шина PCI, в отличие от EISA и VLB, представляет собой не дальнейшее развитие шины ISA, а совершенно новую шину. В настоящее время действует спецификация PCI-2.1 и PCI-2.2. При частоте шины 33 Мгц теоретическая максимальная скорость обмена достигает 132/264 Мбайт/с для 32/64 бит данных.

Частота шины PCI определяется частотой системной шины процессора (FSB), деленной на целую константу. Для частот FSB от 60 до МГц коэффициент деления равен 2-м, то есть частота шины PCI может составлять от 30 до 40 МГц. Для частоты FSB 100 МГц частота PCI равна 100 / 3 = 33 МГц, а для частоты FSB = 133 Мгц коэффициент деления равен 4-м. Основные особенности шины PCI: В этой шине используется совершенно отличный от шины ISA способ передачи, называемый «способом рукопожатия», т.е. в системе определяются два устройства: передающее (Initiator) и приемное (Target).

Когда передающее устройство готово к передаче, оно выставляет данные и сопровождает их соответствующим сигналом (Initiator Ready), при этом приемное устройство записывает данные в свои регистры и подает сигнал Target Ready, подтверждая запись данных и готовность к приему следующих. Шина PCI является синхронной – фиксация всех сигналов выполняется по нарастающему фронту тактовой частоты (сигнал CLK). Все транзакции (передачи) трактуются как пакетные: каждая транзакция начинается фазой адреса, за которым может следовать одна или несколько фаз данных. Для адреса и данных используются общие МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАННЫЕ ЛИНИИ AD.

МАГИСТРАЛЬНЫЙ ИНТЕРФЕЙС AGP Фирма INTEL на базе шины PCI-2.1 разработала новый стандарт подключения графических адаптеров – AGP (Accelerated Graphic Port – ускоренный графический порт). Этот порт представляет собой 32-х разрядную шину с тактовой частотой 66,66 МГц, по составу сигналов напоминающую шину PCI, но пропускная способность в два раза больше – 66,66 * 4 = 266 Мбайт/с (4 байта с частотой 66 МГц). Для повышения еще в два раза пропускной способности (до 532 Мбайт/с) был разработан режим AGPx2, в котором данные передаются по нарастающему и спадающему фронтам тактовой частоты, что позволяет выполнять две операции за один такт работы шины AGP.

В новой спецификации шины (AGP-2.0) скорость передачи данных в режиме AGPx4 увеличена еще в два раза и составляет 1064 Мбайт/с. Новый режим AGPx8 увеличивает еще в два раза пропускную способность за счет расширения до 64-х бит передаваемых данных. «Ускоренность» порта обеспечивается : конвейеризацией операций обращения к памяти и частичным демультиплексированием шин адреса и данных (в отличие от шины PCI, у которой передача адресов и данных осуществляется последовательно через мультиплексированную шину адрес/данные).

При конвейеризации обращения к памяти сначала выставляется пакет адресов (это позволяет заполнить промежутки ожидания реакции памяти на запросы), а потом получают плотный поток ответов (самих передаваемых данных). Спецификация AGP предусматривает возможность постановки в очередь до 256 запросов.

Недостатки интерфейса AGP: AGP – параллельная шина, а такие типы интерфейсов постепенно покидают десктопные системы; AGP – полудуплексная система и не может одновременно передавать информацию в двух направлениях; AGP – может обслуживать только одно устройство, а PCI-E не имеет никаких технических ограничений – портов может быть сколько угодно с любой пропускной способностью без каких-либо конфликтов, благодаря последовательному интерфейсу; PCI-E позволяет одновременно устанавливать несколько видеоускорителей – технология SLI от Nvidia и от AMD-ATI

Характеристики шин ввода-вывода ISA-8ISA-16EISAVLBPCIAGPx2AGPx4 Данные /643232/64 Адреса Частота, МГц 88/(16)8,33 33 –50 (66) 33 (66) 66,66 Скорость, МБайт/с 48/(16)33, / Каналы DMA Bus- Master P & P

Вопросы для экспресс-контроля Назовите основные внутренние устройства процес-соров 386, 486. Назовите основное правило открытой архитектуры. Перечислите основные шины компьютера. Назовите основные шины расширения и их основные параметры. Назовите назначение и основные различия шин AGP.

Лекция окончена СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ