Арифметические основы вычислительных машин 2

Арифметические основы вычислительных машин 2

Системы счисления 2

Двоичное представление чисел 2

Шестнадцатеричное представление чисел 3

Перевод целых чисел из одной системы счисления в другую 4

Перевод в десятичную систему из двоичной или шестнадцатеричной 4

Перевод целых чисел из десятичной системы в двоичную или шестнадцатеричную 5

Перевод чисел из двоичной системы в шестнадцатеричную и из шестнадцатеричной системы в двоичную 6

Представление целых чисел со знаком 7

Числа с плавающей запятой 8

Представление чисел в компьютере 10

Представление целых чисел 10

Представление вещественных чисел 10

Процессор 11

Архитектура компьютера и принципы его работы, сведения общего характера 11

Принципы фон Неймана 11

Основные понятия 12

Упрощенная архитектура компьютера 14

Система команд 15

Упрощенная внутренняя структура процессора 22

Предварительные сведенья о шинах 25

Процессоры x86 26

Математические сопроцессоры 27

Краткие сведенья о технологии производства процессоров 27

Поколения процессоров х86 28

Параметры, характеризующие процессор 28

Краткое описание процессоров 29

Шины 45

Последовательные и параллельные шины 45

Прерывания 49

Прямой доступ к памяти (DMA) 52

Классификация шин по назначению 52

Процессорная шина 53

Шины расширения 54

Эволюция и разновидности шин 55

Интерфейсы периферийных устройств 59

Интерфейсы накопителей 61

Архитектура материнской платы 61

Арифметические основы вычислительных машин

Системы счисления

Двоичное представление чисел

Из-за двоичного представления данных компьютеры используют в своих вычислениях арифметику с двоичным основанием. Используя простейшие числа 0 и 1,… Арифметика с основанием 2 пользуется только двумя цифрами: 0 и 1. Для начала определим общие принципы систем счисления на примере привычной нам десятичной арифметики. Мы обычно…

Шестнадцатеричное представление чисел

Небольшая трудность здесь связанна с тем, что у нас имеются цифры только от 0 до 9. Числа от 10 до 15 мы будем представлять первыми шестью буквами… Таблица 1. Системы счисления Десятичная (Dec) Двоичная (Bin) …  

Перевод целых чисел из одной системы счисления в другую

Поскольку в практической деятельности люди привыкли оперировать десятичной системой счисления, а в ЭВМ числа представляются в двоичной, необходимо научиться преобразовывать числа из одной системы счисления в другую.

Перевод в десятичную систему из двоичной или шестнадцатеричной

x = an*qn + an-1*qn-1 + ... + a0*q0 средствами десятичной арифметики. Для выполнения преобразования полезно иметь… Также приведем четыре младших разряда шестнадцатеричной системы n …

Перевод целых чисел из десятичной системы в двоичную или шестнадцатеричную

Теперь покажем как выполняется преобразование на примере. Переведем число 75 из десятичной системы в двоичную и шестнадцатеричную, сначала в… 75:2 = 37, остаток 1 это разряд весом 1 37:2 = 18, остаток 1 это разряд весом 2

Перевод чисел из двоичной системы в шестнадцатеричную и из шестнадцатеричной системы в двоичную

Обратный перевод шестнадцатеричных чисел в двоичную систему также очень прост: достаточно каждую цифру заменить эквивалентной ей двоичной тетрадой… На практике при преобразовании десятичного числа в двоичную форму бывает…

Представление целых чисел со знаком

Чтобы увидеть, как получается отрицательное число в дополнительном коде, вычтем из нуля единицу. Вычитание будем производить используя…       –- 0 …

Представление чисел в компьютере

Представление целых чисел

Целые числа без знака обычно занимают в памяти один или два байта и принимают в однобайтовом формате значения от 0000 0000b до 1111 1111b , а в… Диапазоны значений целых чисел без знака Формат числа в байтах … Целые числа со знаком обычно занимают в памяти компьютера один, два или четыре байта, при этом самый левый (старший)…

Представление вещественных чисел

Приведем характеристики форматов вещественных чисел, используемых IBM-совместимыми персональными компьютерами: Форматы вещественных чисел … Из этой таблицы видно, что форма представления чисел с плавающей точкой…  

Процессор

Архитектура компьютера и принципы его работы, сведения общего характера

Основы учения об архитектуре ЭВМ заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Первая ЭВМ «Эниак» была создана в США в 1946 г. В группу… Программу вычислений предлагалось помещать в запоминающем устройстве ЭВМ, что…

Принципы фон Неймана

1. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной… Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд (PC).… Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Основные понятия

Поясним основные понятия, которыми мы должны будем пользоваться при разборе архитектуры (и которые уже использовались в принципах фон Неймана).

Адрес – способ обратиться к содержимому ячейки памяти. Обычно в качестве минимально адресуемой ячейки памяти выбирается восьмиразрядная ячейка памяти (байт), поэтому можно считать, что адрес это номер байта в адресном пространстве.

Адресное пространство – диапазон доступных процессу адресов памяти. Не утверждается, что все эти адреса доступны безусловно. Возможно, что для корректного доступа к каким-то из них требуется некая специальная процедура. Не утверждается также и того, что обращение по любому из них обязательно должно быть успешно – возможно, попытка обратиться по адресу Х приведёт к немедленному прерыванию программы, но важно, что потенциально можно использовать этот диапазон, т.е. породить адрес.

Размер объема памяти обычно измеряют в кило-, мега-, гига-, тера- и петабайтах (больше пока не употребляются). Название «килобайт» общепринято, но формально неверно, так как приставка кило-, в этом случае означает умножение не на 1000, а на 2¹⁰ т.е. на 1024. При этом обозначение Кбайт (и все остальные тоже) начинают с прописной буквы в отличие от строчной буквы к для обозначения множителя 10³. Приведем определения для всех введенных приставок.

Название	Символ	Степень	Степень ГОСТ
Кбайт	KiB	210	103
Мбайт	MiB	220	106
Гбайт	GiB	230	109
Тбайт	TiB	240	1012
Пбайт	PiB	250	1015

Машинная команда (она же инструкция) – «Слово» машинного языка располагающееся в памяти. У каждой команды есть свой код, который называют код операции (англ. operation code). Код операции показывает, какую именно операцию из системы команд процессора надо выполнить. В отличие от самого кода операции, машинные команды, которые обрабатывает процессор, обычно включают один или два операнда(англ. operand), над которыми должна выполняться операция, хотя некоторые операции могут совсем их не иметь.

Для того чтобы исполнить команду, процессор должен прочитать ее из памяти. Для того чтобы произвести операцию над данными, процессор должен прочитать их из памяти, и, возможно, после произведения над ними определенного действия, записать их обратно в память в обновленном (измененном) виде. Команды и данные идентифицируются их адресом, который, по сути, представляет собой порядковый номер ячейки памяти.

Операнд - аргумент операции или, иначе говоря, элемент данных, над которым производятся машинные операции, Операнды могут быть обозначением регистра – операнд регистр, непосредственно числами (константами) – непосредственный операнд, значениями адреса – операнд память (в этом случае действие производится над данными расположенными по этому адресу).

Большинство команд требуют двух операндов, один из которых является операндом-источником, а второй — операндом назначенияили приемником. В двухоперандной машинной команде возможны следующие сочетания операндов:

- Регистр – регистр;

- Регистр – память;

- Память – регистр;

- непосредственный операнд – регистр;

- непосредственный операнд – память.

Программа– это просто список инструкций, выполняемых процессором.

Регистр процессора – сверхбыстрая память внутри процессора или иначе ячейка процессора. Регистр предназначен, прежде всего, для хранения промежуточных результатов вычисления (регистр общего назначения/регистр данных) или данных, необходимых для работы процессора (специальные регистры). Можно сказать, что регистры общего назначения - это переменные, как X или Y в алгебре. Только регистры физически существуют в отличие от абстрактных переменных. С точки зрения схемотехники регистр это многоразрядная ячейка памяти, которая состоит из нескольких триггеров.

В процессоре имеется значительное количество регистров, большая часть которых используется самим процессором и недоступна программисту. Например, при выборке из памяти очередной команды она помещается в регистр команд. Программист обратиться к этому регистру не может. Имеются так же регистры, которые в принципе программно доступны, но обращение к ним осуществляется из программ операционной системы. Этими регистрами пользуются в основном разработчики операционных систем.

Регистры могут быть восьмиразрядные (в такой регистр помещаются 8 бит, т.е. 1 байт), шестнадцатиразрядные (в такой регистр помещается два байта или говорят машинное слово), 32-разрядные и т.д.

Доступ к значениям, хранящимся в регистрах, как правило, в несколько раз быстрее, чем доступ к ячейкам оперативной памяти.

Счетчик команд – регистр процессора, содержащий адрес текущей выполняемой команды.

Упрощенная архитектура компьютера

- шину данных, Рисунок Упрощенная архитектура компьютера - шину адреса, - шину управления.

Система команд

«Слова» машинного языка называются машинными командамиилиинструкциями. Каждая из них описывает элементарное действие, выполняемое процессором, такое… У разных процессоров системы команд существенно различаются, но в основе своей… Каждая команда процессора имеет два представления:

Примеры арифметических команд

1. Чтоб сложить содержимое двух регистров, нужно использовать команду

ADD AH,AL

Прибавить к содержимому регистра AH содержимое регистра AL. Результат будет находиться в регистре AH. Здесь ADD обозначает код операции, а AH,AL операнды, которые в нашем примере являются регистрами общего назначения.

2. Чтобы вычесть из значения регистра число, находящееся в другом регистре, нужно использовать команду:

SUB CX,DX

Отнять от CX содержимое DX, результат будет находиться в регистре CX.

Два первых примера иллюстрируют случай, когда оба операнда инструкции являются регистрами.

3. Добавить число к содержимому регистра

ADD AH,9

Добавляем значение 9 к содержимому регистра AH, результат будет находиться в регистре AH. То есть в этом случае приемник это регистр, а источник находится непосредственно в команде. Это пример на использование в качестве операнда конкретного числа.

4. Добавить содержимое, находящееся по известному адресу, к содержимому регистра

ADD AX,[0133h]

Прибавить к содержимому регистра AX байты находящиеся в памяти по адресу 0133h (квадратные скобки указывают что операндом будет адрес).

Команды пересылки данных не требуют выполнения никаких операций над операндами. Операнды просто пересылаются (точнее, копируются) из источника в приемник. Источником и приемником могут быть регистры процессора, ячейки памяти.

Примеры команд пересылки данных

1. Поместить содержимое одного регистра в другой

MOV DX,BX

Копировать содержимое регистра BX в регистр DX.

2. Поместить число по известному адресу

MOV [BX], 5050H

Поместить в память по адресу 0133h значение 5050h. В этом случае операндом источником будет число, находящееся непосредственно в команде, а операндом источником – адрес.

Логические команды выполняют над операндами логические (побитовые) операции (для тех, кто забыл, что такое логические операции, информация по ним приведена в приложении), то есть они рассматривают коды операндов не как единое число, а как набор отдельных битов. Этим они отличаются от арифметических команд. Среди логических команд можно назвать логическое И, логическое ИЛИ, исключающее ИЛИ, очистку, инверсию, разнообразные сдвиги (вправо, влево, арифметический сдвиг, циклический сдвиг). Этим командам, как и арифметическим, требуется один или два входных операнда, и формируют они один выходной операнд.

Пример логической команды

Применить побитовое исключающее или к операндам обозначающий один и тот же регистр:

XOR EAX,EAX

Самый быстрый для процессора способ обнулить регистр EAX (если операнды одинаковые, то на выходе в любом случае будет 0).

Команды переходов предназначены для изменения обычного порядка последовательного выполнения команд. С их помощью организуются переходы на подпрограммы и возвраты из них, всевозможные циклы, ветвления программ, пропуски фрагментов программ и т.д. Команды переходов всегда меняют содержимое счетчика команд. Переходы могут быть условными и безусловными. Именно эти команды позволяют строить сложные алгоритмы обработки информации.

Для того чтобы рассказать, что такое условный переход необходимо предварительно рассказать о регистре состояния процессора (PSW). Иначе этот регистр называют регистром флагов. Он предназначен для отражения текущего состояние процессора. Биты этого регистра устанавливаются или очищаются в соответствии с результатом каждой выполненной команды. Каждый бит регистра состояния имеет свой смысл и называется флагом.

Чаще всего нас интересует флаг нуля (ZF – Zero Flag), который включается, когда в результате действия команды переменная обнуляется. Другим часто используемым флагом является флаг знака (SF – Sign Flag), который показывает что переменная, установленная в результате действия команды, будет положительна. Все арифметические и некоторые другие команды меняют флаги, т.е. мы всегда знаем, что получилось в результате (операнд приемник содержит нуль, положительное или отрицательное число и т.д.)

Вернемся к условным и безусловным переходам.

Команды безусловных переходов вызывают переход в новый адрес независимо ни от чего. Они могут вызывать переход на указанную величину смещения (вперед или назад) или же на указанный адрес памяти. Величина смещения или новое значение адреса указываются в качестве входного операнда.

 

Команды условных переходов вызывают переход не всегда, а только при выполнении заданных условий. В качестве таких условий обычно выступают значения флагов в регистре состояния процессора (PSW). То есть условием перехода является результат предыдущей операции, меняющей значения флагов. Несколько примеров команд условных переходов:

- переход, если равно нулю;

- переход, если больше нуля;

- переход, если меньше или равно нулю.

Если условие перехода выполняется, то производится загрузка в регистр-счетчик команд нового значения. Если же условие перехода не выполняется, счетчик команд просто наращивается, и процессор выбирает и выполняет следующую по порядку команду

Примеры команд пересылки данных

1. Если в результате предыдущей операции получаем нуль, перейти к известной ячейке (по известному смещению):

JZ 40h

Если результат предыдущей операции равен нулю переходим к инструкции, которая находится добавлением к текущему адресу 40h.

2. Безусловно перейти к ячейке адрес которой будет вычисляться на основании содержимого регистров.

JMP [BX + SI]

Переход выполняется независимо от состояния флагов, значение адреса новой инструкции берется из двух последовательных байт памяти, адрес первого из которых определяется суммой регистров BX и SI.

 

Пример простой программы 1 (использование команд пересылки данных и арифметических)

Рассмотрим, во что (в какие машинные команды) превратится в памяти компьютера очень простая программа на паскале.

Итак, программа следующая:

var ia,ib,ic : Smallint;

 

Begin

ia := 5;

ib := 3;

ic := ia + ib;

end;

 

В этой программе мы объявляем (резервируем в памяти) три переменных занимающих два байта (16 разрядов) каждая – в паскале этот тип называется Smallint. В теле программы первой переменной присваивается 5, второй – 3, а третьей – 5 + 3. Покажем результат трансляции этой программы в последовательность машинных инструкций (См рис. …)

 

Рисунок Результат трансляции программы 1

Рассмотрим результат трансляции построчно.

 

1. Первая стока (как и все прочие) состоит из трех частей

0044C878 66С705D8FB440005 mov word ptr [ia], $0005

 

Итак, первая группа из восьми шестнадцатеричных цифр представляет собой адрес, по которому располагается команда, в нашем случае адрес первой команды будет равен 0044C878h. (Почему в адресе указываются именно восемь позиций для шестнадцатеричных цифр, разберем в дальнейшем).

Вторая группа является собственно цифровым представлением машинной инструкции. Как видно, эта инструкция занимает в памяти восемь байт. (Напоминаю, что один байт записывается в две шестнадцатеричных позиции.) Необходимо обратить внимание, что в этом коде присутствуют оба операнда, операнд приемник (адрес переменой ia – 0044FBD8h) и операнд источник (число 5 – 0005).

Третья группа является символьным представлением инструкции. MOV – имя команды пересылки данных. word ptr – не команда, это лишь определитель размера данных, он показывает, что мы будем пересылать машинное слово, то есть шестнадцатиразрядное число (напоминаю, что переменная типа Smallint занимает 16 байт). [ia] это операнд приемник – адрес переменной ia. $0005 – операнд источник (символ $ означает что используется шестнадцатеричная система счисления).

В результате исполнения этой инструкции число 5 будет перемещено по адресу переменной ia, что полностью соответствует первой строке нашей программы

ia := 5;

2. Вторая строка имеет вид:

0044C881 66С705DAFB440003 mov word ptr [ib], $0003

Это инструкция расположена по адресу 0044C881 (обратим внимание, что этот адрес на восемь больше чем адрес первой инструкции). В результате исполнения этой инструкции число 3 будет перемещено по адресу переменной ib, что соответствует второй строке нашей программы.

3. Третья строка имеет вид:

0044C88A 66A1D8FB4400 mov ax, [$0044fbd8]

Здесь данные, находящиеся по адресу 0044fbd8h (это адрес переменной ia, в которой сейчас находится число 5) перемещаются в регистр AX.

4. Четвертая строка:

0044C890 660305DAFB4400 add ax, [ib]

К содержимому регистра AX добавим данные, находящиеся по адресу переменной ib (в переменную ib было помещено число 3).

Пятая строка содержит:

5. 0044C897 66A3DСFB4400 mov [$0044fbdс], ax

В результате исполнения этой инструкции содержимое регистра AX (там храниться результат сложения) будет перемещено по адресу 0044FBDСh, это адрес переменной iс. Третья, четвертая и пятая машинная команды соответствуют третьей строке исходной программы:

ic := ia + ib;

Пример простой программы 2 (использование команд переходов)

Новая программа будет использовать те же переменные, что и программа из первого примера.

var ia,ib,ic : Smallint;

Сама программа имеет вид:

Begin

For ia := 0 to 4 do

end;       Т.е. мы организуем цикл по переменной ia, которая меняется от 0 до 4, в цикле к…

Упрощенная внутренняя структура процессора

  Рисунок Упрощенная структура процессора

Примеры арифметических операций для целых чисел.

Сначала простой случай, проведем сложение 61 + 1

+

Получили число 62, ничего интересного кроме правил сложения двоичных чисел этот пример не демонстрирует.

Теперь выполним сложение 127 + 1:

+

В результате мы получаем число 128, т.е. старший 7-й разряд будет установлен в 1, это означает, что мы будем интерпретировать это число как отрицательное (-128), в регистре флагов при этом установится в 1 флаг знака (SF). Как видно, мы складывали два положительных числа и получили отрицательное, Этот эффект принято называть переполнением, так как сумма вышла за пределы диапазона чисел, представимых в дополнительном коде, при этом в регистре флагов установится в 1 флаг переполнения (Overflow flag, OF). Установка флага переполнения показывает, что сложение со знаком дает неверный результат.

Третий пример продемонстрирует сложение отрицательных чисел представленных, естественно, в дополнительном коде.

Суммируем (-1) + (-126)

+

Получили -127, при этом сумма осталась отрицательной, но произошел перенос из самого старшего 7-го разряда числа, это значит, что в регистре флагов установится в 1 флаг переноса (Carry flag, CF), этот флаг показывает что, в результате операции из старшего бита происходит перенос при сложении или заем при вычитании.

Схема управления выборкой команд или дешифратор выполняет чтение команд из памяти и их дешифрацию, т.е. интерпретацию кода операции, информация о результате дешифрации передается устройству управления.

Устройство управления организует взаимодействие всех узлов процессора, перенаправляет данные, синхронизирует работу процессора с внешними сигналами, а также реализует процедуры ввода и вывода информации.

Предварительные сведенья о шинах

Как уже было сказано в состав шины входят линии (набор которых также называется шиной) трех типов - шину адреса, - шина данных,

Процессоры x86

x86 (Intel 80x86) — общее название семейства микропроцессоров, как разработанных и выпускаемых компанией Intel, так и совместимых с ними процессоров… Такое имя закрепилось за семейством этих микропроцессоров, так как названия… Другое название для архитектуры этого типа – IA (Intel Architecture) или же IA-32.

Математические сопроцессоры

Математический сопроцессор (англ. Floating Point Unit, FPU) это специализированный процессор, расширяющий возможности центрального процессора… Для архитектуры IA программная модель FPU содержит включает восемь…

Краткие сведенья о технологии производства процессоров

Количество транзисторов (или «полупроводниковых элементов») является одной из основных характеристик процессора. Техпроцесс описывается характерным… Рисунок 1. Принципиальная схема процесса

Поколения процессоров х86

Эволюцию процессоров мы будем рассматривать следующим образом: сначала перечислим параметры, характеризующие каждый из рассматриваемых процессоров. Затем сведем данные обо всех поколениях процессоров в таблицу, и, наконец, дадим краткую характеристику каждому из представленных процессоров, заостряя внимание на тех новых понятиях, которые, возникли вместе с этим процессором.

Параметры, характеризующие процессор

- Разрядность шины адреса –определяет адресное пространство процессора, - Разрядность шины данных – количество бит, которыми процессор обменивается… - Тактовая частота – количество синхронизирующих тактов, поступающих на вход процессора за секунду. В самом первом…

Краткое описание процессоров

Таблица 2 Эволюция процессоров х86. Поколение Наименование Год выпуска Разрядность шины адреса Разрядность…    

Begin

For ia := 0 to 4 do

end; При компиляции этого цикла в машинный код он преобразуется в такую… Как видите, переход со строки 5 в пяти случаях осуществляется на строку 2 (адрес 004D9A1) и только в одном на строку 7…

Шины

 

Все компоненты компьютера соединяются посредством шин, т.е. шины предназначены для обмена информацией между двумя и более компонентами (устройствами). Аналогично можно говорить о внутренних шинах процессора (передаёт данные между функциональными блоками), о шинах предназначенных для подключения внешних устройств (внешняя шина) и т.д. В отличие от связи точка—точка, к шине обычно можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Шина, связывающая только два устройства, называется портом.

Последовательные и параллельные шины

Основным отличием параллельных шин от последовательных является сам способ передачи данных. Параллельные шины можно рассматривать как совокупность… - Линии для обмена данными (шина данных); - Линии для адресации данных (шина адреса);

Прерывания

Для того чтобы устройство могло сообщить процессору о наступлении события, на шине управления присутствуют специальные линии прерывания – IRQ… Когда устройство собирается оповестить процессор о наступлении какого-либо… Когда по одной из линий IRQ поступает сигнал (см. рис. …), процессор запоминает текущее значение счетчика команд и…

Классификация шин по назначению

Традиционно шины делятся на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью, и шины ввода-вывода. Шины ввода-вывода могут иметь большую протяженность, поддерживать подсоединение многих типов устройств, и обычно следуют одному из шинных стандартов. Шины процессор-память, с другой стороны, сравнительно короткие, обычно высокоскоростные и соответствуют организации системы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память-процессор. Среди шин ввода-выводавыделяют два типа шин:

- шины расширения (Expansion Bus) предназначены для подключения различных устройств, расширяющих возможности компьютера. Шины расширения конструктивно оформляются в виде щелевых разъемов (слотов, англ. slot – щель, паз) для установки плат адаптеров.

- внешние шины и порты ввода-вывода предназначенные для подключения к компьютеру периферийных (располагаемых вне корпуса) устройств.

Иногда используется еще одно понятие – локальная шина. Локальной шиной, как правило, называется шина, непосредственно подключенная к контактам микропроцессора, т.е. являющаяся продолжением шины процессора.

Процессорная шина

Классическая схема организации внешнего интерфейса процессора (используемая, к примеру, компанией Intel) предполагает, что системная шина соединяет… Тактовая частота системной шины во многом определяет производительность всей… Параметры FSB у некоторых процессоров приведены в табл. 3.

Шины расширения

Как правило, современный персональный компьютер на базе x86-совместимого процессора устроен следующим образом: процессор через системную шину…

Интерфейс устройства

- порты ввода – вывода; - линии запросов прерывания IRQ; - каналы прямого доступа к памяти DMA.

Эволюция и разновидности шин

Для обзора шин расширения сведем их характеристики в таблицу. В качестве характеристик будут фигурировать разрядности шины адреса и шины данных,… Таблица 5 Шины ввода вывода Наименование Разрядность шины…  

ISA

В 1981 году компания IBM представила шину ISA (Industrial Standard Architecture - промышленная стандартная архитектура). Она стала одной из первых шин расширения ввода-вывода для персональных компьютеров.

Шина ISA представляла интерфейс для подключения различных адаптеров и контроллеров периферийных устройств. Разъём состоял из 62-х контактов, из них 8 — для данных, 20 — линии адреса, 6 — для прерываний от IRQ2 до IRQ7, тактовая частота шины была 4.7 МГц. Пропускная способность этой шины достигала 1.2 Мб/сек.

ISA -16

Поскольку частота процессора скоро стала значительно выше частоты системной шины, появилось понятие деление частоты, когда частота, задаваемая… В настоящее время шина ISA считается устаревшей и применяется только в…

VLB

VESA local bus (VLB) по существу, является расширением внутренней шины процессора Intel 80486 для связи с видеоадаптером (соответственно характеризуется теми же параметрами, что и шина i486). Разработана в 1992 г. Реальная скорость передачи данных по VLB — 80 Мбайт/с.

PCI

PCI (англ. Peripheral component interconnect, дословно — взаимосвязь периферийных компонентов) – разработана компанией Intel в 1991 году.

Существует 32-разрядная и 64-разрядная реализация шины PCI. В 64-разрядной реализации используется разъем с дополнительной секцией. 32-разрядные и 64-разрядные платы можно устанавливать в 64-разрядные и 32-разрядные разъемы и наоборот. Платы и шина определяют тип разъема и работают должным образом. При установке 64-разрядной платы в 32-разрядный разъем остальные выводы не задействуются и просто выступают за пределы разъема.

На шине PCI сигналы адреса и данных мультиплексированы, поэтому для передачи каждых 32 или 64 разрядов требуется два шинных цикла: один - для пересылки адреса, а второй - для пересылки данных. Однако возможен также пакетный режим, при котором вслед за одним циклом передачи адреса разрешается осуществить до четырех циклов передачи данных (до 16 байт в PCI-32). После этого устройство должно подать новый запрос на обслуживание и снова получить управление над шиной (и выполнить адресный цикл). Поэтому шина PCI-32 с тактовой частотой 33 МГц имеет пиковую скорость обычной передачи около 66 Мбайт/с (два шинных цикла для передачи 4 байт) и пиковую скорость пакетной передачи около 105 Мбайт/с.

PCI поддерживает процедуру прямого доступа к памяти ведущего устройства на шине (bus mastering DMA).

Шина поддерживает технологию Plug and Play (сокр. PnP), что дословно переводится как «включил и играй (работай)» – технология, предназначенная для быстрого определения и конфигурирования устройств в компьютере. После старта компьютера системное программное обеспечение обследует конфигурационное пространство PCI каждого устройства, подключённого к шине, и распределяет ресурсы.

AGP

В 1996 году фирмой Intel был предложен выделенный интерфейс для подключения видеокарты – AGP (Accelerated Graphics Port - высокоскоростной графический порт).

Интерфейс AGP по топологии не является шиной, т.к. поддерживает только одну видеокарту, т.е. это порт. Порт AGP построен на основе PCI с тактовой частотой 66 МГц и 32-разрядной шиной данных. Для повышения пропускной способности AGP предусмотрена возможность передавать данные с помощью специальных сигналов, используемых как стробы, вместо сигнала тактовой частоты 66 МГц. Например, в режиме AGP 2x данные передаются как по переднему, так и по заднему фронту тактового сигнала, что позволяет достичь пропускной способности 533 Мбайт/с.

Увеличение пропускной способности AGP достигается также с помощью конвейеризации. Сравним: На PCI по выставленному адресу после задержки появляются данные. На AGP сначала выставляется пакет адресов, на которые следует ответ пакетом данных (рис. ).

В настоящее время порт AGP практически исчерпал свои возможности и активно вытесняется системным интерфейсом PCI Express.

PCI Express

Одна из концептуальных особенностей интерфейса PCI Express, позволяющая существенно повысить производительность системы, - использование топологии…    

LPC

Шина LPC (Low Pin Count Interface, Интерфейс малого количества контактов) была введена для замены шины ISA. используется для подключения устройств, не требующих большой пропускной способности. К таким устройствам относятся микросхема перепрограммируемой памяти (BIOS) и контроллеры «устаревших» низкопроизводительных интерфейсов передачи данных, такие как последовательный и параллельные интерфейсы, интерфейс подключения манипулятора «мышь» и клавиатуры, флоппи-контроллер.

Хотя LPC физически сильно отличается от ISA, программная модель периферийных контроллеров, подключаемых через LPC, осталась прежней. Это позволило без доработок использовать на компьютерах с LPC программное обеспечение, разработанное для управления периферийными контроллерами, которые подключались к шине ISA.

В соответствии со своим названием интерфейс имеет всего 7 контактов: 4 для данных и 3 управляющих. При частоте тактового сигнала 33,3 МГц пропускная способность шины LPC составляет 16,67 МБ/с.

Интерфейсы периферийных устройств

Рассмотрим теперь интерфейсы внешних компонент – периферийных устройств.

PS/2

PS/2 это самый старый из актуальных среди дешёвых интерфейсов. Он является последовательным синхронным интерфейсом (напоминаем, что при синхронной передаче данных устройство не дожидается сигналов подтверждения). Данный вид интерфейса, используется преимущественно для подключения мыши и клавиатуры, на материнской расположены два разъема для клавиатуры (фиолетового цвета) и мыши (зеленого), соответственно.

Остановимся на использовании клавиатуры и мыши, которые подключаются к этим разъемам.

Процессор общается с клавиатурой через контроллер интерфейса клавиатуры, установленный на системной плате. Для обмена информацией в основном используется порт (60h), из которого принимаются коды нажатых клавиш (скан-кода). О необходимости чтения скан-кода контроллер сигнализирует процессору через аппаратное прерывание, сигнал которого вырабатывается по каждому событию клавиатуры (нажатию и отпусканию клавиши).

Мышь может работать в одном из двух режимов. В потоковом режиме (stream mode) мышь посылает данные по любому изменению состояния; в режиме опроса (remote mode) мышь передает данные только по запросу процессора. По приему пакета от мыши контроллер вырабатывает прерывание, которое обрабатывается драйвером мыши.

Интерфейс RS-232

Обычно компьютер имеет в своем составе два интерфейса RS-232C, которые обозначаются COM1 и COM2. RS-232 обеспечивает передачу информации между двумя устройствами на расстоянии…  

Интерфейс IEEE 1284

В основном используется для подключения к компьютеру принтера, сканера и других внешних устройств, однако может применяться и для других целей… В настоящее время этот интерфейс втесняется интерфейсом USB, который…

Интерфейс IEEE 1394

- Подключения видео мультимедийных устройств (используется как средство копирования с видео камеры в файлы и для захвата видео). - Подключения Жёстких дисков. Последние версии стандарта позволяют передавать данные c максимальной скоростью — 3,2 Гбит/с. Максимальная длина…

Интерфейс USB

- USB 1.1 – 12 Мбит/с; - USB 2.0 – 480 Мбит/с. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное подключение/отключение, шина поддерживает «горячее»…

Интерфейсы накопителей

Детальный разбор этих интерфейсов будет проведен в пособии, посвященном жестким дискам.

Архитектура материнской платы

Компоненты на материнской плате

Современные «материнки» используют многослойные текстолитовые печатные платы (обычное число слоев – 4–6). Использование многослойной конструкции… От блока питания на материнскую плату через специальный разъем поступает… Основные элементы, которые в том или ином виде находятся на материнской плате:

Пример системной платы

Рассмотрим архитектуру и расположение компононт системной платы на примере (Рис …).

Как это видно на рисунке, в верхней части платы расположено гнездо для установки процессора. Процессор при помощи процессорной шины соединяется с северным мостом, который содержит контроллер системной шины, контроллер памяти и контроллер шины PCI Express. Северный мост соединен с двумя слотами для установки моделей системной памяти (DDR).

Соединение северного и южного мота выполняется с помощью специальной шины, носящей название HUB интерфейс (HI - Hub Interface,Hub это узел или центр чего либо). Hub-интерфейс представляет собой 8-разрядный интерфейс с тактовой частотой 66 МГц. Маленькое число линий говорит о снижении количества помех и повышении устойчивости сигнала. Вообще понятие HI относится только к чипсетам фирмы Intel у других производителей аналогичные интерфейсы имеют другие названия, хотя выполняют те же функции и имеют, вероятно, похожие протоколы.

Южный мост содержит схемы, реализующие интерфейс контроллера шины PCI, интерфейс контроллера жесткого диска SATA и интерфейс USB), а также схемы, реализующие функции памяти CMOS и часов. Шина PCI в представленном примере имеет три слота, а шина SATA четыре (т.е. мы можем подключить до четырех различных дисков). Внешний вид разъема представлен PCI на рис …. Разъем шины PCI традиционно делается из белой пластмассы.

Рисунок 3 Разъем шины PCI

 

Рисунок Схема системной платы

В южный мост встроен также хост-контроллер AC97 (он же цифровой контроллер, DC97, англ. digit controller. AC – сокр. Audio Codec), который отвечает за обмен цифровыми данными между системной шиной и аналоговым кодеком AC97. Аналоговый кодек - это небольшой чип, который осуществляет преобразования аналог->цифра и цифра->аналог в режиме программной передачи или по DMA. От качества применяемого АЦП/ЦАП во многом зависит качество оцифровки и воспроизведения звука.

Кроме этого на плате располагаются:

- Разъем, через который от блока питания на материнскую плату поступает питание.

- Два разъема (слота) для установки модулей оперативной памяти DIMM (DDR).

- Разъем FDD для подключения накопителя на гибких дисках (дискетах).

- Разъем IDE, который на данной плате предназначается для подключения привода оптических дисков (CD, DVD).

- Микросхема флэш-памяти, в которой хранятся программы BIOS.

- Аккумуляторная батарея для питания микросхемы памяти CMOS, и электронного таймера.

- Два разъема для подключения кабелей идущих к портам USB, расположенным на передней панели компьютера.

- Кварцевый генератор, стабилизируемый кварцевым резонатором, формирующий рабочие такты процессора. Кроме тактовки процессора в обязанности тактового генератора входит организация циклов системной шины.

Поясним термины, которые были использованы при описании системной платы:

Флэш-память -(англ. Flash-Memory) — твердотельная полупроводниковая энергонезависимая перезаписываемая память. Принципы работы флэш-памяти будут рассмотрены в разделе посвященном памяти.

Кодек (англ. codec, от coder/decoder — кодировщик/декодировщик или compressor/decompressor) — устройство, выполняющее преобразование данных. Кодеки используются при цифровой обработке видео и звука. Также называется программа, выполняющая преобразование для звуковых и визуальных данных.

DDR (от англ. Double Data Rate Synchronous Dynamic Random Access Memory) — синхронная динамическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных, тип оперативной памяти, используемой в современных компьютерах в большинстве случаев. Детально этот вид памяти будет рассмотрен в разделе посвященном памяти.

DIMM (англ. Dual In-line Memory Module, двухсторонний модуль памяти) — форм-фактор модулей памяти.

Покажем типичное расположение разъемов на системной плате, видимое сзади (рис. …).

1. Мышь PS/2 (зеленая пластмасса),

2. Клавиатура PS/2 (фиолетовая пластмасса),

3. Порты USB (0 и 1),

4. Последовательные порты RS-232 (0 и 1),

5. Параллельный порт LPT,

6. Порт MIDI или игровой,

7. Линейный выход,

8. Линейный вход,

9. Микрофон.

Архитектура материнской платы для процессора Core i7 и перспективы.

- Модули памяти подключаются непосредственно к процессору (а не к северному мосту). - Северный мост (или концентратор ввода/вывода – Input/output hub)… - Южный мост (контроллер ввода/вывода – Input/output Controller hub) соединяется северным при помощи специального…