Глава 3. Информационно- логические основы построения Вычислительных машин
Информационно-логические основы построения вычислительных машин охватывают круг вопросов, связанных с формами и системами представления информации в компьютерах, а также с логико-математическим синтезом вычислительных схем и схемотехникой электронных компонентов компьютера. Поскольку последние вопросы представляют интерес только для специалистов технического профиля, в данном разделе рассмотрены только базовые понятия логического синтеза.
Представление информации в вычислительных машинах
Информация в компьютере кодируется в двоичной или в двоично-десятичной системах счисления.
Система счисления — способ именования и изображения чисел с помощью символов, имеющих определенные количественные значения. В зависимости от способа изображения чисел, системы счисления делятся на:
● позиционные;
● непозиционные.
В позиционной системе счисления количественное значение каждой цифры зависит от ее места (позиции) в числе. В непозиционной системе счисления цифры не меняют своего количественного значения при изменении их: расположения в числе. Количество (Р) различных цифр, используемых для изображения числа в позиционной системе счисления, называется основанием системы счисления. Значения цифр лежат в пределах от 0 до Р — 1.
В общем случае запись любого смешанного числа в системе счисления с основанием P будет представлять собой ряд вида:
Нижние индексы определяют местоположение цифры в числе (разряд):
● положительные значения индексов — для целой части числа (т разрядов);
● отрицательные значения — для дробной (разрядов).
Максимальное целое число, которое может быть представлено в т разрядах:
Минимальное значащее, не равное 0 число, которое можно записать в s разрядах дробной части:
Имея в целой части числа т, а в дробной — s разрядов, можно записать всего P m+s
разных чисел.
Двоичная система счисления имеет основание P = 2 и использует для представления информации всего две цифры: 0 и 1.
Существуют правила перевода чисел из одной системы счисления в другую, основанные, в том числе, и на соотношении (1).
Например, двоичное число 101110,101 равно десятичному числу 46,625.
101110,101(2) = 1 · 25 + 0 · 24 + 1 · 23 + 1 · 22 + 1 · 21 + 0 · 20 + 1 · 2-1 + 0 · 2-2 + 1 · 2-3 = 46,625(10)
Практически перевод из двоичной системы в десятичную можно легко выполнить, надписав над каждым разрядом соответствующий ему вес и сложив затем произведения значений соответствующих цифр на их веса,
Двоичное число 010000012 равно 6510. Действительно, 64 1 + 1 1 = 65.
Таким образом, для перевода числа из позиционной системы счисления с любым основанием в десятичную систему счисления можно воспользоваться выражением (1), Обратный перевод из десятичной системы счисления в систему счисления с другим основанием непосредственно по формуле (1) для человека весьма затруднителен, поскольку все арифметические действия, предусмотренные этой формулой, следует выполнять в той системе счисления, в которую число переводится. Обратный перевод выполняется значительно проще, если предварительно преобразовать отдельно целую и дробную части выражения (1) к виду
Алгоритм перевода числа из десятичной системы счисления в систему счисления с основанием Р, основанный на этих выражениях, позволяет оперировать числами в той системе счисления, из которой число переводится, и может быть сформулирован следующим образом.
При переводе смешанного числа следует переводить его целую и дробную части отдельно.
1. Для перевода целой части числа ее, а затем целые части получающихся частных от деления, следует последовательно делить на основание Р до тех пор, пока очередная целая часть частного не окажется равной О. Остатки от деления, записанные последовательно справа налево, образуют целую часть числа в системе счисления с основанием Р.
2. Для перевода дробной части числа ее, а затем дробные части получающихся произведений, следует последовательно умножать на основание Р до тех пор, пока очередная дробная часть произведения не окажется равной О или не будет достигнута нужная точность дроби. Целые части произведений, записанные после запятой последовательно слева направо, образуют дробную часть числа в системе счисления с основанием Р.
Рассмотрим перевод смешанного числа из десятичной в двоичную систему счисления на примере числа 46,625. Переводим целую часть числа: 46: 2 = 23,(оста- ток 0). 23: 2 = 11 (остаток 1). 11: 2 = 5 (остаток 1). 5: 2 = 2 (остаток 1). 2: 2 = 1 (остаток 0). 1: 2 = 0 (остаток 1). Записываем остатки последовательно справа налево — 101110, то есть 46,0 — — 101110>, Переводим дробную часть числа: 0,625 2 = = 1,250. 0,250 2 = 0,500. 0,500 2= 1,000. Записываем целые части получающихся произведений после запятой последовательно слева направо — 0,101, то есть: 0,625|~ — — 0,1012. Окончательно 46,62510 101110,1012.
Представление чисел с фиксированной и плавающей запятой
В вычислительных машинах применяются две формы представления двоичных чисел:
● естественная форма, или форма с фиксирований запятой (точкой);
● нормальная форма, или форма с плавающей запятой (точкой).
В форме представления с фиксированной запятой все числа изображаются в виде последовательности цифр с постоянным для всех чисел положением запятой, отделяющей целую часть от дробной.
Например: в десятичной системе счисления имеется 5 разрядов в целой части числа (до запятой) и 5 разрядов в дробной части числа (после запятой); числа, записанные в такую разрядную сетку, имеют вид: +00721.35500; +00000,000328; -10301,20260. Эта форма наиболее проста, естественна, но имеет небольшой диапазон представления чисел и поэтому чаще всего не приемлема при вычислениях. Диапазон значащих чисел N в системе счисления с основанием Р при наличии т разрядов в целой части и s разрядов в дробной части числа (без учета знака числа) будет таким:
Например, при Р = 2, т = 10 и s = 6 числа изменяются в диапазоне 0,015 < N < 1024. Если в результате операции получится число, выходящее за допустимые пределы, произойдет переполнение разрядной сетки, и дальнейшие вычисления теряют смысл. В современных компьютерах естественная форма представления используется как вспомогательная и только для целых чисел.
В форме представления с плавающей запятой каждое число изображается в виде двух групп цифр. Первая группа цифр называется мантиссой, вторая — порядком, причем абсолютная величина мантиссы должна быть меньше 1, а порядок должен быть целым числом. В общем виде число в форме с плавающей запятой может быть представлено так:
где М — мантисса числа (~М~ < 1); г — порядок числа (целое число);
Р — основание системы счисления.
Например, приведенные ранее числа в нормальной форме запишутся следующим образом: +0,721355 . 10~ +0,328 . 10 ~ — 0,103012026 . 105.
Нормальная форма представления имеет огромный диапазон отображения чисел и является основной в современных компьютерах. Так, диапазон значащих чисел в системе счисления с основанием Р при наличии т разрядов у мантиссы и s раз- рядов у порядка (без учета знаковых разрядов порядка и мантиссы) будет:
Приведем пример. При Р = 2, т = 22 и s = 10 диапазон чисел простирается примерно от 10 до 10300. Для сравнения: количество секунд, которые прошли с момента образования планеты Земля, составляет всего 10.
Следует заметить, что все числа с плавающей запятой хранятся в машине в так называемом нормализованном виде. Нормализованным называют такое число, в старшем разряде мантиссы которого стоит единица. У нормализованных двоичных чисел, следовательно, 0,5 < М < 1.
Алгебраическое представление двоичных чисел
Знак числа обычно кодируется двоичной цифрой, при этом код 0 означает знак + (плюс), код 1 — знак — (минус). Для алгебраического представления чисел, то есть для представления чисел с учетом их знака, в вычислительных машинах используются специальные коды:
● прямой код числа;
● обратный код числа;
● дополнительный код числа.
При этом два последних кода позволяют заменить неудобную для компьютера операцию вычитания на операцию сложения с отрицательным числом. Дополнительный код обеспечивает более быстрое выполнение операций, поэтому в компьютере применяется чаще именно он.
Если при сложении оба слагаемых имеют одинаковый знак, то операция сложения выполняется обычным путем. Если при сложении слагаемые имеют разные знаки, то сначала необходимо выявить большее по абсолютной величине число, произвести из него вычитание меньшего по абсолютной величине числа и разности присвоить знак большего числа.
Выполнение операций умножения и деления в прямом коде выполняется обычным образом, но знак результата определяется по совпадению или несовпадению знаков участвовавших в операции чисел.
Операцию вычитания в этом коде нельзя заменить операцией сложения с отрицательным числом, поэтому возникают сложности, связанные с заемом значений из старших разрядов уменьшаемого числа. В связи с этим прямой код в компьютере почти не применяется.
Для того чтобы получить обратный код отрицательного числа, необходимо все цифры этого числа инвертировать, то есть в знаковом разряде поставить 1, во всех значащих разрядах нули заменить единицами, а единицы нулями.
Для того чтобы получить дополнительный код отрицательного числа, необходимо все его цифры инвертировать (в знаковом разряде поставить единицу, во всех значащих разрядах нули заменить единицами, а единицы нулями) и затем к младшему разряду прибавить единицу. В случае возникновения переноса из первого после запятой разряда в знаковый разряд, к числу следует прибавить единицу в младший разряд.
Кроме рассмотренных выше систем счисления, применяемых внутри компьютера, программисты и пользователи часто используют при работе с компьютерами также двоично-десятичную и шестнадцатеричную системы.
Двоично-десятичная система счисления
Двоично-десятичная система счисления получила большое распространение в со- временных компьютерах ввиду легкости перевода в десятичную систему и обрат- но. Она используется там, где основное внимание уделяется не простоте технического построения машины, а удобству работы пользователя. В этой системе счисления все десятичные цифры отдельно кодируются четырьмя двоичными цифрами и в таком виде записываются последовательно друг за другом.
Двоично-десятичная система не экономична с точки зрения реализации технического построения машины (примерно на 20% увеличивается требуемое оборудование), но очень удобна при подготовке задач и при программировании. В двоично-десятичной системе счисления основанием системы счисления является число 10, но каждая десятичная цифра (О, 1, ..., 9) изображается при помощи двоичных цифр, то есть кодируется двоичными цифрами. Для представления одной десятичной цифры используются четыре двоичных. Здесь имеется, конечно, избыточность, поскольку 4 двоичных цифры (или двоичная тетрада) могут изобразить не 10, а 16 чисел, но это уже издержки производства в угоду удобству программирования. Существует целый ряд двоично-кодированных десятичных
систем представления чисел, отличающихся тем, что определенным сочетаниям и нулей и единиц внутри одной тетрады поставлены в соответствие те или иные значения десятичных цифр.
В наиболее часто используемой естественной двоично-кодированной десятичной системе счисления веса двоичных разрядов внутри тетрады естественны, то есть 8, 4; 2, 1 (табл. 3.1).
Например, десятичное число 9703 в двоично-десятичной системе выглядит так: 1001011100000011.
Шестнадцатеричная система счисления
При программировании иногда используется шестнадцатеричная система счисления, перевод чисел из которой в двоичную систему счисления весьма простоя выполняется поразрядно (аналогично переводу из двоично-десятичной системы). Для изображения цифр, больших 9, в шестнадцатеричной системе счисления применяются буквы А = 10, В = 11, С = 12, D = 13, Е = 14, F.= 15.
Например, шестнадцатеричное число F17B в двоичной системе выглядит так;
1111000101111011.
Выполнение арифметических операций в компьютере
Правила выполнения арифметических операций в двоичной системе счисления аналогичны правилам операций в десятичной системе счисления.
Особенности выполнения операций над числами с плавающей запятой
Следует кратко остановиться на выполнении операции над числами с плавающей запятой (точкой). При сложении (вычитании) чисел с одинаковыми порядками их мантиссы складываются (вычитаются), а результату присваивается порядок, общий для исходных чисел. Если порядки исходных чисел разные, то сначала эти порядки выравниваются (число с меньшим порядком приводится к числу с большим порядком), затем выполняется операция сложения (вычитания) порядков. Если при выполнении операции сложения мантисс возникает переполнение, то сумма мантисс сдвигается вправо на один разряд, а порядок суммы увеличивается на 1. При умножении чисел с плавающей запятой их мантиссы перемножаются, а порядки складываются.
При делении чисел с плавающей запятой мантисса делимого делится на мантиссу делителя, а для получения порядка частного из порядка делимого вычитается порядок делителя. При этом если мантисса делимого больше мантиссы делителя, то мантисса частного окажется больше 1 (происходит переполнение) и ее следует сдвинуть на один разряд вправо, одновременно увеличив на единицу порядок частного.
Выполнение арифметических операций над числами, представленными в дополнительных кодах
При выполнении арифметических операций в компьютере обычно применяются не простые, а модифицирование коды. Модифицированный код отличается от простого использованием для изображения знака числа двух разрядов. Второй знаковый разряд служит для автоматического обнаружения ситуации переполнения разрядной сетки: при отсутствии переполнения оба знаковых разряда должны иметь одинаковые цифры (нули или единицы), а при переполнении разрядной сетки цифры в них будут разные. При переполнении результат сдвигается вправо на один разряд.
Сложение производится по обычным правилам сложения двоичных чисел: единица переноса, возникающая из старшего знакового разряда, просто отбрасывается. Примеры сложения (запятая условно отделяет знаковый разряд от самого числа):
● Х = — 1101; Y = 1001. Результат сложения: 11,0011 + 00,1001 = 11,1100
(или -0100);
● Х = 1101; У= 1001. Результат сложения: 00,1101 + 00,1001 = 01,0110 (переполнение, после сдвига вправо получим 00,10110, или +10110);
● Х = 1101; Y = — 1001. Результат сложения: 00,1101 + 11,0111 = 100,0100 (или 00,0100);
● Х= — 1101; Y= — 1001. Результат сложения: 11,0011+ 11,0111=10,1010 (переполнение, после сдвига вправо получим 11,01010, или — 10110).
Умножение чисел в дополнительных кодах осуществляется по обычным правилам умножения двоичных чисел. Единственной особенностью является то, что если сомножитель является отрицательным (знаковые разряды равны 11), то перед началом умножения следует приписать к нему слева столько единиц, сколько значащих разрядов присутствуют у другого сомножителя справа от запятой. Результат (произведение) всегда получаем в дополнительном коде.
Примеры операции умножения.
Особенности выполнения операций в обратных кодах
Обратные коды следует складывать как обычные двоичные числа, поступая со знаковыми разрядами, как с обычными разрядами, а если возникает единица переноса из знакового разряда, ее следует прибавить к младшему разряду суммы кодов. Последнее обстоятельство (возможное добавление 1 в младший разряд) увеличивает время выполнения операций в обратных кодах, поэтому в компьютере чаще используются дополнительные коды.
Выполнение арифметических операций в шестнадцатеричной системе счисления
Арифметические операции в шестнадцатеричной системе в машине не выполняются. Операции сложения и вычитания иногда приходится выполнять при программировании, например при вычислении полных адресов ячеек памяти (при сложении и вычитании адресов сегмента, базы, индекса, смещения). Правила их выполнения обычные для позиционной системы счисления.
Примеры операции сложения.
_________________________________________________________________
А58 5ВАС 67851
+ 34С + 2А45 + BEFA
= DA4 = 85F1 = 7384B
_________________________________________________________________
Особенности представления информации в ПК
Числовая информация внутри ПК кодируется в двоичной или в двоично-десятичной системах счисления; при вводе и выводе любой информации используются специальные коды представления информации — коды ASCII, эти же коды применяются для кодирования буквенной и символьной информации и внутри ПК. Для удобства работы введены следующие термины для обозначения совокупностей двоичных разрядов (см. табл. 3.2). Эти термины обычно используются в качестве единиц измерения объемов информации, хранимой или обрабатываемой в компьютере.
Последовательность нескольких битов или байтов часто называют полем данных. Биты в числе (в слове, поле и т. п.) нумеруются справа налево, начиная с 0-гo разряда. В ПК могут обрабатываться поля постоянной и переменной длины. Поля постоянной длины:
● слово — 2 байта;
● двойное слово — 4 байта;
● полуслово — 1 байт;
● расширенное слово — 8 байтов.
Числа с фиксированной запятой чаще всего имеют формат слова и полуслова; числа с плавающей запятой — формат. двойного и расширенного слова (математические сопроцессоры IBM РС могут работать с 10-байтными словами).
Поля переменной длины могут иметь любой размер от 0 до 255 байтов, но обязательно равный целому числу байтов.
ПРИМЕР
Структурно запись двоичного числа -11000001, равного десятичному -193 в разрядной сетке ПК, выглядит следующим образом (рис. 3.1, 3.2).
Двоично-кодированные десятичные числа могут быть представлены в ПК полями переменной длины в так называемых упакованном (рис. 3.3) и распакованном форматах. В упакованном формате для каждой десятичной цифры отводится по 4 двоичных разряда (полбайта), при этом знак числа кодируется в крайнем правом полубайте числа (1100 — знак «+» и 1101 — знак «-»).
Здесь и далее: Цф — цифра, Знак — знак числа. Упакованный формат используется в ПК обычно при выполнении операций сложения и вычитания двоично десятичных чисел.
В распакованном формате (рис. 3.4) для каждой десятичной цифры выделяется по целому байту, при этом старшие полубайты (зона) каждого байта (кроме самого младшего) в ПК заполняются кодом 0011 (в соответствии с ASCII-кодом), а в младших (левых) полубайтах обычным образом кодируются десятичные цифры. Старший полубайт (зона) самого младшего (правого) байта используется для кодирования знака числа.
Распакованный формат используется в ПК при вводе-выводе информации, а также при выполнении операций умножения и деления двоично-десятичных чисел. Например, число — 193= — 000110010011 в ПК будет представлено:
● в упакованном формате
__________________________________________________________________
0001 1001 0011 1101
__________________________________________________________________
● в распакованном формате
__________________________________________________________________
0011 0001 0011 1001 1101 0011
__________________________________________________________________
Код ASCII (American Standard Code for Information Interchange — американский стандартный код для обмена информацией) имеет основной стандарт и его расширение (рис. 3.5). Основной стандарт для кодирования символов использует шестнадцатеричные коды ОО — 7F, расширение стандарта — 80 — FF.
Основной стандарт является международным и применяется для кодирования управляющих символов, цифр, знаков пунктуации, букв латинского алфавита и других символов; в расширении стандарта кодируются символы псевдографики и буквы национального алфавита (естественно, в разных странах разные). Пользоваться таблицей достаточно просто. Следует приписать шестнадцатеричную цифру номера строки справа к шестнадцатеричной цифре номера столбца. Так получится шестнадцатеричный код символа.
Наряду с кодом ASCII в ВС, в частности в сети Интернет, используется общий для
всех стран мира универсальный код — Unicode. Этот код основан на паре байтов машинном слове. Шестнадцати битов хватает для отображения 65 535 знаков. Такого количества достаточно для всех существующих алфавитов (то есть алфавиты большинства стран мира размещаются в основном стандарте этого кода).
Логические основы построения вычислительной машины
Несколько слов о физических формах представления информации в компьютерах. В вычислительных машинах коды нуля и единицы представляются электрическими сигналами, имеющими два различных состояния. Наиболее распространенными способами физического представления информации являются импульсный и потенциальный:
●импульс или его отсутствие;
● высокий или низкий потенциал;
●высокий потенциал или его отсутствие.
При импульсном способе отображения код единицы идентифицируется наличием электрического импульса, код нуля — его отсутствием (впрочем, может быть и наоборот). Импульс характеризуется амплитудой и длительностью, причем длительность должна быть меньше временного такта машины.
При потенциальном способе отображения код единицы — это высокий уровень напряжения, а код нуля — отсутствие сигнала или низкий его уровень. Уровень напряжения не меняется в течение всего такта работы машины. Форма и амплитуда сигнала при этом во внимание не принимаются, а фиксируется лишь сам факт наличия или отсутствия потенциала.
Вышесказанное обусловило то, что для анализа и синтеза схем в компьютере при алгоритмизации и программировании решения задач широко используется математический аппарат алгебры логики, оперирующий также с двумя понятиями «истина» или «ложь». Ц
Алгебра логики — это раздел математической логики, значение всех элементов (функций и аргументов) которой определены в двухэлементном множестве: 0 и 1. Алгебра логики оперирует с логическими высказываниями.
Высказывание — это любое предложение, в отношении которого имеет смысл утверждение о его истинности или ложности. При этом считается, что высказывание удовлетворяет закону исключенного третьего, то есть каждое высказывание или истинно, или ложно, и не может быть одновременно и истинным и ложным.
Высказывания:
● «Сейчас идет снег» — это утверждение может быть истинным или ложным;
● «Вашингтон — столица США» — истинное утверждение;
● «Частное от деления iO на 2 равно 3» — ложное утверждение.
В алгебре логики все высказывания обозначают буквами а, b, с и т. д. Содержание высказываний учитывается только при введении их буквенных обозначений, и в дальнейшем над ними можно производить любые действия, предусмотренные данной алгеброй. Причем если над исходными элементами алгебры выполнены некоторые разрешенные в алгебре логики операции, то результаты операций также будут элементами этой алгебры.
Простейшими операциями в алгебре логики являются операции логического сложения (иначе: операция ИЛИ (OR), операция дизъюнкции) и логического умножения (иначе: операция И (AND), операция конъюнкции). Для обозначения операции логического сложения используют символы + или, а логического умножения — символы. Правила выполнения операций в алгебре логики определяются рядом аксиом, теорем и следствий. В частности, для алгебры логики применимы следующие законы.
1. Сочетательный:
(а + b) + с = а + (b + с),
(а•b) с = а (b• с).
2. Переместительный:
(a+ b) = (b+ а),
(а• b) = (b• а).
3. Распределительный:
a• (b+c) а• b+a• с,
(a+b) с=а• c+b• с.
4.Справедливы соотношения, в частности:
a+a=a, a+b =b, если а <b,
а• a=a, а b=a, если a<b
a+a• b=a а b=b, если а>b
a+b=a, если a>b,
а + b =b, если а < b.
Наименьшим элементом алгебры логики является 0, наибольшим элементом — 1.
В алгебре логики также вводится еще одна операция — отрицания (операция НЕ, инверсия), обозначаемая чертой над элементом.
По определению:
a+a=1, а a=0, 0=1, 1=0.
Справедливы, например, такие соотношения:
а =а, a+b =а b, а b =a+b.
Функция в алгебре логики — выражение, содержащее элементы алгебры логики
а, b, с и др., связанные операциями, определенными в этой алгебре. Примеры логических функций:
f(a,b,с)=a+а• с+a+с,
f(a, b, c) =a• b+b•c+a• b• c.
Согласно теоремам разложения функций на конституэнты (составляющие), любая функция может быть разложена на конституэнты 1:
f(a) =f(1) • а+f(0) •а
Эти соотношения используются для синтеза логических функций и вычисли
тельных схем.
Логический синтез вычислительных схем
Рассмотрим логический синтез (создание) вычислительных схем на примере одно разрядного двоичного сумматора (полусумматора), имеющего два входа (а и b) и два
выхода (S и Р) и выполняющего операцию сложения в соответствии с табл. 3.3....-
где/1(а, b) = S — значение цифры суммы в данном разряде;
f2(a, b) = Р — цифра переноса в следующий (старший) разряд. Согласно соотношению (4), можно записать: Логическая блок-схема устройства, реализующего полученную функцию, представлена на рис. 3.6.
На рис. 3.7 изображены логические блоки в соответствии с международным стандартом.
Выполнение логических операций в компьютере
В перечень машинных команд, которые используются при программировании, обязательно входят и некоторые логические операции. Чаще всего это операции OR (ИЛИ), AND (И), NOT (НЕ) и XOR (исключающее ИЛИ).
OR (ИЛИ) — логическое сложение
Команда выполняет поразрядную дизъюнкцию (логическое сложение — операцию «NJIM») битов двух чисел; устанавливает 1 в тех битах результата, в которых была 1 хотя бы у одного из исходных операндов.
__________________________________________________________________________
a 0 0 1 1
b 0 1 0 1
a OR b 0 1 1 1
__________________________________________________________________________
AND (И) — логическое умножение
Команда выполняет поразрядную конъюнкцию (логическое умножение — операцию «И») битов двух чисел; устанавливает 1 в тех битах результата, в которых у обоих исходных операндов были 1.
__________________________________________________________________________
a 0 0 1 1
b 0 1 0 1
a AND R b 0 1 1 1
__________________________________________________________________________
XOR (исключающее ИЛИ)
Команда выполняет операцию сложения по модулю 2 (отрицание равнозначности), устанавливает 1 в тех битах результата, в которых исходные числа отличались друг от друга.
____________________________________________________________________________
a 0 0 1 1
b 0 1 0 1
a XOR b 0 1 1 1
____________________________________________________________________________
NOT (НЕ) — операция отрицания
Команда устанавливает обратное значение битов в числе (операция инверсии).
___________________________________________________________________________
А 0 1
NOTa 1 0
___________________________________________________________________________
Часть II. Персональные компьютеры
Глава 4 Функциональная и структурная организация ПК
Поскольку массовое распространение в настоящее время получили персональные компьютеры, их функциональную и структурную организацию рассмотрим подробно.
Основные блоки ПК и их назначение
Структурная схема персонального компьютера с минимальным составом внешних устройств представлена на рис. 4.1.
Микропроцессор (МП) — центральное устройство ПК, предназначенное для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.
В состав микропроцессора входят несколько компонентов.
● Устройство управления (УУ) формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие им- пульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; 'формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки компьютера; опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов.
● Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор).
● Микропроцессорная память (МПП) предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации непосредственно используемой в ближайшие такты работы машины; МПП строится на регистрах для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора. Регистры — быстро- действующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие).
● Интерфейсная система микропроцессора предназначена для сопряжения и связи с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода
(ПВВ) и системной шиной.
Итак, интерфейс (interface) — совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.
Порты ввода-вывода (I/О ports) — элементы системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами.
● Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту микропроцессора. Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта, или просто такт работы машины. Частота. генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, поскольку каждая операция в вычислительной машине выполняется за определенное количество тактов.
Системная шина — основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя:
● кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
● кодовую шину адреса (КША), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
● кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;
● шину питания, содержащую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации.
● между микропроцессором и основной памятью;
● между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
● между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему контроллера шины, формирующую основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.
Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).
● ПЗУ (ROM — Read Only Memory) предназначено для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации; позволяет оперативно только считывать информацию, хранящуюся в нем (изменить информацию в ПЗУ нельзя);
● ОЗУ (RAM — Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.
Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энерго зависимость).
Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая память CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM), постоянно питающаяся от своего аккумулятора; в ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК (обо всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая проверяется при каждом включении системы.
Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память представлена разнообразными видами запоминающих устройств, но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются показанные на структурной схеме накопители па жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.
Назначение этих накопителей: хранение больших объемов информации, запись и выдача информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД конструктивно, объемами хранимой информации и временем ее поиска, записи и считывания. В качестве устройств внешней памяти часто используются также накопители на оптических дисках (CD ROM- Compact Disk Read Only Memory) и реже — запоминающие устройства кассетной магнитной ленте (НКМЛ, стримеры). Популярными становятся также устройства флэш памяти.
Источник питания — блок, содержащий системы автономного и сетевого энерго-
питания ПК.
Таймер — внутримашинные электронные часы реального времени, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику питания — аккумулятору, и при отключении машины от электросети продолжает работать.
Внешние устройства (ВУ) ПК — важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса, достаточно сказать, что по стоимости ВУ составляют до 80 — 85% стоимости всего ПК.
ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами.
К внешним устройствам относятся:
●внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;
● диалоговые средства пользователя;
● устройства ввода информации;
● устройства вывода информации;
● средства связи и телекоммуникаций.
Диалоговые средства пользователя включают в свой состав:
● видеомонитор (видеотерминал, дисплей) — устройство для отображения выводимой из ПК информации;
●устройства речевого ввода-вывода — быстро развивающиеся средства мультимедиа. Это различные микрофонные акустические системы, «звуковые мыши» со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и кодировать; синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.
К устройствам ввода информации относятся:
● клавиатура — устройство для ручного ввода числовой, текстовой управляющей информации в ПК;
● графические планшеты (дигитайзеры) — устройства для ручного ввода гpaфической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;
● сканеры (читающие автоматы) — оборудование для автоматического считывания с бумажных и пленочных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;
● устройства целеуказания (графические манипуляторы), предназначенные для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК (джойстик — рычаг, мышь, трекбол — шар в оправе, световое перо и т, д.);
● сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с экрана дисплея в ПК.
К устройствам вывода информации относятся: D принтеры— печатающие устройства для регистрации информации на бумажный или пленочный носитель;
l3 графопостроители (плоттеры) — устройства для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.
Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т. п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим компьютерам и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы и карты — сетевые адаптеры, «стыки», мультиплексоры передачи данных, модемы — модуляторы-демодуляторы);
В частности, показанный на рис. 4.1 сетевой адаптер относится к внешнему интерфейсу ПК и служит для подключения его к каналу связи с целью обмена информацией с другими компьютерами при работе в составе вычислительной сети. В качестве сетевого адаптера чаще всего используется модем,
Многие из названных выше устройств относятся к, условно выделенной группе средств мультимедиа.
Мультимедиа (multimedia, многосредовость) — это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и т. д. К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и устройства речевого вывода информации; микрофоны и видеокамеры, акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами; звуковые и видеоадаптеры, платы видеозахвата, снимающие изображение с видеомагнитофона или видеокамеры и вводящие его в ПК; широко распространенные уже сейчас сканеры, позволяющие автоматически вводить в компьютер печатные тексты и рисунки; наконец, внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.
Дополнительные интегральные микросхемы
К системной шине и к МП ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные интегральные микросхемы,
расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора:
● математический сопроцессор;
● контроллер прямого доступа к памяти;
● сопроцессор ввода-вывода
● контроллер прерываний и т. д.
Математический сопроцессор широко используется для ускоренного выполнения операций над двоичными числами с фиксированной и плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических функций. Математический сопроцессор имеет свою систему команд и работает параллельно (совмещенно во времени) с основным МП, но под управлением последнего. Ускорение операций происходит в десятки раз. Современные модели МП, начиная с МП 80486 DX, включают сопроцессор в свою структуру.
Контроллер прямого доступа к памяти (DMA — Direct Memory Access) обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и оперативной памятью без участия микропроцессора, что существенно повышает эффективное быстро- действие ПК. Иными словами, режим DMA позволяет освободить процессор от рутинной пересылки данных между внешними устройствами и ОП, отдав эту работу контроллеру DMA; процессор в это время может обрабатывать другие данные или другую задачу в многозадачной системе.
Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП существенно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплея, принтера, НЖМД, НГМД и т. д.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует и режим прямого доступа к памяти.
Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания. Прерывание— временный приостанови выполнения одной программы с целью оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы. Контроллер принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. Микропроцессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым. Прерывания возникают при работе компьютера постоянно, достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям. Например, в компьютерах IBM РС прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (длятся эти прерывания тысячные доли секунды и поэтому пользователь их не замечает).
Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы — стыки — подключаются внешние устройства: дополнительные блоки памяти, клавиатура, дисплей, принтер и т. д.
Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами — адаптерами внешних устройств.
На системной плате (часто ее называют материнской платой — motherboard), в свою очередь, размещаются:
● микропроцессор;
● системные микросхемы (чипсеты);
● генератор тактовых импульсов;
● модули (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;
● микросхема CMOS-памяти;
● адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД;
● контроллер прерываний;
● таймер и т. д.
Многие из них подсоединяются к материнской плате с помощью разъемов.
Функциональные характеристики ПК
Основными функциональными характеристиками ПК являются:
1. Производительность, быстродействие, тактовая частота,
2. Разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса.
3. Типы системного и локальных интерфейсов.
4. Тип и емкость оперативной памяти.
5. Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках.
6. Емкость накопителя на жестких магнитных дисках («винчестерам).
7. Наличие, виды и емкость кэш-памяти.
8. Тип видеомонитора (дисплея) и видеоадаптера.
9. Наличие и тип принтера.
10. Наличие и тип накопителя CD ROM,
11. Наличие и тип модема.
12. Наличие и виды мультимедийных аудио-видео средств.
13. Имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы.
14. Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров.
15. Возможность работы в вычислительной сети.
16. Возможность работы в многозадачном режиме.
17. Надежность. 18. Стоимость.
19. Габариты и вес.
Некоторые из приведенных функциональных характеристик нуждаются в пояснении, поэтому остановимся на них подробнее.
Производительность, быстродействие, тактовая частота
Производительность современных компьютеров измеряют обычно в миллионах операций в секунду. Единицами измерения служат:
● МИПС (MIPS — Millions Instruction Per Second) — для операций над числами, представленными в форме с фиксированной запятой (точкой);
● МФЛОПС (MFLOPC — Millions of point Operation Per Second)— для операций над числами, представленными в форме с плавающей запятой (точкой).
Реже производительность компьютеров определяют с использованием следующих единиц измерения:
● КФЛОПС (kFLOPS — KiloFLOPS) для низко производительных компьютеров — тысяча неких усредненных операций над числами;
● ГФЛОПС (GFLOPS — GigaFLQPS) — миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой.
Оценка производительности компьютеров всегда приблизительна, ибо ориентируется на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. В 70-е годы были разработаны усредненные наборы операций (смеси Гибсона) для разных типов задач: экономических, технических, математических и т. д., в которые разные команды входили в определенном процентном отношении. По смесям Гибсона можно определять среднее быстродействие компьютера для этих типов задач.
Существуют и более новые тесты: тестовые наборы фирм- изготовителей для определения быстродействия своих изделий — показатель iCOMP — Intel Comparative Microprocessor Performance (1992 год) для микропроцессоров фирмы Intel (iCOMP2.0 — тест 1996 года), ориентированный на 32-битовые ОС и мультимедийные технологии специализированные тесты для конкретных областей применения компьютеров — Winstone 97-Business для офисной группы задач, варианты тестов WinBench 97 для других видов задач. Для компьютеров, выполняющих самые разные задания, эти оценки будут весьма неточными. Поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.
Например, при отсутствии конвейерного выполнения команд и увеличения внутренней частоты у микропроцессора тактовый генератор с частотой i00 МГц обеспечивает выполнение 20 млн. коротких машинных операций (простые сложение и вычитание, пересылка информации и т. д.) в секунду; с частотой 1000 МГц— 200 млн. коротких операций в секунду.
Разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса
Разрядность — это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.
Разрядность МП определяется иногда по разрядности его регистров и кодовой шины данных, а иногда по разрядности кодовых шин адреса. Одинаковая разрядность этих шин только у МП типа VLIW (64-битовая intel-архитектура — IA).
Типы системного и локальных интерфейсов
Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.
Емкость оперативной памяти измеряется обычно в мегабайтах. Напоминаем, что
1 Мбайт = 1024 Кбайт = 1024 байтов.
Многие современные прикладные программы с оперативной памятью, имеющей емкость меньше 16 Мбайт, просто не работают, либо работают, но очень медленно. Следует иметь в виду, что увеличение емкости основной памяти в 2 раза, помимо всего прочего, увеличивает эффективную производительность компьютера при решении сложных задач (когда ощущается дефицит памяти) примерно в 1,41 раза (закон корня квадратного).
Емкость накопителя на жестких магнитных дисках
Емкость НЖМД измеряется обычно в гигабайтах, 1 Гбайт = 1024 Мбайт. Объем дисковой памяти 10 Гбайт сегодня еще приемлем, но, по прогнозам специалистов, новые программные продукты будут требовать несколько гигабайтов внешней памяти.
Тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках
Сейчас применяются накопители на гибких магнитных дисках с форм-фактором 3,5 дюйма, имеющие стандартную емкость 1,44 Мбайт (накопители для гибких дисков 5,25 дюйма емкостью 1,2 Мбайт в современные ПК уже не устанавливаются).
Наличие, виды и емкость кэш-памяти
Кэш-память — это буферная, недоступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая кэш-память внутри микропроцессора (кэш-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (кэш-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется кэш-память на ячейках электронной памяти.
Следует иметь в виду, что наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20%.
Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров
Аппаратная и программная совместимость с другими типами компьютеров означает возможность использования на компьютере, соответственно, тех же технических элементов и программного обеспечения, что и на других типах машин.
Возможность работы в многозадачном режиме
Многозадачный режим позволяет выполнять вычисления одновременно по нескольким программам (многопрограммный режим) или для нескольких пользователей (многопользовательский режим). Совмещение во времени работы нескольких устройств машины, возможное в таком режиме, позволяет существенно увеличить эффективное быстродействие компьютера.
Надежность — это способность системы выполнять полностью и правильно все заданные ей функции (см. часть VI).
Трудно себе представить руководителя фирмы, менеджера, бизнесмена, научного работника, журналиста, которому не приходилось бы работать вне офиса дома или во время всевозможных поездок.
А поскольку эффективная работа без компьютера сегодня уже невозможна, все названные специалисты широко используют портативные компьютеры, наиболее приспособленные для работы в подобных условиях. По своим возможностям портативные компьютеры ничем не уступают обычным настольным системам, а по ряду параметров и превосходят их.
При работе в офисе или дома можно перейти на обычную клавиатуру и видеомонитор, портативный компьютер может подключаться к настольному компьютеру в качестве терминала, большинство моделей позволяют подключаться к вычислительной сети, а некоторые из них могут подключаться к сети, в том числе и к сети Интернет, даже дистанционно по радиоканалу, обеспечивая своему владельцу полную свободу передвижения.
Портативные ПК — быстро развивающийся подкласс персональных компьютеров. По прогнозу специалистов, в 2005 году более 80% пользователей будут работать именно с портативными машинами.
Большинство портативных компьютеров имеют автономное питание от малогабаритных аккумуляторов, но могут они питаться и от электрической сети. При питании от аккумулятора для продления срока автономной работы во всех портативных компьютерах предусматриваются переключение в режимы уменьшенного энергопотребления, например Standby и Sleep. Кроме того, все они поддерживают спецификацию Advanced Power Management (APM), в которой сформулированы требования к аппаратным и программным средствам управления потребляемой мощностью. В режиме Standy отключаются устройства с наибольшим энергопотреблением (винчестер, лампы подсветки дисплея и т. д.), режим Sleep обеспечивает еще большую экономию энергопотребления: снижается до минимума тактовая частота микропроцессора, многие системные параметры записываются в энергонезависимую память. Указанные меры приводят к тому, что иногда одного заряда аккумулятора хватает на 10 и более часов автономной работы портативного компьютера.
В качестве видеомониторов в портативных моделях применяются плоские
кокристаллические дисплеи, реже люминесцентные или газоразрядные. Наращивание аппаратных средств у большинства портативных компьютеров выполняется подключением плат специальной конструкции, так называемых PCMCIA-карт (спецификация Personal Computer Memory Card International Association, первоначально ориентированная лишь на платы памяти). Почти все PCMCIA-карты (они обычно называются короче — PC-карты, или PC Card) поддерживают технологию Plug and Play (включай и играй), при установке дополнительной платы не требующую выключения ПК или какой-либо его дополнительной настройки.
Для PC-карт определены три типа габаритных размеров (форм-факторов): Туре, Туре 2 и Туре 3.
Два первых типоразмера определяют платы шириной 54 мм и длиной 85,5 толщина 1-го типа — 3,3 мм, а 2-го — 5 мм в средней части и 3,3 мм по краям. PC-карты 3 - гo типа более толстые — 10 мм, и поэтому в разъемы, предназначенные для первых двух типов карт, не устанавливаются.
PC-карты выполняют функции модемов, факс-модемов, сетевых и интерфейсных адаптеров, контроллеров сотовой и пейджинговой связи, статической, динамической и флэш-памяти, жестких дисков, звуковых карт и т. д.
Наряду с платами ОЗУ, в портативных компьютерах более интенсивно, чем в настольных, применяются платы ПЗУ и флэш-памяти, последние у миниатюрных ПК часто используются вместо дисковой памяти.
Клавиатура чаще всего чуть укороченная: 84 — 86 клавиш (вместо 101 у настольных ПК), но может иметься разъем для подключения и полной клавиатуры; у некоторых моделей клавиатура раскладная. У миниатюрных компьютеров клавиатура бывает так мала, что для нажатия клавиш применяется специальная указочка. В качестве манипулятора графической информации (устройства целеуказания) обычно используется не мышь, а трекбол, трекпойнт или трекпад.
Трекбол (trackball) — пластмассовый шар диаметром 15-20 мм, вращающийся в любом направлении (напоминающий стационарно укрепленную перевернутую мышь). Трекболы бывают встроенные и внешние. Встроенные могут располагаться на блоке клавиатуры или на лицевой поверхности дисплея рядом с экраном. Внешние трекболы крепятся клипсой, подключаются к компьютеру кабелем или по инфракрасному беспроводному каналу.
Трекпойнт (trackpoint) — специальная гибкая клавиша на клавиатуре типа ластика, прогиб которой в нужном направлении перемещает курсор на экране дисплея.
Трекпад (trackpad или touchpad) — небольшой планшет, размещенный на блоке клавиатуры и содержащий под тонкой пленкой сеть проводников, воспринимающих при легком нажиме направление перемещения нажимающего объекта, например, пальца. Принятый сигнал используется для управления курсором.
Применяются в портативных компьютерах и сенсорные экраны, в которых прикосновение к их поверхности обусловливает перемещение курсора в место прикосновения или выбор процедуры по меню, выведенному на экран.
Переносные компьютеры весьма разнообразны: от громоздких и тяжелых (до 15 кг) портативных рабочих станций до миниатюрных электронных записных книжек весом около 100 г. Рассмотрим кратко некоторые типы переносных ПК.
Портативные рабочие станции — наиболее мощные и крупные переносные ПК. Они оформляются часто в виде чемодана и носят жаргонное название Nomadic— «Кочевники Их характеристики аналогичны характеристикам стационарных ПК— рабочих станций: мощные микропроцессоры, часто типа RISC, с тактовой частотой до 1500 МГц, оперативная память емкостью до 512 Мбайт, 10 — 40-гигабайтовые дисковые накопители, быстродействующие интерфейсы и мощные видеоадаптеры с видеопамятью до 4 Мбайт.
По существу, это обычные рабочие станции, питающиеся от сети, но конструктивно оформленные в корпусе, удобном для переноса, и имеющие, как и все переносные ПК, плоский жидкокристаллический видеомонитор класса не выше VGA. Nomadic обычно оснащены модемом и могут оперативно подключаться к каналам связи для работы в вычислительной сети.
Этот тип портативных компьютеров может эффективно использоваться для выездных презентаций, особенно при наличии средств мультимедиа, но может с успехом применяться и в стационарном варианте, позволяя экономить место на рабочем столе. В последние годы уступают свое место ноутбукам.
Портативные компьютеры типа «Laptop», что означает «наколенные», оформляются в виде небольших чемоданчиков размером с «дипломат», их вес обычно в пределах 5 — 10 кг. Аппаратное и программное обеспечение позволяет им успешно конкурировать с лучшими стационарными ПК. В современных моделях Laptop часто используются микропроцессоры Pentium (с тактовой частотой более 1000 МГц); оперативная память до 128 Мбайт; накопитель на жестком диске емкостью до 20 Гбайт, часто съемный; возможно использование CD-ROM и другого мультимедийного обеспечения.
Laptop в последние годы уступают свое место ноутбукам.
Это быстро развивающийся подкласс портативных компьютеров. Компьютеры- блокноты: ноутбуки — Notebook и уменьшенный вариант — Subnotebook (их называют также Omni Book — «вездесущие») выполняют все функции настольных ПК, в них могут использоваться те же самые операционные системы. Конструктивно они оформлены в виде миниатюрного чемоданчика (иногда со съемной крышкой) размером с небольшую книгу (стандартный размер формата А4 при толщине 2 — 5 см), весом от 2,5 до 3,5 кг. По своим характеристикам во многом совпадают с Laptop, отличаясь от них лишь размерами. Вместо жесткого диска некоторые модели, особенно подкласса Subnotebook, имеют энергонезависимую флэш-память емкостью 10 — 64 Мбайт.
Многие модели компьютеров-блокнотов имеют модемы для подключения к каналу связи и, соответственно, к вычислительной сети. Некоторые из них для дистанционного беспроводного обмена информацией с другими компьютерами оборудованы радиомодемами и оптоэлектронными инфракрасными портами. Последние обеспечивают межкомпьютерную связь на расстоянии нескольких десятков метров и в пределах прямой видимости. Возможность связи индицируется появлением на экране компьютера специальной пиктограммы.
Ноутбуки имеют жидкокристаллические монохромные и цветные дисплеи небольшого размера. Клавиатура всегда укороченная, манипуляторы типа трекпойнт и трэкпад. Наращивание ресурсов выполняется картами PCMCIA. Питание ноутбука осуществляется от портативных аккумуляторов, обеспечивающих автономную работу в течение 3 — 4-х часов (а в случае использования ионно-литиевых аккумуляторов — и до 12 часов). Лидерами среди ноутбуков, по-видимому, являются модели IBM ThinkPad, определяющие стандарт среди этого подкласса ПК. Но имеются выдающиеся представители Notebook и у многих других фирм. Еще несколько лет назад ноутбуки обычно подразделялись на три основных разновидности [11]:
И компьютеры-блокноты начального уровня; И высокопроизводительные мобильные рабочие станции; И многослойные ноутбуки.
Компьютеры-блокноты начального уровня были самым распространенным классическим вариантом этого подкласса портативных компьютеров. Ноутбуки данной категории выпускались практически всеми основными компьютерными фирмами: IBM, Toshiba, HP, Compaq, NEC, Acer и т. д.
Высокопроизводительные мобильные рабочие станции призваны были заменить стационарные настольные компьютеры, сравнявшись с ними как по производительности, так и по возможностям расширения. Для этих компьютеров характерно и наличие высокоскоростного инфракрасного порта, встроенного факс-модема и мощной интерфейсной шины.
Многослойные компьютеры-блокноты (MultiLayer Notebook — MLN) при тех же самых весе и габаритах обеспечивали большие производительность и функциональную полноту, нежели ноутбуки первых двух типов.
Первый представитель этой группы — Notebook 7 фирмы Twinhead, являющийся дальнейшим развитием лучшей модели прошлых лет ThinkPad 560, состоит из двух слоев:
● основного, представляющего собой полнофункциональный ноутбук на базе МП Mobile Pentium 133, с ОЗУ емкостью 1 Мбайт, винчестером емкостью 1,3 Гбайт и дисплеем с диагональю 11,3 дюйма;
● дополнительного, содержащего CD-ROM, шинный интерфейс PCI, аудиоусилитель и аудиоколонки.
Важная особенность Notebook 7 — возможность его гибкого конфигурирования по желанию пользователя. Полный вес этого компьютера около 3 кг. Перспективность такой конструкции побудила и другие фирмы (Compaq, АСЕ Technologies, Fujitsu) выпустить аналогичные модели: Compaq Armada 4100, Acer/TI Trave- Mate 900, Solo Slim, Fujitsu LifeBook 600 и т. д.
В настоящее время большинство выпускаемых ноутбуков имеют параметры, превосходящие характеристики многослойных компьютеров. Поэтому данная классификация уже устарела, хотя еще и применяется.
Сейчас чаще блокнотные компьютеры подразделяются на классы в соответствии с используемыми в них микропроцессорами:
● ноутбуки класса Pentium имеют тактовую частоту до 266 МГц, оперативную память 16 — 64 Мбайт, жесткий диск 1 — 4 Гбайт, остальные возможности на уровне настольных ПК;
● ноутбуки класса Intel Celeron имеют тактовую частоту 500 — 700 МГц, оперативную память 64 — 128 Мбайт, жесткий диск 5 — 10 Гбайт, остальные возможности на уровне настольных ПК;
● ноутбуки класса Pentium II имеют тактовую частоту 266 — 400 МГц, оперативную память 64 — 256 Мбайт, жесткий диск 5 — 20 Гбайт, остальные возможности на уровне настольных ПК;
● ноутбуки класса Pentium Ш имеют тактовую частоту 500 — 1000 МГц, оперативную память 64 — 256 Мбайт, жесткий диск 10 — 30 Гбайт, остальные возможности на уровне настольных ПК;
● ноутбуки класса Pentium 4 имеют тактовую частоту свыше 1ГГц, оперативную память до 512 Мбайт, жесткий диск 60 Гбайт, остальные возможности на уровне настольных ПК.
По существу, если у вас под рукой ноутбук, вы всегда — и на своем рабочем месте, и дома, и в дороге — оснащены современным офисным компьютером, что для бизнесмена является уже не роскошью, а необходимостью.
Карманные компьютеры (КПК — карманные ПК, Palmtop, что значит «наладонные) — самый бурно развивающийся класс портативных компьютеров. В них используются свои операционные системы, отличные от ОС настольных компьютеров. Эти компьютеры имеют массу около 300 г; типичные размеры в сложенном состоянии 150 х 80 х 25 мм. Они выгодно отличаются от ноутбуков, которые при всей своей компактности и больших функциональных возможностях все-таки требуют для транспортировки специальной сумки; КПК имеют и большую автономность работы. Карманные компьютеры — полноправные персональные компьютеры, имеющие микропроцессор, оперативную и постоянную память, монохромный или цветной жидкокристаллический дисплей, портативную клавиатуру; порт-разъем (часто беспроводной инфракрасный) для подключения с целью обмена информацией к стационарному ПК и другим внешним устройствам. Первый КПК Pilot был создан в 1992 году в компании U.S. Robotics. Возможности уже первого КПК впечатляли:
● размеры 12 х 8 х 1,8 см, а вес 180 г;
● процессор Motorola Dragon Ball 68328 с работающей на нем 32-разрядной операционной системой PalmOS, сенсорный графический экран;
● возможность рукописного ввода данных и возможность обмена данными с настольным компьютером.
Важные характеристики современных карманных компьютеров:
● поддержка обмена данными с настольными компьютерами;
● возможность ввода текста и хранения его в памяти;
● работа с электронными таблицами для всевозможных расчетов;
● возможность подключения принтера для распечатки документов;
● возможность отправлять и принимать факсы;
● работа с электронной почтой и сетью Интернет;
● наличие яркого, хорошо читаемого экрана, часто с подсветкой;
● возможность долговременной работы в автономном режиме;
● работа с аудиосистемами;
● способность распознавать почерк человека и переводить его в печатные буквы. КПК можно классифицировать по нескольким признакам.
По способу ввода информации их можно разделить на бесклавиатурных и клавиатурных
е. В бесклавиатурных устройствах ввод информации осуществляется с помощью специального пера (Stylus), хранящегося в корпусе КПК. Пользователь оперирует им с пиктограммами и определенными зонами на сенсорном экране. Ввод символов (букв, цифр и т. д.) осуществляется либо при помощи вызова на экран специальной виртуальной клавиатуры, либо с помощью системы распознавания рукописного ввода. В последнем случае в фиксированной зоне экрана вызываются по определенным правилам специальные графические символы, так называемые Graffiti. Возможен и ввод данных из персонального компьютера в КПК. Клавиатурные компьютеры имеют миниатюрную клавиатуру для ввода информации и управления КПК, примерно соответствующую по своим возможностям стандартной клавиатуре обычных настольных ПК. На этих компьютерах также возможна работа с помощью пера через сенсорный экран.
По используемым операционными системам карманные компьютеры можно разделить на три группы: в качестве операционных систем используются Palm OS, БРОС и Windows СЕ. Наряду со стандартным программным обеспечением, позволяющим работать в привычной среде (для Windows СЕ, например, существуют упрощенные версии Excel, Word, Internet Explorer и т. д.), КПК комплектуются и стандартным деловым набором, характерным для PI3A — электронных секретарей, органайзеров, электронных записных книжек и переводчиков. В частности, поэтому КПК вытесняют постепенно указанные виды портативных компьютеров.
Вся информация, хранимая в КПК, при необходимости передается в настольные ПК или в другой КПК. Передача осуществляется при помощи прямого кабельного соединения либо посредством инфракрасных портов. Обычно возможна работа и с Интернетом, электронной почтой, в частности через систему сотовой телефонной связи (КПК агрегируется с сотовым телефоном через приобретаемый для последнего инфракрасный порт, что позволяет пользоваться всеми ресурсами Интернета, конечно, если вы находитесь в зоне, обслуживаемой вашим опера- тором сотовой связи). Многие модели КПК способны увеличить свои функциональные возможности за счет использования слотов расширения и подключения внешних периферийных устройств через порты.
Рассмотрим наиболее интересные периферийные устройства КПК. Принтер Citizen PN-60i. Это сверхминиатюрное устройство способно поместиться если не в кармане пиджака, то в кармане куртки или пальто точно. Для принтеров это, безусловно, является достижением. Минимальные размеры и вес в 500 г (без батарей) послужили поводом занесения его в Книгу рекордов Гиннеса. В данной модели используется термодиффузионная технология печати. Возможность установки черного или цветного картриджа расширяет диапазон применения принтера. Внешне он очень похож на миниатюрную аудиокассету, используемую в автоответчиках или диктофонах. Качество документов достигается высоким разрешением печати — 360 dpi. Помимо обычной бумаги, для печати можно использовать пленки и слайды. Автономность принтера обеспечивается альтернативной работой от аккумуляторных батарей или даже от прикуривателя в автомобиле. Принтер может работать как с IBM РС-совместимыми компьютерами, так и с компьютерами фирмы Apple. Специальные кабели позволяют подключить его к КПК фирм Apple, НР- Psion. Беспроводную связь на расстоянии до 1 м от компьютера обеспечивает встроенный в принтер инфракрасный порт, соответствующий стандарту IrDA.
Планшетный цветной сканер RELISYS GeniScan формата А4, весящий всего 600 г. Сканер оборудован интерфейсом USB, через который осуществляется и его питание. Отпадает необходимость в дополнительном источнике питания. Верхняя крышка может быть снята, что создаст удобство в работе с документами разной толщины. Управление представлено единственной клавишей Scan.
Переводчик Quicktionary фирмы Wizcom Technologies. Внешне он напоминает толстый плоский карандаш с небольшим жидкокристаллическим дисплеем. Для управления переводчиком используются семь миниатюрных клавиш. На конце прибора находится электронный «глаз», смонтированный над двумя роликами. В процессе работы «глаз» провозится над строкой текста. Специальная полукруглая рамка перед роликами с черной риской посередине помогает выдерживать сканирование точно по строке.
Пейджер SwissPhone SlyFox для КПК Palm II и III. Установка внешнего пейджерного модуля дает возможность использовать КПК в качестве многостраничного пейджера. Конструктивно он выполнен в корпусе Palm-модема. Пейджер способен работать и автономно, не будучи подключенным к КПК.
Карманные компьютеры выпускаются большим числом фирм: Casio, Psion, Compaq, Hewlett — Packard, Sony, NEC, Philips, LG Electronics и т. д.
Электронные секретари (PDA — Personal Digital Assistance, иногда их называют Hand Help — ручной помощник) имеют формат карманного компьютера (массой не более 0,5 кг), широкие функциональные возможности. В частности, они снабжены аппаратным и встроенным программным обеспечением, ориентированным на организацию электронных справочников, хранящих имена, адреса и номера телефонов, информацию о распорядке дня и встречах, списки текущих дел, записи расходов и т. п.; имеют встроенные текстовые, а иногда и графические редакторы, электронные таблицы.
Большинство PDA оснащены модемами и могут обмениваться информацией с другими ПК, а при подключении к вычислительной сети могут получать и отправлять электронную почту и факсы. Некоторые из них имеют даже автоматические номеронабиратели. Новейшие модели PDA с целью дистанционного беспроводного обмена информацией с другими компьютерами оборудованы радиомодемами и инфракрасными портами.
Ручной ввод информации возможен с клавиатуры (клавиатура QWERTY у моделей НР 100LX, Casio Boss, Psion Series), у некоторых моделей (Newton Message Pad — родоначальник класса PDA, Рупа Pad, Versa Pad и т. д.) имеется «перьевой» ввод: сенсорный экран, указка (перо) и экранная эмуляция клавиатуры (указкой можно «нажимать» клавиши на экране), а у других (Sharp Wizard) предусмотрен гибридный ввод: с клавиатуры, а для выбора пунктов меню и некоторых рукописных записей — перьевой ввод.
Электронные секретари обычно имеют небольшой жидкокристаллический дисплей (иногда размещенный в съемной крышке компьютера) и возможность наращивания ресурсов по спецификации PCMCIA.
Современные PDA вполне способны конкурировать с младшими моделями ноутбуков, существенно превосходя их по таким параметрам, как портативность, цена, удобство работы в пути, встроенные возможности поддержки самых современных телекоммуникационных технологий (сотовая телефония, пейджинговая связь, инфракрасная и радиосвязь). Еще недавно многие специалисты считали, что на смену эры ноутбуков уже пришла эра PDA. Все фирмы: Apple, Casio, Compaq, HP, IBM, Lacky, LG Electronics, Motorola, NEC, Sony, Sharp, Toshiba и т. д. выпустили свои PDA. Но инициативу перехватили КПК, в современное программное обеспечение которых входят программы, практически полностью обеспечивающие выполнение всех функций PDA. Поэтому в настоящее время класс PDA поглощен карманными ПК. Характеристики некоторых КПК приведены в табл. 4.1.
В 2002 — 2003 годах получили распространение планшетные компьютеры, имеющие большой экран и позволяющие вводить информацию либо с помощью специальной указочки — электронного пера, либо с помощью клавиатуры.
Компьютеры с перьевым вводом часто называют Tablet PC. Они имеют габариты тома книги и позволяют вводить и редактировать информацию (тексты и рисунки), изображая ее на экране, как на обычном листе бумаге. При необходимости можно через интерфейс USB подключить к ним и клавиатуру. Tablet PC имеют достаточно емкую память; для них ожидается появление голосового ввода и беспроводного доступа в Интернет.
Функциональные характеристики Tablet PC соответствуют характеристикам хороших ноутбуков. Например, компания Matsushita Electric выпускает модели Toughbook 73 на форм-факторе А4 и Toughbook 18 на форм-факторе В4. Соответственно, они имеют: 13,3- и 10,4-дюймовые жидкокристаллические (LCD) дисплеи с разрешением 1024 х 768 пикселов, процессоры Pentium М 1300 и 900 МГц, чипсеты i855PM и i855GM, 256 Мбайт DDR SDRAM памяти, 30 и 40-гигабайтовые жесткие диски, комбинированный привод (комбо-драйва) для DVD и CD-RW, беспроводные интерфейсы. Габариты моделей: 297 х 254 х 42,5 мм и 271 х 216 х 48 мм, вес — менее 2 кг. Планшетный ноутбук Acer TravelMate С110 на платформе Intel Centrino включает в себя 10,4-дюймовый LCD-дисплей, 256 Мбайт DDR ЯКАМ памяти, 60-гигабайтовый жесткий диск, интерфейсы USB2.0, IEEE 1394, адаптеры 802.11Ь (радиоканал) и Bluetooth, DVD-R или CD-RW-приводы, модем V.92. Планшетный ПК оснащен операционной системой MS Windows ХР Tablet РС Edition, вес его — 1,2 кг.
В ряде стран выпускаются и более дешевые планшетные компьютеры (350 — 100) с вводом информации только с помощью клавиатуры. Они получили название «райтеров» (writer — писатель). «Райтер» представляет собой компьютер с жидкокристаллическим дисплеем и обычной (немалогабаритной) клавиатурой. Райтер имеет единственную встроенную программу текстового редактора (Word). В память райтера можно поместить текст до 10 авторских листов (солидная книга). Есть возможность обмениваться информацией через гибкий диск, поддерживаются проводная связь с персональным компьютером и электронная почта. «Райтеры» сейчас очень популярны среди журналистов и писателей, студентов.
Электронные записные книжки (Organizer — органайзеры) относятся к «легчайшей категории» портативных компьютеров (к этой категории, кроме них, относятся калькуляторы, электронные переводчики и т. д.); вес их не превышает 200 г. Органайзеры пользователем не программируются, но имеют память емкостью от 2 до 256 Кбайт, в которую можно записать необходимую информацию и отредактировать ее (имеется встроенный текстовый редактор); в памяти можно хранить телефонную и адресную книги, деловые письма, тексты соглашений, контрактов, распорядок дня и деловых встреч. В органайзерах имеется внутренний таймер и возможность звукового напоминания о деле в заданное время. Есть защита информации от несанкционированного доступа, обычно по паролю.
У органайзеров есть разъем для подключения к компьютеру, небольшой монохромный жидкокристаллический дисплей. Благодаря низкому потреблению мощности питание от аккумулятора обеспечивает без подзарядки хранение информации до 5 лет. К сожалению, большинство органайзеров не русифицированы, а программную русификацию сделать невозможно. Сравнительные характеристики переносных компьютеров приведены в табл. 4.2.
Таким образом, можно говорить о следующей иерархии использования компьютеров. Настольные персональные компьютеры с наибольшими возможностями предназначены для комфортной работы в стационарных условиях. Ноутбуки, немного уступающие по функциональности «старшим братьям», как нельзя кстати в тех случаях, если работа требует частых перемещений и достаточных компьютерных мощностей. Наконец, карманные персональные компьютеры являются идеальным решением, если необходимо всегда иметь их под рукой и не требуется решения сложных задач.
Глава 5. Микропроцессоры и системные платы
Наиболее важными компонентами любого компьютера, обуславливающими его основные характеристики, являются микропроцессоры, системные платы и интерфейсы.
Микропроцессор (МП), или Central Processing Unit (CPU) — функционально-законченное программно управляемое устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) или сверхбольших (СБИС) интегральных схем.
Микропроцессор выполняет следующие функции: О вычисление адресов команд и операндов;
● выборку и дешифрацию команд из основной памяти (ОП);
● выборку данных из ОП, регистров МПП и регистров адаптеров внешних устройств (ВУ);
● прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание ВУ;
● обработку данных и их запись в ОП, регистры МПП и регистры адаптеров ВУ; CI выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК;
● переход к следующей команде.
● основными параметрами микропроцессоров являются:
● разрядность;
● рабочая тактовая частота;
● размер кэш-памяти;
● состав инструкций;
● конструктив;
● рабочее напряжение и т. д.
Разрядность шиньс данных микропроцессора определяет количество разрядов, над которыми одновременно могут выполняться операции; разрядность шины адреса МП определяет его адресное пространство.
Адресное пространство — это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.
Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстродействие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает (может работать) МП.
Кэш-память, устанавливаемая на плате МП, имеет два уровня:
● L1 — память 1-ro уровня, находящаяся внутри основной микросхемы (ядра) МП и работающая всегда на полной частоте МП (впервые кэш L1 был введен в МП i486 и у МП i386SLC);
● L2 — память 2-го уровня, кристалл, размещаемый на плате МП и связанный с ядром внутренней микропроцессорной шиной (впервые введен в МП Pentium II). Память L2 может работать на полной или половинной частоте МП. Эффективность этой кэш-памяти зависит и от пропускной способности микропроцессорной шины.
Состав инструкций — перечень, вид и тип команд, автоматически исполняемых МП. От типа команд зависит классификационная группа МП (CISC, RISC, VLIW и т. д.). Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над которыми применимы эти процедуры. Дополнительные инструкции в небольших количествах вводились во многих MII (286, 486, Pentium Pro и т. д.). Но существенное изменение состава инструкций произошло в МП i386 (этот состав далее. принят за базовый), Pentium ММХ, Pentium Ш, Pentium 4.
Конструктив подразумевает те физические разъемные соединения, в которые устанавливается МП, и которые определяют пригодность материнской платы для установки МП. Разные разъемы имеют разную конструкцию (Slot — щелевой разъем, Socket — разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются различные сигналы и рабочие напряжения.
Рабочее(ие) напряжение(ия) также является фактором пригодности материнской платы для установки МП.
Первый микропроцессор был выпущен в 1971 году фирмой Intel (США) — ' МП 4004. В настоящее время разными фирмами выпускается много десятков различных микропроцессоров, но наиболее популярным и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и Intel-подобные.
Все микропроцессоры можно разделить на группы:
● CISC (Complex Instruction Set Command) с полным набором системы команд;
● RISC (Reduced Instruction Set Command) с усеченным набором системы команд;
● VLIW (Чегу Length Instruction Word) со сверхбольшим командным словом;
● MISC (Minimum Instruction Set Command) с минимальным набором системы
команд и весьма высоким быстродействием и т. д.
Большинство современных ПК типа IBM PC используют МП типа CISC, выпускаемые многими фирмами: Intel, AMD, Cyrix, IBM и т. д. Законодателем «мод» здесь выступает Intel, но ей «на пятки» наступает AMD, в последние годы создавшая МП по некоторым параметрам лучше «интеловских». Все же пока МП фирмы Intel имеют большее распространение; характеристики некоторых из них приведены в табл. 5.1.
Условные обозначения в столбце «Состав команд»: «ММХ +» означает, что имеется несколько дополнительных 32-битовых инструкций группы SSE (Streaming SIMD Extention). В столбце кэш символ F у кэш-памяти уровня L2 означает, что память работает на частоте процессора; обозначение F/2 — на половинной частоте процессора.
Следует знать, что:
● у микропроцессоров 80386, 80486 есть модификации с буквами SX, DX, SL и т. д.,
● отличающиеся от базовой модели разрядностью шины, тактовой частотой, надежностью, габаритами, потреблением энергии, амплитудой напряжения и другими параметрами;
● микропроцессоры Pentium, Pentium П, Pentium Ш имеют много различных модификаций, некоторые из них будут названы далее;
● число элементов — это количество элементарных полупроводниковых переходов, размещенное в интегральной схеме МП. Технология обычно характеризуется размером элемента в микронах (микронная технология).
Следует также знать, что:
● микропроцессоры 80486DX и выше имеют встроенный математический сопроцессор, могут работать с умножением внутренней частоты. С увеличенной частотой работают только внутренние схемы МП, все внешние по отношению к МП схемы, в том числе расположенные и на системной плате, работают с обычной частотой;
● у МП 80286 и выше конвейерное выполнение команд. В МП 286 предусмотрены регистры для очереди команд общим размером 6 байтов, в МП 486— 16 байтов и т. д. Конвейерное выполнение команд — это одновременное выполнение разных тактов последовательных команд в разных частях МП при непосредственной передаче результатов из одной части МП в другую. Конвейерное выполнение команд увеличивает эффективное быстродействие ПК в 2 — 5 раз;
●у МП 80286 и выше есть возможность работы в вычислительной сети;
● у МП 80286 и выше имеется возможность многозадачной работы (многопрограммность) и сопутствующая ей защита памяти. Современные микропроцессоры имеют два режима работы.
● реальный (однозадачный, Real Address Mode), в котором возможно выполнение только одной программы и непосредственно адресоваться могут только 1024 + 64 Кбайт основной памяти компьютера, а остальная память (расширенная) доступна лишь при подключении специальных драйверов, поддерживается операционной системой DOS;
● защищенный (многозадачный, Protected Virtual Address Mode), обеспечивающий выполнение сразу нескольких программ, непосредственную адресацию и прямой доступ (без дополнительных драйверов) к расширенной основной памяти.
Предоставляется непосредственный доступ к памяти емкостью 16 Мбайт для МП 286; 4 Гбайт для процессоров 386, 486, Celeron; 100 Гбайт для МП Pentium Xeon и 64 Гбайт для остальных процессоров Pentium, а при страничной организации памяти — к 16 Мбайт виртуальной памяти для каждой задачи. В этом режиме осуществляется автоматическое распределение памяти между выполняемыми программами и соответствующая ее защита от обращений со стороны чужих программ. Защищенный режим поддерживается операционными системами Windows, OS/2, UNIX и т. д.
● в МП 80386 и выше встроена поддержка системы виртуальных машин. Система виртуальных машин является дальнейшим развитием режима многозадачной работы, при котором каждая задача может выполняться под управлением своей операционной системы, то есть практически в одном МП моделируется как бы несколько компьютеров, работающих параллельно и имеющих разные операционные системы;
● у МП 80486 и выше имеется поддержка кэш-памяти 2-х уровней (L1 и L2); О у МП 80486 и выше имеются RISC-элементы, позволяющие выполнять короткие операции за 1 такт.
Микропроцессоры Pentium
Микропроцессоры 80586 (P5) более известны по их товарной марке Pentium, которая запатентована фирмой Intel (МП 80586 других фирм имеют иные обозначения: К5 у фирмы AMD, М1 у фирмы Cyrix и т. д.). Эти микропроцессоры имеют пятиступенную конвейерную структуру, обеспечивающую многократное совмещение тактов выполнения последовательных команд (возможно независимое выполнение сразу двух простых команд), и кэш-буфер для команд условной передачи управления, позволяющий предсказывать направление ветвления программ; по эффективному быстродействию они приближаются к RISC МП, выполняющим каждую команду как бы за один такт. Процессоры Pentium имеют 32-разрядную адресную шину и 64-разрядную шину данных. Обмен данными с системой может выполняться со скоростью 1 Гбайт/с.
У всех МП Pentium имеется встроенная кэш-память, отдельно для команд, отдельно для данных по 8 — 16 Кбайт, и встроенный контроллер кэш-памяти 2-го уровня (что обеспечивает работу последней на внутренней частоте МП); имеются специализированные конвейерные аппаратные блоки сложения, умножения и деления, существенно ускоряющие выполнение операций с плавающей запятой. Удачные архитектурные решения МП Pentium обусловили то, что производительности микропроцессоров 486DX4-120 и Pentium-60 приблизительно одинаковы (то есть за счет архитектуры производительность увеличилась в два раза).
Микропроцессоры Pentium Pro
В сентябре 1995 года прошли презентацию и выпущены МП шестого поколения 80686 (P6), торговая марка Pentium Pro. Микропроцессор состоит из двух кристаллов: собственно МП и кэш-памяти. Но он не полностью совместим с просто Pentium и, в частности, требует специальную системную плату. Pentium Pro прекрасно работает с 32-битовыми приложениями, а в 16-битовых иногда даже несколько проигрывает просто Pentium. Новые схемотехнические решения обеспечивают для ПК более высокую производительность. Часть этих новшеств может быть объединена понятием «динамическое исполнение» (dynamic execution), что, в первую очередь, означает наличие многоступенчатой суперконвейерной структуры (superpipelining), предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (multiple branch prediction) и исполнение команд по предполагаемому пути ветвления (speculative execution).
В программах решения многих задач, особенно экономических, содержится большое число условных передач управления. Если процессор может заранее предсказывать направление перехода (ветвления), то производительность его работы значительно повысится за счет оптимизации загрузки вычислительных конвейеров. Тем не менее следует сказать, что если путь ветвления предсказан неверно, процессор должен сбросить полученные результаты, очистить конвейеры и загрузить нужные команды заново, что требует достаточно большого числа тактов. В процессоре Pentium Pro вероятность правильного предсказания 90%, против 80% у МП Pentium.
Кэш-память емкостью 256 — 512 Кбайт — обязательный атрибут высокопроизводительных систем на процессорах Pentium. Однако у них встроенная кэш-память имеет небольшую емкость (16 Кбайт), а основная ее часть находится вне процессора на материнской плате. Поэтому обмен данными с ней происходит не на внутренней частоте МП, а на частоте тактового генератора, которая обычно в 2 — 5 раз ниже, что снижает общее быстродействие компьютера. В МП Pentium Pro есть и кэш память 1-ro уровня (по 8 Кбайт для команд и данных) и кристалл кэш- памяти 2-го уровня емкостью 256 или 512 Кбайт, расположенный тоже на плате самого микропроцессора и работающий на внутренней частоте МП.
Микропроцессоры Pentium ММХ и Pentium П
В январе и в июне 1997 года прошли презентацию модернизированные для работы в мультимедийной технологии микропроцессоры Pentium и Pentium Pro, получившие торговые марки соответственно Pentium ММХ (ММХ — MultiMedia eXtention) и Pentium П. МП Pentium ММХ содержит дополнительные 57 команд, ориентированные на обработку аудио- и видеоинформации, увеличенную вдвое (до 32 Кбайт) кэш-память, дополнительные восемь 64-битовых регистров, новый блок предсказания ветвлений, заимствованный у МП Pentium Pro, и т. д. Вследствие этого у него на 1 000 000 транзисторных элементов больше, чем у МП Pentium.
Для эффективного использования этих микропроцессоров во все старые программы (в том числе и в операционные системы Windows 95, Windows NT) необходимо включить согласующие программные фрагменты; правда, и без них МП Pentium ММХ несколько производительнее просто МП Pentium.
При выполнении обычных приложений Pentium ММХ на 10 — 15% быстрее Pentium, а при работе мультимедийных приложений с использованием новых 57 команд он уже эффективнее на 30% (для сравнения: МП Pentium Pro опережает МП Pentium при выполнении обычных приложений примерно на 20%). Программы, написанные с учетом специфики Pentium ММХ, не будут работать на ПК с обычным МП Pentium. Для МП Pentium ММХ требуется системная плата с разъемом Socket 7, с новой BIOS, поддерживающей ММХ, и с двумя напряжениями питания (3,5 и 2,8 В).
МП Pentium II имеет иную конструкцию, нежели все остальные МП, в частности, он выполнен в виде небольшой платы-картриджа (корпус SECC), на которой размещены сам процессор (содержащий 7,5 млн. транзисторов против 5,5 млн. в МП Pentium Pro) и четыре микросхемы кэш-памяти 2-го уровня, общим объемом 512 Кбайт. Кэш-память 1-го уровня, находящаяся в микросхеме самого процессора, имеет емкость 32 К байта против 16 Кбайт, имевшихся в МП Pentium Pro, но кэш-память 2-го уровня работает не на внутренней частоте МП, а на вдвое меньшей частоте.
Важным отличием Pentium II является архитектура двойной независимой шины (первые варианты введения такой шины были уже у МП Pentium Pro). Процессор обменивается данными с кэшем L2 по специализированной высокоскоростной шине (иногда называемой backside — задней), отделенной от системной шины (frontside — передней). Системная шина работает на частоте материнской платы, и это существенно снижает эффективное быстродействие компьютера. Наличие же backside-шины ускоряет обмен с кэш-памятью.
МП Pentium II поддерживает двухпроцессорную конфигурацию ПК. В МП Pentium Pro и Pentium II появилась качественно новая перспектива: начали внедряться так называемые инструкции SIMD (Single Instruction Multiply Data— сравните со структурами многопроцессорных систем), в которых одно и то же действие совершается над многими данными (эта технология получит развитие в следующих моделях МП). МП производится на основе технологии 0,35 мкм и использует напряжение питания 2,8 В. Для него, естественно, требуется иная системная плата, чем для всех других Pentium. Микропроцессоры Pentium II имеют много модификаций: Klamath, Deschutes, Katmai, Tanga; МП средней группы Celeron — Covington, Mendocino, Dixon.
Для более дешевых компьютеров предложили облегченный вариант процессора, названный Celeron. Первые процессоры Celeron имели частоты 266 и 300 МГц. Вторичный кэш исключили, что заметно отразилось на производительности ПК (системные платы с разъемом Slot 1 вторичного кэша не имеют), и ПК на их основе оказались малоэффективными. Тогда были выпущены процессоры Celeron А, которые имеют небольшой (128 Кбайт) вторичный кэш, установленный на плате
MII и работающий уже на полной частоте МП. Эти процессоры, известные также под названием Mendocino, стали очень популярными.
Кроме широко известных особенностей вторичного кэша (либо его нет, либо 128 Кбайт) процессор Celeron имеет следующие отличия от Pentium II:
а разрядность шины адреса сокращена с 36 до 32 битов (адресуемая память— 4 Гбайт);
● несколько ослаблены процедуры контроля достоверности преобразования информации;
● Celeron предназначен только для однопроцессорных конфигураций. Процессоры Celeron А являются самыми популярными из недорогих компьютеров и в настоящее время. Большинство МП Pentium II, в том числе и Celeron А, поддерживают частоту шины системной платы 100, 133 и более МГц (предыдущие модели — только 66 МГц).
Микропроцессоры Pentium III
Новинка 1999 года — процессоры Pentium Ш (Coppermine) — являются дальнейшим развитием Pentium II. Их главным отличием является основанное на новом блоке 128-разрядных регистров расширение набора SIMD-инструкций, ориентированных на форматы данных с плавающей запятой — SSE (Streaming SIMD Extensions). По возможностям мультипроцессорных конфигураций эти процессоры аналогичны своим предшественникам Pentium II.
Кэш 2-го уровня у МП Pentium Ш имеет размер 256 Кбайт, работает на полной частоте МП и обслуживается быстродействующей backside-шиной, что во много раз ускоряет как работу с кэшем, так и производительность ПК в целом. МП Pentium III предназначены для работы с материнскими платами, имеющими чипсеты (набор микросхем, связывающих процессор с остальной системой) Intel: 440ВХ, 440ZX, 440GX, 810, 815, 820, 840 и более новые; поддерживают частоту шины материнской платы 100, 133, 150 МГц и выше. «Простые» Pentium Ш устанавливаются в Slot 1, Pentium Ш Xeon — в Slot 2. Процессоры Pentium Ш Хеоп (и последующие модели Tanner, Cascades) являются продолжением линии МП Pentium Pro и отличаются увеличенным кэшем 2-ro уровня (512, 1024 и 2048 Кбайт), работающим на полной частоте МП.
Микропроцессоры Pentium 4
Последняя на 2001 год модификация МП Pentium — Pentium 4. Она предназначена для высокопроизводительных компьютеров, в первую очередь серверов, рабочих станций класса high-end и мультимедийных игровых ПК. Рассмотрим основные особенности Pentium 4.
Добавлены 144 новые потоковые инструкции, расширяющие набор SIMD-инструкций, ориентированных на форматы данных с плавающей запятой — SSE (Streaming SIMD Extensions). Модуль вычислений с плавающей запятой и потоковый модуль оптимизированы для работы с видео- и аудиопотоками, 3D-технологиями.
Имеется кэш 2-го уровня размером 256 Кбайт; он работает на полной частоте МП, использует встроенную программу коррекции ошибок и обслуживается быстродействующей с разрядностью 256 битов (32 байта) шиной, работающей на частоте МП. Это для Pentium 4 с частотой 1500 МГц, например, обеспечивает скорость обмена с кэшем 48 Гбайт/с.
Есть возможность работы с системной шиной с эквивалентной частотой 400 МГц (Quard-Pumped Bus по 100 МГц), что обеспечивает скорость обмена 3,2 Гбайт/с. Вновь улучшена система «динамического исполнения» (dynamic execution), что, в первую очередь, связано с наличием 20-ступенной (у МП Pentium Ш конвейер имел 10 ступеней) суперконвейерной структуры (superpipelining), лучшего предсказания ветвлений программы при условных передачах управления (prediction) и параллельного «по предположению» (опережающего, спекулятивного) исполнения команд по нескольким предполагаемым путям ветвления (speculative execution). Поясним это. Динамическое исполнение позволяет процессору предсказывать порядок выполнения инструкций при помощи технологии множественного предсказания ветвлений которая прогнозирует прохождение программы по нескольким ветвям. Это оказывается возможным, поскольку в процессе исполнения инструкции процессор просматривает программу на несколько шагов вперед. Технология анализа потока данных позволяет проанализировать программу и составить ожидаемую последовательность исполнения инструкций независимо от порядка их следования в тексте программы. И, наконец, опережающее выполнение повышает скорость работы программы за счет выполнения нескольких инструкций одновременно, по мере их поступления в ожидаемой последовательности — то есть по предположению (интеллектуально). Поскольку выполнение инструкций происходит на основе предсказания ветвлений, результаты сохраняются как «интеллектуальные» с последующим удалением тех, которые вызваны промахами в предсказании. На конечном этапе порядок инструкций и результатов их выполнения восстанавливается до первоначального. Используется новая микроархитектура, базирующаяся на двух параллельных 32-битовых конвейерах и поддерживающая технологию поточной обработки Hyper Pipelined. Это позволило сделать эффективным длинный конвейер. Суть в том, что при длинном конвейере в задачах с частыми условными переходами его эффективность снижается. Два параллельных конвейера снижение эффективности уменьшают. Теперь реальна ситуация, когда в каждый момент времени одна инструкция загружается, другая декодируется, для третьей (или нескольких) формируется пакет данных, четвертая инструкция (или несколько) исполняется, для пятой записывается результат. И если при строго последовательном исполнении инструкций даже самые короткие операции исполнялись за 5 тактов, то при такой поточной обработке многие инструкции могут быть выполнены за такт.
Новая технология ускоренных вычислений (Rapid Execution Engine) использует два быстрых, работающих на удвоенной частоте процессора АЛУ, выполняющие короткие арифметические и логические операции за 0,5 такта, и третье медленное АЛУ, исполняющее длинные операции (умножение, деление и т. д.).
Процессор имеет площадь кристалла 217 мм', потребляет 52 Вт при частоте 1500 МГц, содержит 42 миллиона транзисторов. На базе Pentium 4 можно создать высокоэффективную ММХ-систему, но для этого необходимо наличие:
● программного обеспечения, ориентированного на использование дополнительных команд этого процессора;
● системной платы с чипсетами, поддерживающими данные микропроцессоры. В 2002-2003 годах корпорация Intel представила:
● семейство МП Pentium Ш Tualatin на основе технологии 0,13 мкм с улучшенными по сравнению с Coppermine характеристиками (тактовые частоты до 1266 МГц, кэш-память 1 2 емкостью до 512 Кбайт, работающая на частоте микропроцессора, с поддержкой частоты системной шины (FSB) до 133 МГц). Выпускаются МП 3-х видов: для портативных и настольных компьютеров и для серверов;
● МП Celeron с тактовыми частотами 2,3 и 2,4 ГГц, изготовленные по технологии 0 13 мкм и поддерживающие FSB = 400 МГц;
● новое поколение МП Pentium 4, поддерживающее FSB = 800 МГц с собственными тактовыми частотами 3,0 и 4,3 ГГц и системный чипсет i875 для этих МП;
● технологию Intel Centrino для портативных компьютеров с компонентами: МП Pentium М, системный чипсет i855 и средства беспроводного доступа по протоколу IEEE 802.11Ь — Intel PRO/Wireless.
Intel обещала выпустить также другие МП: в 2003 году по технологии 0,09 мкм, а в 2005 году — по технологии 0,065 мкм и довести тактовую частоту МП до 20 ГГц.
Микропроцессоры Over Drive
Интерес представляют МП Over Drive, по существу являющиеся своеобразными сопроцессорами, обеспечивающими для МП 80486 режимы работы и эффективное быстродействие, характерные для МП Pentium, а для МП Pentium — увеличение их производительности (в частности, Over Drive 125, 150 и 166 соответственно для Pentium 75, 90 и 100, увеличивающие их внутреннюю частоту до указанных для Over Drive величин).
Микропроцессоры типа RISC содержат только набор простых, чаще всего встречающихся в программах команд. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых. В этих МП все простые команды имеют одинаковый размер и на выполнение каждой из них тратится 1 машинный такт (на выполнение даже самой короткой команды из системы CISC обычно тратится 4 такта). Один из первых МП типа RISC — ARM (на его основе был создан ПК IBM PC RT): 32-разрядный МП, имеющий 118 различных команд. Современные 64-разрядные RISC-микропроцессоры выпускаются многими фирмами: Apple (PowerPC), IBM (РРС), DEC (Alpha), НР (РА), Sun (Ultra SPARC) и т. д.
Микропроцессоры PowerPC (Performance Optimized With Enhanced РС) весьма перспективны и уже сейчас широко применяются в машинах-серверах и в ПК типа Macintosh. Микропроцессоры PowerPC имеют тактовую частоту до нескольких ГГц, а микропроцессоры Alpha — тактовую частоту больше 2 ГГц. Микропроцессоры типа RISC характеризуются очень высоким быстродействием, но они программно не совместимы с CISC-процессорами: при выполнении программ, разработанных для ПК типа IBM РС, они могут лишь эмулировать (моделировать, имитировать) МП типа CISC на программном уровне, что приводит к резкому уменьшению их эффективной производительности.
Это новый и весьма перспективный тип МП. Микропроцессоры типа VLIW выпускают фирмы Transmeta — это микропроцессор Crusoe моделей ТМ3120, ТМ5400, ТМ5600 (технология 0,18 мкм, тактовые частоты до 700 МГц), Intel— модель Mersed (торговая марка Itanium, 800 МГц) и Hewlett — Packard — модель McKinley. Следует заметить, что при более глубоком анализе технология EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing — вычисления с явной параллельностью инструкций), которой придерживаются фирмы Intel и НР, незначительно отличается от технологии VLIW, принятой за основу фирмой Transmeta. Но эти отличия несущественны, поэтому микропроцессоры VLIW и EPIC можно отнести к одной группе.
МП Merced — первый процессор, использующий полный набор 64-битовых инструкций (Intel Architecture-64, IA-64; именно эта технология называется ЕР1С). Микропроцессор с тактовой частотой 1200 МГц изготавливается по технологическим нормам 0,18 мкм. К VLIW-типу можно отнести и ожидавшийся в 2002 году МП Elbrus 2000 — E2k, разработанный российской компанией «Эльбрус». И хотя E2k пока существует в виде компьютерной модели, этот процессор оставил «российский след» в американских проектах — о схожести определенных черт E2k и процессора Crusoe компании Transmeta, а также архитектуры IA-64 (Intel и НР) много писалось в прессе.
Программисты доступа к внутренним VLIW-командам не имеют: все программы (даже операционная система) работают поверх специального низкоуровневого программного обеспечения (Code Morphing), которое ответственно за трансляцию команд CISC-микропроцессоров в команды VLIW. МП типа VLIW вместо сложной схемной логики, обеспечивающей в современных суперскалярных микропроцессорах параллельное исполнение команд, опираются на программное обеспечение. Упрощение аппаратуры позволило уменьшить габариты МП и потребление энергии (эти МП иногда называют «холодными»).
Архитектура CISC появилась в 1978 году. Тогда процессоры представляли собой скалярные устройства (то есть могли в каждый момент времени выполнять только одну команду), при этом конвейеров практически не было. Процессоры содержали десятки тысяч транзисторов. МП RISC были разработаны в 1986 году, когда технология суперскалярных конвейеров только начала развиваться. Процессоры содержали сотни тысяч транзисторов. В конце 90-х наиболее совершенные процессоры уже содержат миллионы, десятки миллионов транзисторов. Первые МП архитектуры IA-64 содержат десятки миллионов транзисторов. В дальнейших модификациях их число, вероятно, увеличится до сотен миллионов.
Архитектура IA-64 не является ни 64-разрядным расширением архитектуры CISC, ни переработкой архитектуры RISC. IA-64 представляет собой новую архитектуру, использующую длинные слова команд (LIW), предикаты команд (instruction predication), исключение ветвлений (branch elimination), предварительную загрузку данных (speculative loading) и другие ухищрения для того, чтобы обеспечить больший параллелизм выполнения программ. Но, тем не менее, IA-64 — это компромисс между CISC и RISC, попытка сделать их совместимыми: существуют два режима декодирования команд — VLIW и старый CISC. Программы автоматически переключаются в необходимый режим исполнения. Для работы с VLIW операционные системы должны содержать и 64-разрядную часть на IA-64, и старую 32-разрядную.
Все новые МП создаются на основе технологий, обеспечивающих формирование элементов с линейным размером порядка 0,015 мкм и ниже (традиционные МП 80486 и Pentium использовали 0,8-мкм элементы).
Уменьшение размеров элементов обеспечивает возможность:
● увеличения тактовой частоты МП до сотен мегагерц и выше;
● уменьшения перегрева МП, что позволяет использовать пониженное напряжение питания 1 — 2 В (вместо 5 В).
Физическая и функциональная структура микропроцессора
Физическая структура микропроцессора достаточно сложна. Ядро процессора содержит главный управляющий модуль и исполняющие модули — блоки выполнения операций над целочисленными данными. К локальным управляющим схемам относятся: блок плавающей запятой, модуль предсказания ветвлений, модуль преобразования CISC-инструкций во внутренний RISC-микрокод, регистры микропроцессорной памяти (в МП типа VLIW до 256 регистров), регистры кэш-памяти 1-го уровня (отдельно для данных и инструкций), шинный интерфейс и многое другое.
В состав микропроцессора Pentium обычно входят следующие физические компоненты:
● Core — ядро МП;
● Execution Unit — исполняющий модуль;
● Integer ALU — АЛУ для операций с целыми числами (с фиксированной запятой);
● Registers — регистры;
● Floating Point Unit — блок для работы с числами с плавающей запятой;
● Primary Cache — кэш первого уровня, в том числе кэш данных (Data Cache) и кэш команд (Code Cache);
● Instruction Decode and Prefetch Unit и Branch Predictor — блоки декодирования инструкций, опережающего их исполнения и предсказания ветвлений;
● Bus Interface — интерфейсные шины, в том числе 64- и 32-битовая шины, и выход на системную шину к оперативной памяти (То RAM).
Функционально МП можно разделить на две части:
● операционную, содержащую устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) (за исключением нескольких адресных регистров);
● интерфейсную, содержащую адресные регистры МПП; блок регистров команд — регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие такты; схемы управления шиной и портами.
Обе части МП работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) происходит во время выполнения операционной частью предыдущей команды. Современные микропроцессоры имеют несколько групп регистров в интерфейсной части, работающих с различной степенью опережения, что позволяет выполнять операции в конвейерном режиме. Такая организация МП позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие.
Устройство управления (УУ) является функционально наиболее сложным устройством ПК — оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций (КШИ) во все блоки машины. Упрощенная функциональная схема УУ показана на рис. 5.1.
На рисунке представлены:
● регистр команд — запоминающий регистр, в котором хранится код команды код выполняемой операции (КОП) и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд;
● дешифратор операций — логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов;
● постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропрограмм хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК процедур обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операций в соответствии с кодом операции проводу считывает из ПЗУ микро
программ необходимую последовательность управляющих сигналов;
●узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП) — устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП;
●кодовые шины данных, адреса и инструкций — часть внутренней интерфейсной шины микропроцессора.
В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:
● выборка из регистра-счетчика адреса команды МПП адреса ячейки ОЗУ;
●где хранится очередная команда программы;
●выборка из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
●расшифровка кода операции и признаков выбранной команды;
●считывание из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылка управляющих сигналов в эти блоки;
●считывание из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирование полных адресов операндов;
●выборка операндов (по сформированным адресам) и выполнение заданной операции обработки этих операндов;
●запись результатов операции в память;
●формирование адреса следующей команды программы.
Арифметико-логическое устройство
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ (рис. 5.2) состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).
Сумматор — вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.
Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 — разрядность слова. При выполнении операций в регистр 1 помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции — результат; в регистр 2 — второе число, участвующее в операции (по завершению операции информация в нем не изменяется). Регистр 1 может и принимать информацию с кодовых шин данных и выдавать информацию на них; регистр 2 только получает информацию с этих шин.
Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.
АЛУ выполняет арифметические операции «+», < — », «х» и «:» только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, то есть только над целыми двоичными числами. Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется с привлечением математического сопроцессора или по специально составленным программам.
Рассмотрим в качестве примера выполнение команды умножения. Перемножаются числа 1101 и 1011 (числа для простоты взяты 4-битовыми). Множимое находится в регистре 1, имеющем удвоенную по отношению к регистру 2 разрядность; множитель размещается в регистре 2. Операция умножения требует для своего выполнения нескольких тактов. В каждом такте число из регистра 1 проходит в сумматор (имеющий также удвоенную разрядность) только в том случае, если в младшем разряде регистра 2 находится 1, В данном примере в первом такте число 1101 пройдет в сумматор, и в этом же первом такте число в регистре 1 сдвигается на 1 разряд влево, а число в регистре 2 — на 1 разряд вправо. В конце такта после сдвигов в регистре 1 будет находиться число 11010, а в регистре 2 — число 101. Во втором такте число из регистра 1 пройдет в сумматор, так как младший разряд в регистре 2 равен 1; в конце такта числа в регистрах опять будут сдвину- ты влево и вправо, так, что в регистре 1 окажется число 110100, а в регистре 2— число 10. В третьем такте число из регистра 1 не пройдет в сумматор, так как младший разряд в регистре 2 равен 0; в конце такта числа в регистрах будут сдвинуты влево и вправо, так что в регистре 1 окажется число 1101000, а в регистре 2 — число 1. На четвертом такте число из регистра 1 пройдет в сумматор, поскольку младший разряд в регистре д равен 1; в конце такта числа в регистрах будут сдвинуты влево и вправо, так что в регистре 1 окажется число 11010000, а в регистре 2 — число О. Поскольку множитель в регистре 2 стал равным О, операция умножения заканчивается. В результате в сумматор последовательно поступят и будут сложены числа: 1101, i ioio, i io i 000; их сумма 10001111 (143 в десятичной системе) и будет равна произведению чисел 1101 х 1011 (13 х 11 десятичные).
Микропроцессорная память (МПП) базового МП 8088 включает в себя 14 двух байтовых запоминающих регистров. У МП 80286 и выше имеются дополнительные регистры, например, у МП типа VLIW есть 256 регистров, из которых 128— регистры общего назначения. У МП 80386 и выше некоторые регистры, в том числе и регистры общего назначения, — 4-байтовые (у МП Pentium есть и восьми байтовые регистры). Но в качестве базовой модели, в частности для языка программирования ассемблер и отладчика программ Debug, используется 14-регистровая система МПП.
Все регистры можно разделить на 4 группы:
● универсальные регистры: АХ, ВХ, СХ, DX;
● сегментные регистры: CS, DS, SS, ES;
● регистры смещения: IP, SP, ВР, SI, DI;
● регистр флагов: FL.
Если регистры 4-байтовые или 8-байтовые, их имена несколько изменяются, например 4-байтовые универсальные регистры АХ, ВХ, СХ, DX именуются соответственно ЕАХ, ЕВХ, ЕСХ, EDX. При этом если используется их двухбайтовая или однобайтовая часть, наименования этих частей регистров соответствуют рассматриваемым ниже.
Универсальные регистры
Регистры АХ, ВХ, СХ и DX являются универсальными (их часто называют регистрами общего назначения — РОН); каждый из них может использоваться для временного хранения любых данных, при этом позволено работать с каждым регистром целиком, а можно отдельно и с каждой его половиной (регистры АН, ВН, CH, DH — старшие (High) байты, а регистры AL, BL, CL, DL — младшие (Low) байты соответствующих 2-байтовых регистров). Но каждый из универсальных регистров может использоваться и как специальный при выполнении некоторых конкретных команд программы.
В частности:
● регистр АХ — регистр-аккумулятор, через его порты осуществляется ввод- вывод данных в МП, а при выполнении операций умножения и деления АХ используется для хранения первого числа, участвующего в операции (множимого, делимого), и результата операции (произведения, частного) после ее завершения;
● регистр ВХ часто используется для хранения адреса базы в сегменте данных и начального адреса поля памяти при работе с массивами;
● регистр СХ — регистр-счетчик, используется как счетчик числа повторений, при циклических операциях;
● регистр DX используется как расширение регистра-аккумулятора при работе я с 32-разрядными числами и при выполнении операций умножения и деления, используется для хранения номера порта при операциях ввода-вывода и т. д.
Сегментные регистры
Регистры сегментной адресации CS, DS, SS, ES используются для хранения начальных адресов полей памяти (сегментов), отведенных в программах для хранения.
● команд программы (сегмент кода — CS);
● данных (сегмент данных — DS);
● стековой области памяти (сегмент стека — SS);
● дополнительной области памяти данных при межсегментных пересылках (расширенный сегмент — ES), поскольку размер сегмента в реальном режиме работы МП ограничен величиной 64 Кбайт.
Регистры смещений
Регистры смещений (внутрисегментной адресации) IP, SP, BP, SI, DI предназначены для хранения относительных адресов ячеек памяти внутри сегментов (смещений относительно начала сегментов):
● регистр IP (Instruction Pointer) хранит смещение адреса текущей команды программы;
● регистр SP (Stack Pointer) — смещение вершины стека (текущего адреса стека);
● регистр ВР (Base Pointer) — смещение начального адреса поля памяти, непосредственно отведенного под стек;
● регистры SI, DI (Source Index и Destination Index соответственно) предназначены для хранения адресов индекса источника и приемника данных при операциях над строками и им подобных.
Регистр флагов
Регистр флагов FL содержит условные одноразрядные признаки-маски, или флаги, управляющие прохождением программы в ПК; флаги работают независимо друг от друга, и лишь для удобства они помещены в единый регистр. Всего в регистре содержится 9 флагов: 6 из них статусные, отражают результаты операций, выполненных в компьютере (их значения используются, например, при выполнении команд условной передачи управления — команд ветвления программы), а 3 других — управляющие, непосредственно определяют режим исполнения программы.
Статусные флаги:
● CF (Carry Flag) — флаг переноса. Содержит значение «переносов» (О или 1) из старшего разряда при арифметических операциях и некоторых операциях сдвига и циклического сдвига;
● PF (Parity Flag) — флаг четности. Проверяет младшие восемь битов результатов операций над данными. Нечетное число единичных битов приводит к установке этого флага в О, а четное — в 1;
● AF (Auxiliary Carry Flag) — флаг логического переноса в двоично-десятичной арифметике. Вспомогательный флаг переноса устанавливается в 1, если арифметическая операция приводит к переносу или за ему четвертого справа бита однобайтового операнда. Этот флаг используется при арифметических операциях над двоично-десятичными кодами и кодами ASCII;
● ZF (Zero Flag) — флаг нуля. Устанавливается в 1, если результат операции равен нулю; если результат не равен нулю, ZF обнуляется;
● SF (Sign Flag) — флаг знака. Устанавливается в соответствии со знаком результата после арифметических операций: положительный результат устанавливает флаг в О, отрицательный — в 1;
● OF (Overflow Flag) — флаг переполнения. Устанавливается в 1 при арифметическом переполнении: если возник перенос в знаковый разряд при выполнении знаковых арифметических операций, если частное от деления слишком велико и переполняет регистр результата и т. д.
Управляющие флаги:
● TF (Trap Flag) — флаг системного прерывания (трассировки). Единичное состояние этого флага переводит процессор в режим пошагового выполнения программы (режим трассировки);
● IF (Interrupt Flag) — флаг прерываний. При нулевом состоянии этого флага прерывания запрещены, при единичном — разрешены;
● DF (Direction Flag) — флаг направления. Используется в строковых операциях для задания направления обработки данных. При нулевом состоянии флага команда увеличивает содержимое регистров SI и DI на единицу, обусловливая обработку строки «слева направо»; при единичном — «справа налево».
Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП с системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд. Интерфейсная часть включает в свой состав:
● адресные регистры МПП;
● узел формирования адреса;
● блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП;
● внутреннюю интерфейсную шину МП;
● схемы управления шиной и портами ввода-вывода.
Некоторые из названных устройств, такие как узел формирования адреса и регистр команды, непосредственно выполняемой МП, функционально входят в со- став устройства управления.
Порты ввода-вывода — это пункты системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у МП может быть 65 536 (равно количеству разных адресов, которые можно представить числом формата словом). Каждый порт имеет адрес — номер порта; по существу это адрес ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера.
Порту устройства соответствуют аппаратура сопряжения и два регистра памяти — для обмена данными и управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД; НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и т. д.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.
Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции:
● формирование адреса порта и управляющей информации для него (переключение порта на прием или передачу и т. д.);
● прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;
● организация сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода-вывода и МП.
Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовые шины инструкций, адреса и данных системной шины: при доступе к порту МП посылает сигнал по кодовой шине инструкций (КШИ), который оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на кодовую шину адреса (КША) является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. Устройство с совпадающим адресом порта дает ответ о готовности. После чего по кодовой шине данных (КШД) осуществляется обмен данными.
Упрощенная структурная схема микропроцессора показана на рис. 5.3.
Системная (systemboard — SB), или объединительная, материнская (motherboard — МВ), плата — это важнейшая часть компьютера, содержащая его основные электронные компоненты. С помощью материнской платы осуществляется взаимодействие между большинством устройств машины.
Конструктивно МВ представляет собой печатную плату площадью 100 — 150 см, на которой размещается большое число различных микросхем, разъемов и других элементов.
Существуют две основных разновидности конструкции системной платы (СП):
● на плате жестко закреплены все необходимые для работы микросхемы, — сейчас такие платы используются лишь в простейших домашних компьютерах, называемых одноплатными;
● непосредственно на системной плате размещается лишь минимальное количество микросхем, а все остальные компоненты объединяются при помощи системной шины и конструктивно устанавливаются на дополнительных платах (платах расширения), устанавливаемых в специальные разъемы (слоты), имеющиеся на материнской плате; компьютеры, использующие такую технологию, относятся к вычислительным системам с шинной архитектурой.
Современные профессиональные персональные компьютеры имеют именно шинную архитектуру. На системной плате непосредственно расположены:
● разъем для подключения микропроцессора;
● набор системных микросхем (чипсет, chipset), обеспечивающих работу микропроцессора и других узлов машины;
● микросхема постоянного запоминающего устройства, содержащего программы базовой системы ввода-вывода (Basic Input-Output System — BIOS);
● микросхема энергонезависимой памяти (питается от автономного, расположенного на МВ, аккумулятора), по технологии изготовления называемая CMOS;
● микросхемы кэш-памяти 2-го уровня (если они отсутствуют на плате микропроцессора) или 3-го уровня;
● разъемы для подключения модулей оперативной памяти;
● наборы микросхем и разъемы для системных, локальных и периферийных интерфейсов;
● микросхемы мультимедийных устройств и т. д.
В качестве примера на рис. 5.4 показано размещение основных компонентов на мультимедийной системной плате ТС430НХ.
1. Интегральная схема звукового адаптера Yamaha OPL4-ML — звуковая карта с поддержкой табличного синтеза звука Wave Table.
2. Интегральная схема звукового адаптера Yamaha OPL3-SA, звуковая карта с поддержкой цифрового частотно-модулированного синтеза звука.
3. Выход CD-ROM audio.
4. Разъем для подключения внешнего звукового адаптера.
5. Разъем для подключения телефонной линии.
6. Интегральная схема звукового стереоадаптера.
7. Разъемы ввода-вывода на задней панели ПК.
8. Последовательный порт СОМ2.
9. Разъем типа Socket 7 для микропроцессора.
10. Микросхемы кэш-памяти 2-ro уровня.
11. Разъем питания материнской платы (два раздельных напряжения питания 2,8 и 3,3 В).
12. Регулятор напряжения.
13. Разъемы (слоты) для микросхем оперативной памяти.
14. Разъем для подключения вентилятора микропроцессора.
15. Разъем для подключения дисководов гибких дисков.
16. Набор системных микросхем — чипсет i430HX.
17. Разъемы передней панели.
18. Разъем первичного канала дискового интерфейса IDE.
19. Разъем вторичного канала дискового интерфейса IDE.
20. Аккумулятор для системы CMOS (в том числе и для внутреннего таймера).
21. Интегральная схема контроллера шин PCI/ISA/IDE.
22. Блок конфигурационных перемычек (джамперов ).
23. Пьезоэлектрический системный динамик.
24. Интегральная схема контроллера ввода-вывода (для универсальной шины USB), поддерживающего интерфейсы гибких дисков, последовательных и параллельного порта, часов реального времени (таймера), контроллера клавиатуры и т. д.
25. Видеопамять — память графики типа EDO (2 М байта).
26. Видеокарта — графический контроллер S3 VIRGE, поддерживающий растровую и трехмерную графику.
27. Разъемы шины расширения ISA.
28. Разъем для внешних адаптеров работы с видео.
29. Разъемы расширения локальной шины PCI.
В настоящее время десятки фирм выпускают большое число различных системных плат, отличающихся и конструктивно, и по типу поддерживаемых ими микропроцессоров, и по тактовой частоте их работы, и по величине рабочих напряжений и т. д.
Тип системной платы определяет прежде всего базовый микропроцессор. Поскольку микропроцессоры фирмы Intel и процессоры некоторых других фирм, в частности фирмы AMD, используют электрически разные интерфейсы и геометрически разные разъемы, то следует разделить все материнские платы на две группы по типу процессорного разъема: «интеловские» СП и прочие. Поскольку МП фирмы Intel распространены гораздо шире, в дальнейшем основное внимание уделим именно им. Так, по типу поддерживаемых Intel-микропроцессоров, СП можно разделить на следующие группы:
● платы, рассчитанные на МП 8086, 8088, в новых компьютерах они уже не применяются более десятка лет, но кое-где, особенно в нашей стране, их найти еще можно;
● платы для МП 80286 тоже устарели, но кое-где еще используются (для МП 80386 и выше непригодны);
● платы для микропроцессоров 80386 и 80486 — используются в соответствующих ПК прежних лет выпуска; следует иметь в виду, что системные платы, установленные в компьютерах с МП 80386, часто не пригодны для установки МП 80486, а в компьютерах с МП 80486 чаще всего несовместимы с МП Pentium (в случае модернизации (upgrade) при замене МП приходится менять и системные платы); некоторые из плат этой группы позволяют устанавливать дополнительно МП Over Drive, расширяющий характеристики основного микропроцессора до уровня характеристик МП Pentium. В этой группе определены многие важные параметры системных плат, характеризующие современные СП и поныне, в частности, стандартным стал тип микропроцессорного разъема с нулевым усилием сочленения (тип ZIF — Zero Insertion Force), что позволяет проводить замену МП в домашних условиях без приме- нения специальных инструментов;
● платы для МП Pentium и Pentium Pro рассчитаны на напряжения питания 3,3 В и 5 В и тактовые частоты 60, 66, 75 МГц. СП, ориентированные на МП Pentium Pro, отличаются лишь другим процессорным разъемом и отсутствием кэш- памяти второго уровня, которая интегрирована непосредственно на плату МП;
● платы для МП Pentium ММХ, отличающиеся от плат для МП Pentium и Pentium Pro двумя раздельными напряжениями питания (2,8 В и 3,3 В), наличием модифицированного процессорного разъема Socket 7 и специальной микросхемы BIOS, поддерживающей ММХ;
● СП для МП Pentium II (а также и Celeron) имеют разъем Slot 1 или Socket 370, пониженное напряжение питания 2,0 В; у них отсутствует кэш-память 2-го уровня. Материнские платы этой группы (в частности с чипсетами iBX) впервые могут работать с тактовыми частотами 100, 133, 150 МГц;
● СП для микропроцессоров Pentium Ш с новыми разъемами типа Зобе( 370 (для Xeon — Slot 2) используют еще более низкие напряжения — 1,65 В и работают с чипсетами iBX, iGX, iZX, i810, i815, i820, i840, VIA Apollo Pro и некоторыми другими, поддерживающими тактовые частоты от 100 до 266 МГц;
● СП для микропроцессоров Pentium 4 с разъемами Socket 423 или Socket 478, раздельными напряжениями питания 5 уровней от 1,1 В до 1,8 В, на чипсете i850 поддерживающие тактовые частоты до 400 МГц.
Важным параметром системной платы является тактовая частота (FSB) на которой она работает: современные СП имеют рабочие частоты 100, 133, 150, 200, 266 и даже 400 МГц. Этот параметр особенно влияет на производительность ПК, выполняющего задания, не содержащие большого количества математических операций, а связанные с процедурами пересылки информации (например, большинство преобразований экономической информации).
Socket 7, Slot 1, Socket 370, Socket 8, Slot 2, Slot А, Socket 423 — процессорные разъемы, установленные на материнской плате. Спецификация разъема определяет как сам конструктив разъема, так и назначение контактов, электрические параметры, определяет порядок взаимодействия с шинами данных, особенности взаимодействия с оперативной памятью и т. п.
Существуют различные базовые типоразмеры (форм-факторы) плат. Форм-фактор определяет не только внешние размеры системных плат, но и ряд специфических параметров, характеризующих функциональные и эксплуатационные свойства СП:
● Full size АТ размером 12 х 13,8 дюйма (использовались в первых моделях IBM
PC, сейчас не выпускаются); 0 Baby АТ — имеют ширину 8,57 и длину 13,04 дюйма, и их разновидность Mini АТ — 8,57 х 9,85 дюйма; они могут устанавливаться во все корпуса, кроме Slim line (выпускаются, но также постепенно устаревают);
● полномасштабные платы АТ отличаются от Baby АТ только размером — ширина их составляет 12 дюймов, что затрудняет их установку в корпус;
● LPX и Mini LPX размером 9 х 13 и 8,2 х 10,4 дюйма, соответственно — устанавливаются в сверхнизкие корпуса SlimLine;
● АТХ — самый распространенный типоразмер системной платы, 9,6 х 12 дюймов, отличающийся от Baby АТ более удобным расположением элементов на плате (позволяет легко без снятия платы менять ее элементы), лучшей вентиляцией (не требуется устанавливать отдельный вентилятор на микропроцессор), наличием разъема новой универсальной шины USB и возможностью дистанционного выключения питания компьютера с модема или по локальной сети. На плате установлены разъемы только под модули оперативной памяти РВАМ. В 1997 году была представлена модификация MiniATX — СП размером 9,6 х 9,6 дюймов.
Системные платы поддерживают разные виды интерфейсных системных, локальных и периферийных шин. От состава поддерживаемых шин, количества слотов для этих шин, имеющихся на СП, существенно зависит эффективность работы ПК в целом. От типа используемого на СП набора системных микросхем (чипсета) зависят многие важные характеристики ПК. Чипсеты определяют во многом тактовую частоту шин СП, обеспечивают надлежащую работу микропроцессора, системной шины, интерфейсов взаимодействия с оперативной памятью и другими компонентами ПК. В частности, они содержат в себе контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти, микросхемы управления памятью и шиной — все те компоненты, которые в оригинальной IBM РС были собраны на отдельных микросхемах. Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени с СМОЯ- памятью и иногда — контроллер клавиатуры, однако эти блоки могут присутствовать и в виде отдельных микросхем. В последних разработках в состав микросхем наборов для интегрированных плат стали включаться и контроллеры внешних устройств. Тип набора в основном определяет функциональные возможности платы:
● типы поддерживаемых процессоров;
● структуру и объем кэш-памяти;
● возможные сочетания типов и объемов модулей памяти;
● поддержку режимов энергосбережения;
● возможность программной настройки параметров и т. п. Современные системные наборы состоят из двух базовых микросхем с условными именами северный мост (North bridge) и южный мост (South bridge). Северный мост обеспечивает управление четырьмя компонентами: шиной оперативной памяти, интерфейсными шинами PCI, AGP и системной шиной МП, поэтому его иногда называют 4-портовым контроллером. Южный мост имеет в своем составе контроллеры (адаптеры) дисководов, клавиатуры, мыши, управляет интерфейсными шинами IDE/АТА, SCSI, USB, IEEE 1284; его также называют функциональным контроллером.
Наиболее известные наборы микросхем для СП выпускает фирма Intel. Сейчас популярны ее чипсеты 440ВХ, 440GX, 440ZX, 810, 815, 820, 840 и последние, разработанные для МП Pentium 4. Распространены также весьма удачные микросхемы фирмы VIA Technologies — VIA Apollo, фирм Acer Laboratories, Silicon Integrated System и т. д.
В начале 2003 года для МП Pentium 4 выпускались следующие наиболее популярные чипсеты: i850 (850Е), i845 (845D, 845Е, 845PE, 845GE, 845GV), i875 (875Р, 865), SIS 645, VI
A 266.
Типы чипсетов и их модификации различаются типами поддерживаемых микро- процессоров и памяти DRAM (SDRAM, DRDRAM, DDR SDRAM), частотой процессорной шины между мостами (133, 266, 400, 533, 800 МГц), вариантами схем мостов, версиями поддерживаемых протоколов UDMA, AGP, Ethernet, USB, наличием встроенного видеоадаптера и др.
Например, чипсетов i845 для работы с памятью DDR выпущено несколько модификаций:
● i845 поддерживает только память SDRAM — РС133;
● i845D поддерживает DDR133 — РС2100;
● i845E имеет шину 533 МГц и поддерживает DDR;
● i845PE поддерживает DDR — РС2700;
● i845GV поддерживает DDR и встроенную графику, имеет шину AGP;
● i845GE поддерживает DDR и встроенную графику;
● чипсет i875D поддерживает память DDR, i865 — упрощенный вариант i875.
Чипсет i850E поддерживает RDRAM РС1066 и частоту шины 533 МГц, обеспечивая самую производительную (4200 Мбайт/с) на начало 2003 года платформу на основе МП Pentium 4.
Многие новые версии чипсетов поддерживают прямой 2-канальный доступ к памяти, 6 портов USB 2.0 и технологию Hyper-Threading, позволяющую организовать многопроцессорный режим даже при наличии только одного установленного МП (один физический процессор представляется операционной системе как два логических, и она, не видя разницы, направляет потоки как на двухпроцессорную систему).
Сравнительные характеристики некоторых популярных чипсетов представлены в табл. 5.2.
Системная плата имеет разъемы (слоты) для установки определенных модулей оперативной памяти. Для модулей ОЗУ используются 30-, 72- и 168-контактные разъемы и они сгруппированы в 2 — 4 слотах. Слоты с 30 и 72 контактами рассчитаны на модули памяти типа SIMM, которые в новых машинах уже не используются; 168-контактные слоты предназначены для современных модулей DIMM. С точки зрения поддерживаемой оперативной памяти, важными характеристиками СП являются также число слотов памяти, рабочая тактовая частота памяти (например память РС100, PC133 и т. п.), общая емкость поддерживаемой памяти (так, чипсет i815 обеспечивает работу только 512 Мбайт памяти, в то время как 440ВХ, i820 и VIA Apollo — 1024 Мбайт).
На системных платах может размещаться дополнительная кэш-память второго уровня (Cache Level 2), которая предназначена для ускорения процесса обмена данными между процессором и оперативной памятью и служит для временного хранения часто используемых данных и команд, снимая во многих случаях необходимость обращения к более медленной оперативной памяти.
Расположенная непосредственно на материнской плате кэш-память относится, как правило, ко второму уровню, так как во многих процессорах уже имеется встроенная в кристалл кэш-память первого уровня. Объем Cache Level 2 на СП варьируется от 128 до 1024 Кбайт: микросхемы кэш-памяти выполнены в корпусах типа DIP или SOP и устанавливаются либо в соответствующие разъемы DIP-панельки, либо распаиваются непосредственно на плате. Синхронная кэш- память может размещаться в специальных модулях COAST, очень напоминающих модуль SIMM и устанавливаемых в специальный разъем.
Современные модели процессоров Pentium II, Ш и 4 имеют Cache Level 2 на плате самого процессора, поэтому для них кэш-память на материнской плате может отсутствовать. На системной плате (в новых моделях обычно в составе микросхем чипсета) располагается микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), содержащая программы BIOS, необходимые для управления многими компонентами компьютера. BIOS доступна постоянно, независимо от работоспособности внешних компонентов, таких, например, как системные загрузочные диски (назначение BIOS более подробно рассмотрено в разделе «Операционные системы ПК» главы 10). В BIOS есть программа, которая называется System Setup — именно с ее помощью пользователь управляет глубокими настройками системы. В современных материнских платах используются, как правило, микросхемы Flash BIOS, программы в которых могут перезаписываться при помощи специальных средств, что облегчает модернизацию этих программ при появлении новых устройств, которым нужно обеспечить поддержку (например, новых типов микросхем оперативной памяти). У Flash BIOS есть один существенный недостаток. Существует много вирусов, которые, попав в систему, просто стирают все содержимое Flash BIOS, после чего системная плата выходит из строя. Самый известный из подобных вирусов — печально известный «Чернобыль», который испортил очень большое количество компьютеров.
От вирусов можно защититься только одним способом — в System Setup запретить перезапись содержимого BIOS. Если эта опция активизирована, то ни один вирус ничего сделать не сумеет. Важным компонентом, размещенным на системной плате (часто в системном чипсете), является микросхема CMOS-памяти. Она питается от своего локального аккумулятора (батарейки) и поэтому является энергонезависимой (сохраняет информацию при отключении компьютера от сети). Название CMOS произошло от названия технологии исполнения ее элементов. Память хранит информацию о параметрах многих устройств, входящих в ПК. Информация в ней может изменяться по мере необходимости, то есть память отслеживает текущую конфигурацию компьютера, на что не способна микросхема BIOS. Поэтому при загрузке компьютера BIOS берет необходимую для своей работы информацию об изменяемых параметрах компонентов ПК именно из этой памяти. Так, из CMOS-памяти считывается информация об установленном МП, о типах и емкости оперативной и всех видах дисковой памяти, о работоспособности устройств компьютера и т. д. Четкое отслеживание времени (в том числе и календаря), даже в отключенном от энергосети состоянии, также связано с тем, что информация о времени хранится в CMOS-памяти.
На системных платах располагаются также перемычки (джамперы) и DIP-переключатели, используемые для конфигурирования различных компонентов: переключатели используемого напряжения (5 В, 3,5 В и т. д.), переключатели внутренней частоты МП и другие. «Джампер» представляет собой съемную перемычку, устанавливаемую на штырьковые контакты СП; DIP-переключатели это миниатюрные выключатели в DIP-корпусе. В современных компонентах пытаются сократить количество механических переключений, перекладывая их на , автоматические программно-управляемые электронные схемы. Компоненты, которые после установки конфигурируются автоматически, относят к категории Рпр-устройств (PnP — Plug and Play, «Включай и работай»).
В заключение — несколько слов о системной плате ASUS P4T для процессора Pentium 4. Внешний вид этой платы показан на рис. 5.5.
Вот спецификация этой платы с небольшими сокращениями.
● Процессор:
● процессор Intel Pentium 4 (однопроцессорная конфигурация) на разъеме Socket 423 с тактовой частотой 1,4 — 1,5 ГГц и выше;
● системная шина с возможностью передачи данных на частоте 400 МГц.
● Чипсет (функциональная схема чипсета показана на рис. 5.6):
● северный мост: Intel 82850 Memory Controller Hub (МСН);
● южный мост: Intel 82801 I/О Controller Hub 2 (ICH2);
● интерфейс с южным мостом — 8-разрядный, 4 х 66 МГц Hub Interface Микросхема Intel 82802АВ Firmware Hub (FWH).
●Системная память:
● 4 слота RIMM;
● поддержка двух каналов PC800/PC600 RDRAM памяти общей емкостью до 2 Гбайт;
● поддержка ЕСС (Error Checking and Correction) — режима автоматического обнаружения и исправления одиночных битов в хранимых числах (применяется код Хэмминга — глава 20).
Слоты интерфейсов расширения:
● 1 AGP Pro/AGP слот для 66 МГц AGP-интерфейса с поддержкой режима четырехкратного умножения (4х);
● 5 слотов PCI.
Порты ввода-вывода:
● 1 порт для дисковода, 2 последовательных и 1 параллельный порты, порты для мыши и клавиатуры;
● 2 встроенных и 2 дополнительных порта USB. Интегрированный IDE-контроллер:
● 2 канала IDE, поддерживающие протоколы АТА33/66/100 (до четырех ATAP I-устройств).
BIOS:
● 4-мегабитовая Flash ROM;
● Award BIOS с поддержкой Рпр и режима энергосбережения. Форм-фактор:
● Standard АТХ 24,4 х 30,5 см (9,6 х 12,0 дюйма).
Значимость этих данных в плане пропускной способности каждой подсистемы отражена в табл. 5.3.
Итак, при выборе системной платы следует учитывать:
● микропроцессор, который должен быть установлен на плате;
● типоразмер системной платы (должен быть согласован с возможностями системного блока);
● тактовую частоту, на которой работает системная плата;
● набор основных и вспомогательных микросхем (чипсет), обеспечивающих эффективную работу ПК;
● основную, локальные и периферийные шины, с которыми плата может работать, и количество слотов для них;
● наличие или возможность установки кэш-памяти;
● наличие разъемов для подсоединения микросхем (разъем для процессора Over Drive, слоты для микросхем памяти и т. д.).
Внутримашинные системный и периферийный интерфейсы
Интерфейс (interface) — совокупность средств сопряжения и связи, обеспечивающая эффективное взаимодействие систем или их частей. В интерфейсе обычно предусмотрены вопросы сопряжения на механическом (число проводов, элементы связи, типы соединений, разъемы, номера контактов и т. п.) и логическом (сигналы, их длительность, полярность, частоты и амплитуда, протоколы взаимодействия) уровнях. В современных интерфейсах для формирования стандарта подключения устройств к системе широко используются наборы микросхем, генерирующих стандартные сигналы. Это существенно усложняет и удорожает не только сам интерфейс, но и компьютер в целом.
Внутримашинный интерфейс — система связи и сопряжения узлов и блоков компьютера между собой. Представляет собой совокупность электрических линий
связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов. Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса:
● многосвязный интерфейс: каждый блок ПК соединен с прочими блоками своими локальными проводами; многосвязный интерфейс иногда применяется в качестве периферийного интерфейса (для связи с внешними устройствами ПК), дополняющего системный, а в качестве системного — лишь в некоторых простых компьютерах;
● односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину).
В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. Шина (bus) — совокупность линий связи, по которым информация передается одновременно. Под основной, или системной шиной обычно понимается шина между процессором и подсистемой памяти. Шины характеризуются разрядностью и частотой. Структура и состав системной шины были рассмотрены в разделе «Интерфейсная часть MII». Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, то есть максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает разрядность или ширина шины (bus width) — количество линий связи в шине, то есть количество битов, которое может быть передано по шине одновременно. Тактовая частота шины (bus frequency) — частота, с которой передаются последовательные биты информации по линиям связи.
В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:
● шины расширений — шины общего назначения, позволяющие подключать
большое число самых разнообразных устройств;
● локальные шины, часто специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса, преимущественно видеосистем.
В компьютерах широко используются также периферийные шины — интерфейсы для внешних запоминающих и многочисленных периферийных медленно действующих устройств. Сравнительные технические характеристики некоторых шин приведены в табл. 5.4.
● Шина расширения ISA (Industry Standard Architecture — промышленная стандартная архитектура) представлена в двух версиях: для IBM РС/ХТ (1981 год)
и для РС АТ (1984 год). Она использовалась в первом компьютере IBM РС, и тогда это было неофициальное название шины IBM РС/ХТ, позволяющей добавлять в систему различные устройства. Часто возникает путаница относительно ее характеристик, поскольку в новых компьютерах эта шина не применяется, а фирма IBM до 1987 года не публиковала ее полного описания и временных диаграмм сигналов.
● Шина РС/ХТ — 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (каналы DMA — Direct Memory Acce). Шина адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт. Использовалась с МП 8086, 8088.
● Шина РС/АТ — 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц, но может применяться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины способен делить частоту пополам; имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала DMA. Использовалась с МП 80286, совместима и с МП с тактовой частотой больше 66 МГц (коэффициент деления увеличен); увеличено количество линий аппаратных прерываний с 4 до 15 и каналов прямого доступа к памяти (DMA) с 4 до 7. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 Мбайт до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже, около 5,5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования. Конфигурация системы с шиной ISA показана на рис. 5.7.
ISA — основная шина на устаревших материнских платах. С появлением 32-разрядных высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения быстродействия ПК. Раньше с помощью интерфейса ISA подключались такие устройства, как видеокарты, модемы, звуковые карты и т. д. На со- временных материнских платах этот интерфейс либо совсем отсутствует, либо имеется всего 1-2 слота. Конструктивно слот ISA представляет собой разъем, состоящий из двух частей — 62-контактного и примыкающего к нему (в РС АТ) 36-контактного сегментов.
Шина EISA (Extended ISA) — 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, создана в 1989 году как функциональное и конструктивное расширение ISA. Адресное пространство шины 4 Гбайт, работает на частоте 8 — 10 МГц.
Теоретическая пропускная способность шины — 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу, МП — кэш — ОП определяется параметрами микросхем памяти; увеличено число разъемов расширений — теоретически может подключаться до 15 устройств (практически до 10). Улучшена система прерываний, поддерживается Bus Mastering — режим единоличного управления шиной со стороны любо- ro из устройств на шине, имеет систему арбитража для управления доступом устройств к шине. Обеспечивается автоматическое конфигурирование системы и управление DMA. Шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина EISA весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях. Внешне слоты шины на СП имеют такой же вид, как и ISA, и в них могут вставляться платы ISA, но в глубине разъема находятся дополнительные ряды контактов EISA, а платы EISA имеют более высокую ножевую часть разъема с дополнительными рядами контактов.
Шина МСА (Micro Channel Architecture) — 32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987 году для машин PS/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10 — 20 МГц. По своим прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку компьютеры PS/2 не получили широкого распространения, в первую очередь ввиду отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина МСА также используется не очень широко. Второй важной причиной отсутствия спроса на МСА является несовместимость плат адаптеров ISA с МСА. И не последнюю роль сыграл тот факт, что IBM потребовала от всех изготовителей, желающих приобрести права на использование этой шины, заплатить за использование ISA во всех выпущенных ранее компьютерах. Собственно говоря, это и повлекло за собой разработку альтернативы — EISA.
Современные вычислительные системы характеризуются:
● стремительным ростом быстродействия микропроцессоров и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);
● появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например программы обработки графики в Windows, мультимедиа).
В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, поскольку компьютеры стали подолгу «задумываться». Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и т. д.
Сейчас существуют три основных стандарта универсальных локальных шин: VLB, PCI и AGP.
Шина Л.В (VL-bus, VF5A Local Bus) представлена в 1992 году ассоциацией стандартов видеоэлектроники (VESA — торговая марка Video Electronics Standards Association) и поэтому часто ее называют шиной VESA. Шина VLВ, по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже- с жестким диском, платами мультимедиа, сетевым адаптером. Разрядность шины для данных — 32 бита, для адреса — 30, реальная скорость передачи данных по VLB — 80 Мбайт/с, теоретически достижимая — 132 Мбайт/с (в версии 2— 400 Мбайт/с).
Недостатки шины VLВ:
● ориентация только на МП 80386, 80486 (не адаптирована для процессоров класса Pentium);
● жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту до 33 МГц);
● малое количество подключаемых устройств — к шине Л.В может подключаться только 4 устройства;
● отсутствует арбитраж шины — могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, соединение внешних компонентов) — самый распространенный и универсальный интерфейс для подключения различных устройств. Разработана в 1993 году фирмой Intel. Шина PCI является намного более универсальной, чем VLB; допускает подключение до 10 устройств; имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП от 80486 до современных Pentium.
Тактовая частота PCI — 33 МГц, разрядность — 32 разряда для данных и 32 разряда для адреса с возможностью расширения до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-битовом варианте — 264 Мбайт/с. Модификация 2.1 локальной шины PCI работает на тактовой частоте до 66 МГц и при разрядности 64 имеет пропускную способность до 528 Мбайт/с. Осуществлена поддержка режимов Plug and Play, Bus
Mastering и автоконфигурирования адаптеров. Конструктивно разъем шины на системной плате состоит из двух следующих подряд секций по 64 контакта (каждая со своим ключом). С помощью этого интерфейса к материнской плате подключаются видеокарты, звуковые карты, модемы, контроллеры SCSI и другие устройства. Как правило, на материнской плате имеется несколько разъемов PCI. Шина PCI, хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения. Шины расширения ISA, EISA, МСА (а она совместима с ними) при наличии шины PCI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине PC (через интерфейс расширения). Благодаря такому решению шина является независимой от процессора (в отличие от VLB) и может работать параллельно с шиной процессора, не обращаясь к ней за запросами. Таким образом, загрузка шины процессора существенно снижается. Например, процессор работает с системной памятью или с кэш-памятью, а в это время по сети на жесткий диск пишется информация. Конфигурация системы с шиной PCI показана на рис. 5.8.
Шина AGP (Accelerated Graphics Port — ускоренный графический порт) — интерфейс для подключения видеоадаптера к отдельной магистрали AGP, имеющей выход непосредственно на системную память. Разработана шина на основе стандарта PCI ч2.1. Шина AGP может работать с частотой системной шины до 133 МГц и обеспечивает высочайшую скорость передачи графических данных. Ее пиковая пропускная способность в режиме четырехкратного умножения AGP4x (передаются 4 блока данных за один такт) имеет величину 1066 Мбайт/с, а в режиме восьмикратного умножения AGPSx — 2112 Мбайт/с. По сравнению с шиной PCI, в шине AGP устранена мультиплексированность линий адреса и данных (в PCI для удешевления конструкции адрес и данные передаются по одним и тем же линиям) и усилена конвейеризация операций чтения-записи, что позволяет устранить влияние задержек в модулях памяти на скорость выполнения этих операций.
Шина AGP имеет два режима работы: DMA и Execute. В режиме DMA основной памятью является память видеокарты. Графические объекты хранятся в системной памяти, но перед использованием копируются в локальную память карты. Обмен ведется большими последовательными пакетами. В режиме Execute системная память и локальная память видеокарты логически равноправны. Графические объекты не копируются в локальную память, а выбираются непосредственно из системной. При этом приходится выбирать из памяти относительно малые случайно расположенные куски. Поскольку системная память выделяется динамически, блоками по 4 Кбайт, в этом режиме для обеспечения приемлемого быстродействия предусмотрен механизм, отображающий последовательные адреса фрагментов на реальные адреса 4-килобайтовых блоков в системной памяти. Эта процедура выполняется с использованием специальной таблицы (Graphic Address Remapping Table или GART), расположенной в памяти. Интерфейс выполнен в виде отдельного разъема, в который устанавливается AGP-видео- адаптер. Конфигурация системы с шиной AGP показана на рис. 5.9.
Все сказанное выше в отношении шин обобщается в табл. 5А.
Периферийные шины гораздо более разнообразны. Периферийные шины IDE (Integrated Drive Electronics), ATA (АТ Attachment— подключаемый к АТ), ЕШЕ (Enhanced IDE), SCSI (Small Computer System Interface) используются чаще всего в качестве интерфейса только для внешних запоминающих устройств.
Интерфейс АТА, широко известный и под именем Integrated Drive Electronics (IDE), предложен в 1988 году пользователям ПК IBM PC АТ. Он ограничивает емкость одного накопителя 504 Мбайт (по причине организации адресного пространства в традиционной BIOS «головка-цилиндр-сектора 16 головок х 1024 цилиндра х 63 сектора х 512 байт в секторе = 504 Кбайт = 528 482 304 байт) и обеспечивает теоретическую скорость передачи данных 5 — 10 Мбайт/с.
Существует много модификаций и расширений интерфейсов ATA/IDE. Есть интерфейсы АТА с различными номерами, Fast АТА (тоже с номерами), Ultra АТА (и их несколько) и, наконец, EIDE. Есть также IDE-интерфейсы, поддерживающие протоколы ATAPI, DNA и т. д. Многие из приведенных названий официально не утверждены, являются торговыми марками, но тем не менее в литературе встречаются часто. Такая массовость названий связана с тем, что в настоящее время более 90% всех используемых в персональных компьютерах дисковых интерфейсов относятся к категории IDE.
Кратко рассмотрим некоторые модификации. Fast АТА-2 или Enhanced IDE (EIDE — расширенный IDE), использующий как традиционную (но расширенную) адресацию по номерам головки, цилиндра и сектора, так и адресацию логических блоков (Logic Block Address — LBA), поддерживает емкость диска до 2500 Мбайт и скорость обмена до 16,7 Мбайт/с. К адаптеру EIDE, поддерживающему стандарт ATAPI, может подключаться до четырех накопителей, в том числе и CD-ROM, и НКМЛ.
ATAPI (АТА Package Interface) — стандарт, созданный с тем, чтобы напрямую подключать к интерфейсу АТА не только жесткие диски, но и дисководы CD- ROM, стримеры, сканеры и т. д. Версии интерфейса АТА-3 и Ultra АТА обслуживают диски большей емкости, имеют скорость обмена до 33 Мбайт/с, поддерживают технологию SMART (Self Monitoring Analysis and Report Technology— технологию самостоятельного следящего анализа и отчета), позволяющую устройствам сообщать о своих неисправностях, и ряд других сервисов. Современные версии интерфейса АТА/ATAPI-5, АТА/ATAPI-6 по протоколам UDMA/66 и UDMA/100 обеспечивают пиковую пропускную способность 66 и 100 Мбайт/с, соответственно.
UDMA (Ultra Direct Memory Access) — режим прямого доступа к памяти. Обычный метод обмена с жестким диском IDE — это программный ввод-вывод, PIO (Programmed Input/Output), при котором процессор, используя команды ввода-вывода, считывает или записывает данные в буфер жесткого диска, что отнимает какую-то часть процессорного времени. Ввод-вывод путем прямого доступа к памяти идет под управлением самого жесткого диска или его контроллера в паузах между обращениями процессора к памяти, что экономит процессорное время, но несколько снижает максимальную скорость обмена.
На материнских платах реализованы два канала IDE, к каждому из которых возможно подключение до двух устройств.
SCSI (Small Computer System Interface) является более сложным и мощным интерфейсом и широко используется в трех версиях: SCSI-1, SCSI-2 и SCSI-3. Это универсальные периферийные интерфейсы для любых классов внешних устройств. Фактически SCSI является упрощенным вариантом системной шины компьютера, поддерживающим до восьми устройств. Такая организация требует от устройств наличия определенных контроллеров — например, в жестких дисках SCSI все функции кодирования-декодирования, поиска сектора, коррекции ошибок и т. п. возлагаются на встроенную электронику, а внешний SCSI-контроллер выполняет функции обмена данными между устройством и компьютером — часто в автономном режиме, без участия центрального процессора (режимы DMA — прямого доступа к памяти, или Bus Mastering — «захватчика», главного абонента шины). Интерфейсы SCSI-1 имеют 8-битовую шину; SCSI-2 и SCSI-3 — 16- или 32-битовую и рассчитаны на использование в мощных машинах-серверах и рабочих станциях. Существует много различных спецификаций данного интерфейса, отличающихся пиковой пропускной способностью, максимальным числом подключаемых устройств, предельной длиной кабеля. Так, максимальная пропускная способность может достигать 80'и даже 160 Мбайт/с. В интерфейс SCSI: Plug and Play добавлены средства поддержки технологии Plug and Play — автоматическое опознание типа и функционального назначения устройств, настройка без помощи пользователя или при минимальном его участии, возможность замены устройств во время работы и т. п. Все SCSI-устройства управляются специальным SCSI-контроллером, реализованным чаще в виде отдельной платы расширения, устанавливаемой в свободный разъем на материнской плате. Однако выпускаются и материнские платы со встроенными контроллерами SCSI.
RS-232 — интерфейс обмена данными по последовательному коммуникационному порту (СОМ-порту). Управление работой СОМ-портов (число которых ограничено четырьмя) осуществляется специальной микросхемой UART16550A, расположенной на материнской плате. Физически разъем СОМ-порта может быть 25- или 9-контактным. С помощью данного интерфейса осуществляется работа и подключение таких устройств, как внешний модем, мышь и т. д.
IEEE 1284 (Institute of Е1есгпса1 and Electronic Engineers 1284 — стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1284) — стандарт, описывающий спецификации параллельных скоростных интерфейсов SPP (Standard Parallel Port — стандартный параллельный порт), EPP (Enhanced Parallel Port — улучшенный параллельный порт), ECP (Extended Capabilities Port — порт с расширенными возможностями), как правило, используемых для подключения через параллельные порты компьютера (LPT-порты) таких устройств, как принтеры, внешние запоминающие устройства, сканеры, цифровые камеры. Со стороны LPT-порта установлен стандартный разъем DB-25 (25 контактов), а со стороны устройства используется разъем типа Centronics. Контроллер параллельного порта размещен на материнской плате.
Универсальные последовательные периферийные шины
USB (Universal Serial Bus) — новая универсальная последовательная шина. Она, появилась в 1995 году и призвана заменить такие устаревшие интерфейсы, как RS-232 (СОМ-порт) и параллельный интерфейс IEEE 1284 (LPT-порт), то есть прийти на смену последовательным и параллельным клавиатурным и «мышиным» портам — все устройства подключаются к одному разъему, допускающему установку многочисленных устройств с легкостью технологии Plug and Play. Технология Plug and Play — «включай и работай» — позволяет производить «горячую» замену, то есть замену устройств без необходимости выключения и перезагрузки компьютера. После физического подсоединения устройства правильно опознаются и автоматически конфигурируются: USB самостоятельно определяет, что именно подключили к компьютеру, какой драйвер и ресурсы понадобятся устройству, после чего все это выделяет без вмешательства пользователя. Для адекватной работы шины необходима операционная система, которая корректно с ней работает. В данном случае такой ОС является Windows 95 и выше. К шине USB можно одновременно подключить до 127 устройств, практически любых: мониторы, принтеры, сканеры, клавиатуры и т. д. Каждое устройство, подключенное на первом уровне, может работать в качестве коммутатора — то есть к нему, при наличии соответствующих разъемов, могут подключаться еще несколько устройств. Обмен по интерфейсу — пакетный, скорость обмена — 12 Мбит/с. В 2001 году появилась следующая спецификация интерфейса USB 2.0 (начальный стандарт теперь называется USB 1.1), обеспечивающая пропускную способность 480 Мбит/с. Поддерживается также дополнительный подканал со скоростью обмена данными в 1,5 Мбит/с для медленных устройств (клавиатуры, мыши, модема). Шина USB реализует как синхронный (нужный, например, при проведении телеконференций), так и асинхронный режимы передачи данных. Компания Microtune анонсировала шину Cablefree USB — интерфейсы USB 1.1 и 2.0 с Bluetooth- адаптером, позволяющую подключать устройства по оптическому каналу на расстоянии до 30 метров (технология Bluetooth обеспечивает связь даже при отсутствии прямой видимости).
IEEE 1394 (Institute of Е1есгпса1 and Electronic Engineers 1394 — стандарт Института инженеров по электротехнике и электронике 1394) — новый и перспективный последовательный интерфейс, предназначенный для подключения внутренних компонентов компьютера и внешних устройств. IEEE 1394 известен также под именем FireWire — «огненный провод» (хотя это название — собственность Apple и на компьютерах других производителей не применяется, как и цифровой интерфейс iLink компании Sony, также объединенный в стандарте IEEE 1394). Цифровой последовательный интерфейс FireWire характеризуется высокой надежностью и качеством передачи данных, его протокол поддерживает гарантированную передачу критичной по времени информации, обеспечивая прохождение видео- и аудиосигналов в реальном масштабе времени без заметных искажений. При помощи шины FireWire можно подсоединить друг к другу огромное количество различных устройств по технологии Plug and Play и практически в любой конфигурации, чем она выгодно отличается от названных ранее трудно конфигурируемых шин типа SCSI. К одному контроллеру возможно подключение до 63 устройств на один порт с помощью единого шестижильного кабеля.
Пропускная способность интерфейса составляет 100 — 400 Мбит/с, а в будущем ожидается даже 1600 Мбит/с. Этот интерфейс будет использоваться для подключения жестких дисков, дисководов CD-ROM и DVD-ROM, а также высокоскоростных внешних устройств, таких как цифровые видеокамеры, видеомагнитофоны и т. д.
PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association — ассоциация производителей плат памяти для персональных компьютеров) — внешняя шина компьютеров класса ноутбуков. Другое название модуля PCMCIA — PC Card. Шина имеет разрядность 16/26 (данные/адрес, адресное пространство— 64 Мбайт), поддерживает автоконфигурирование, возможно подключение и отключение устройств в процессе работы компьютера. Конструктив — миниатюрный 68-контактный разъем. Контакты питания сделаны более длинными, что позволяет вставлять и вынимать карту при включенном питании компьютера.
ACPI (Advanced Configuration Pomer Interface — расширенный интерфейс конфигурирования и питания) — интерфейс, представляющий собой единую систему
управления питанием для всех компонентов компьютера. Поддерживается новейшими модификациями BIOS материнских плат.
В конце 2000 года группа компаний Working Group (Intel, IBM, Maxtor, Quantum, Seagate и др.) анонсировала новый чрезвычайно эффективный последовательный интерфейс Serial АТА, обеспечивающий пропускную способность 1500 Мбит/с по 8-жильному кабелю (вместо 80-жильного, используемого параллельным АТА). В последующих версиях предполагается увеличение скорости обмена данными до 3000 — 6000 Мбит/с.
Появилась информация и о начале работ над интерфейсом Serial Attached SCSI (SAS).
Начало этого тысячелетия вообще знаменуется кардинальным обновлением интерфейсов ПК. Фирма Intel и ее сподвижники почти все порты (СОМ, LPT, PS/2) и параллельные интерфейсы (ISA, PCI, IDE-АТА) меняют на скоростные последовательные. Уже появились системные платы, использующие только интерфейсы USB, не за горами время, когда мы сможем встретить только интерфейсы Serial ATA.