XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

В настоящее время существует множество различных компьютеров, различающихся по производителю, сложности, назначению и т.д. Основной частью любого компьютера является материнская плата, также её называют системной платой. Современная материнская плата компьютера включает в себя чипсет, который осуществляет взаимодействие центрального процессора с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) и основной оперативной памятью, с портами ввода/вывода, со слотами расширения PCI Express, PCI, обычно с USB, SATA и IDE/ATA. Большинство устройств имеют возможность присоединения к материнской плате с помощью одного или нескольких слотов расширения или сокетов, а некоторые материнские платы могут поддерживать беспроводные устройства, использующие протоколы IrDA, Bluetooth, или WI-FI.

Первая материнская плата была разработана фирмой IBM, и продемонстрирована в августе 1981 года (PC-1). В 1983 году появился компьютер с увеличенной системной платой (PC-2). PC-1 мог поддерживать расширения без использования плат – 64К памяти. PC-2 имел уже 256К, но наиболее важное различие заключалось в программировании двух плат. Системная плата PC-1 не могла без корректировки поддерживать наиболее производительные устройства расширения, жесткий диск и улучшенные видеоадаптеры.

По размерам материнские платы можно разделить на три группы. Раньше все материнские платы имели размеры 8,5/11 дюймов. В XT увеличились на 1 дюйм, в AT размеры увеличились еще больше.

Часто используются green motherboard. Данные системные платы позволяют реализовать несколько видов экономичных режимов энергопотребления. Американское агентство EPA обратило внимание на снижение потребления электроэнергии компьютерными системами. Поскольку современные микропроцессоры используют напряжение питания 3,3-4В, а на плату подается 5В, на системных платах устанавливают преобразователи напряжения.

Микропроцессоры

Архитектура материнской платы напрямую зависит от внешней архитектуры микропроцессора.

В 1976 году фирма Intel начала активную работу над микропроцессором 8086. Размер его регистров по сравнению с 8080 был увеличен в 2 раза, что представило возможность увеличить его производительность в 10 раз. Кроме того, размер информационных шин был увеличен до 16 разрядов, вследствие чего появилась возможность увеличить скорость передачи информации на микропроцессор и с него в два раза. Размер адресной шины был значительно увеличен – до 20 бит. Это позволило 86-му прямо контролировать 1М оперативной памяти.

В 1982 году Intel разработала процессор 80286. Вместо 20-разрядной адресной шины 8088/8086, 80286 имел 24-разрядную шину. Эти дополнительные 4 разряда давали возможность увеличить максимум адресуемой памяти до 16 М.

Intel 80386 был создан в 1985 году. С увеличением шины данных до 32 бит, число адресных линий также было увеличено до 32. Само по себе это расширение позволило микpопpоцессоpу прямо обращаться к 4 Гб физической памяти. Кроме того, он мог работать с 16 триллионами байт виртуальной памяти. Существует модификация процессора Intel80386 – 386SX. Главное отличие его от 80386, это 16-битный вход/выход шины данных. Как следствие, его внутренние регистры заполняются в два шага.

Все процессоры семейства 486 имеют 32-разрядную архитектуру, внутреннюю кэш-память 8 Кб. Модели SX не имеют встроенного сопроцессора, он был вынесен на плату. Модели DX2 реализуют механизм внутреннего удвоения частоты, что позволяет увеличить быстродействие практически в 2 раза, так как эффективность кэширования внутренней кэш-памяти составляет почти 90 процентов.

Разработанные в середине 1989 и 1995 года процессоры Pentium и Pentium Pro значительно отличались архитектурой от своих предшественников. В основу была положена суперскалярная архитектура, которая дала возможность получить пятикратное увеличение производительности Pentium по сравнению с моделью 80486. Pentium проектировался как 32-разрядный, для взаимодействия с остальными компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная шина.

Шина – это канал передачи данных, совместно используемый различными элементами системы. Информация передается по шине в виде групп битов. В состав шины для каждого бита слова может быть предусмотрена отдельная линия (параллельная шина), или все биты слова могут последовательно во времени использовать одну линию (последовательная шина).

Три состояния на шине – это состояния высокого уровня, низкого уровня и 3-е состояние. 3-ее состояние позволяет устройству или процессору отключиться от шины и не влиять на уровни, устанавливаемые на шине другими устройствами или процессорами. Ведущим на шине может являться только одно устройство.

К шине может быть подключено несколько приемных устройств. Сочетание управляющих и адресных сигналов определяет, для чего именно предназначены данные на шине. Управляющая логика активирует специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные.[6]

Шинная организация получила широкое распространение.

Соединение с центральным процессором осуществляется посредством трех шин: шины данных, шины адресов и шины управления.

Шина данных служит для передачи данных между центральным процессором и памятью или центральным процессором и устройствами ввода/вывода. В МП 8088 шина данных имеет ширину 8 разрядов. В МП 8086, 80186, 80286 ширина шины данных 16 разрядов; в МП 80386,80486, Pentium и Pentium Pro – 32 разряда.

Шина адресов используется центральным процессором для выбора необходимой ячейки памяти или устройства ввода/вывода путем установки на шине конкретного адреса, соответствующего одной из ячеек памяти или одного из элементов ввода/вывода, входящих в систему.

По шине управления передаются управляющие сигналы, предназначенные памяти и устройствам ввода/вывода.

Операция на системной магистрали начинается с установки управляющим модулем на шине кодового слова модуля-отправителя и активизирует линию строба отправителя, что позволяет модулю понять, что это отправитель. Затем управляющий модуль устанавливает кодовое слово модуля-получателя и активизирует линию строба получателя, что позволяет модулю определить, что это получатель.

Данные передаются от отправителя получателю в ответ на импульс.

На базе двух этих шин был разработан международный стандарт ISA (Industry Standard Architecture), который широко используется в современных компьютерах. Типовая тактовая частота – 8 МГц. Деление частоты остается функцией контроллеров системных шин, но поскольку произошло дальнейшее увеличение тактовой частоты микропроцессора до 25,33 и 50 МГц,, коэффициент деления был увеличен. Увеличилось количество прерываний (IRQ) и каналов прямого доступа в память, а также функциональных и диагностических возможностей. В тоже время сохранялась преемственность системных шин. Благодаря этому в новых системах есть возможность использования разработанных ранее контроллеров и карт. Теоретическая пропускная способность шины – 16 Мбайт/сек. На практике она гораздо ниже, поскольку обмен данными по шине производится за три такта работы процессора. Для слотов расширения на материнской плате компьютеров с шиной ISA-16 монтируется стандартная пара разъемов с числом контактов 62+36, а на шине ISA-8 устанавливается разъемы с 64-контактами.[5]

С появлением 32-разрядных микропроцессоров 80386 (версия DX) фирмами Compaq, NEC и рядом других была создана 32-разрядная шина EISA (Extended ISA), полностью совместимая c ISA. Преемственность EISA с ISA обеспечивается использованием “двухэтажного” разъема. Первый “этаж” – стандартная шина ISA, что позволяет использовать ISA контролеры и карты, разработанные как для ISA-16, так и для ISA-8. Шина EISA позволяет автоматически осуществлять конфигурацию и арбитраж запросов на обслуживание (bus mastering), что отличает ее от шины ISA.

Локальной шиной (local bus) обычно называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора, т.е. это шина процессора. Разработки локальной шины велись разными фирмами параллельно, но в итоге была создана ассоциация стандартов видео оборудования – Video Equipment Standard Association (VESA). Первая спецификация на стандарт локальной шины появилась в 1992 году. Многие разработки были позаимствованы из архитектуры локальной шины 80486. Были разработаны только новый протокол обработки сигналов и топология разъемов. Достоинствами VLB является высокая скорость обмена информацией, однако может возникнуть зависимость от частоты работы процессора. Электрическая нагрузка не позволяет подключать более трех плат. С середины 1993 года ассоциацию VESA покинул ряд производителей во главе с Intel. Эти фирмы создали специальную группу для разработки нового альтернативного стандарта, названную Peripheral Component Interconnect (PCI).

Большинство логических элементов компьютера разработано таким образом, чтобы была обеспечена их синхронная работа по определенным тактовым сигналам.

В первых компьютерах использовалась микросхема контроллера прерываний i8259, которая имеет 8 входов для сигналов прерываний.

Во всех компьютерах используется память нескольких видов. Память делится на два вида: внутреннюю и внешнюю. В компьютерных системах работа с памятью основана на простых концепциях сохранения одного бита информации так, чтобы потом он мог быть извлечен оттуда.[3]

В настоящее время широкое распространение получили устройства динамической памяти, способные сохранять электрический заряд (конденсаторы). На первый взгляд конденсатор не удовлетворяет основному требованию устройств памяти: он не способен сохранять заряд в течение длительного промежутка времени, но он позволяет делать это в течение нескольких миллисекунд, которых вполне достаточно, чтобы использовать его. За это время специальные цепи компьютера обеспечивают подзарядку конденсатора, то есть обновляют информацию. Из-за непрерывности этого процесса такая память называется динамической.

В современных персональных компьютерах динамическая память реализуется на базе специальных цепей проводников, заменивших обычные конденсаторы. Большое количество таких цепей объединяются в корпусе одного динамического чипа. Однако аналогично памяти на конденсаторах, она должна постоянно обновляться.[2]

Кроме оперативной памяти существует постоянная память (ПЗУ). Ее главное отличие от ОЗУ – невозможность в процессе работы изменить состояние ячеек ПЗУ. В свою очередь эта память делится на постоянную и репрограммируемую. Принципы ее функционирования понятны из названия.

Эволюция микросхем ОЗУ вплотную связана с эволюцией персональных компьютеров. Для успеха настольных компьютеров требовались миниатюрные чипы ОЗУ. По мере увеличения емкости памяти цена скачкообразно возрастала, но потом постоянно уменьшалась по мере отработки технологии и роста объемов производства.

Первые PC были реализованы на стандартных RAM-чипах по 16 Кбит. Каждому биту соответствовал свой собственный адрес.

К 1984 году был сделан еще один шаг по увеличению объема памяти в одном корпусе – появились 256-Кбитные микросхемы. RAM чипы этого номинала были установлены на первых AT. Сегодня микросхемы в 8 и 16 Мбайт стали обычным явлением.[1]

PC имел довольно простую архитектуру памяти, по крайней мере, по сравнению с последними достижениями компьютерной индустрии. Память PC была представлена в виде одного блока, в котором каждый байт был доступен по указанию его адреса.

Не всякая кэш-память равнозначна. Большое значение имеет тот факт, как много информации может содержать кэш-память. Чем больше кэш-память, тем больше информации может быть в ней размещено, тем больше вероятность, что нужный байт будет содержаться в этой быстрой памяти. Очевидно, что самый лучший вариант, когда объём кэш-памяти соответствует объему всей оперативной памяти. В этом случае вся остальная память перестает быть необходимой. Противоположная ситуация – 1 байт кэш-памяти – тоже не имеет практического значения, так как вероятность того, что нужная информация окажется в этом байте, стремится к нулю. Практически, диапазон используемой кэш-памяти колеблется в пределах 16-64К.[4]

Целостность памяти – одна из самых больших проблем разработчиков кэш-памяти. Все вопросы по решению этих проблем были возложены на отдельную микросхему – кэш-контроллер Intel82385.

Еще одна разновидность архитектуры оперативной памяти компьютера – ее разбивка на отдельные секции и работа с этими секциями как с малой кэш-памятью. Большая скорость доступа к ограниченным областям памяти является особенностью некоторых специфических микросхем, которые позволяют некоторому объему, но не всей памяти, быть считанному без цикла ожидания.

Следующая интересная технология, названная interleaved memory, очень похожа на ОЗУ страничного режима. Она значительно повышает скорость обращения к памяти, но не имеет ограничений по страничной разбивке. При использовании этой технологии вся оперативная память делится на два или большее число банков. Последовательность битов хранится в разных банках, поэтому микропроцессор обращается то к одному, то к другому банку при чтении этой последовательности.

Список использованных источников:

Бройдо, В.Л. Архитектура ЭВМ и систем: учебник для вузов/ В.Л.Бройдо, О.П.Ильина. – Санкт-Петербург: Питер, 2006. – 718 с. – Текст: непосредственный.

Материнская плата: устройство и назначение. - Режим доступа: свободный. – URL: all-ht.ru (дата обращения: 17.12.2019). - Текст: электронный.

Новиков, Ю. Персональные компьютеры: аппаратура, системы, Интернет: учебный курс / Ю. Новиков, А.Черепанов. – Санкт-Петербург: Питер, 2001. – 464 с. - Текс: непосредственный.

Унру, Н.Э. Основы организации ЭВМ и систем: учебное пособие / Н.Э.Унру. – Новосибирск: СГГА, 1999. – 113 с.- Текс: непосредственный.

Чипсеты системных плат. – Режим доступа: свободный. – URL: http://studopedia.org/3-136492.html (дата обращения: 17.12.2019). - Текст: электронный.

Код для цитирования: Скопировать