Доклад: Развитие архитектуры материнских плат для PC. Реферат развитие компьютерной архитектуры

Развитие компьютерной архитектуры

Количество просмотров публикации Развитие компьютерной архитектуры - 849

Изобретение операционной системы

Количество и природа уровней могут меняться, т.к. аппаратное и программное обеспечение логически эквивалентны.

Любая операция, выполняемая программным обеспечением, должна быть реализована аппаратным обеспечением. Конечно, обратное тоже верно: любая команда, выполняемая аппаратным обеспечением, должна быть смоделирована программно. Решение разделить функции аппаратного и программного обеспечения основано на таких факторах, как стоимость, быстродействие, надежность, частота ожидаемых изменений.

В случае если программист хотел запустить программу на языке FORTRAN, ему крайне важно было пройти следующие этапы:

1. Он подходил к шкафу, где находилась библиотека программ, брал большую зелœеную стопку перфокарт с надписью ʼʼКомпилятор FORTRANʼʼ, помещал их в считывающее устройство и нажимал кнопку ʼʼПускʼʼ.

2. Он помещал стопку карточек со своей программой, написанной на языке FORTRAN, в считывающее устройство и нажимал кнопку ʼʼПродолжитьʼʼ. Программа считывалась.

3. В конце концов трансляция завершалась. Программист часто становился очень нервным, потому что если компилятор находил ошибку в программе, ему приходилось исправлять ее и начинать процесс ввода программы заново. В случае если ошибок не было, компилятор выдавал в виде перфокарт программу на машинном языке.

4. Тогда программист помещал эту программу на машинном языке в устройство считывания вместе с пачкой перфокарт из библиотеки подпрограмм и загружал обе эти программы.

5. Начиналось выполнение программы. В большинстве случаев она не работала, неожиданно останавливаясь в серединœе. Обычно в данном случае программист делал распечатку содержания памяти, что называлось разгрузкой оперативного запоминающего устройства, и брал эту распечатку домой для изучения.

Автоматизировать работу оператора могла программа под названием операционная система, которая загружалась в компьютер на всœе время его работы. В последующие годы операционные системы всœе больше и больше усложнялись. К уровню архитектуры набора команд добавлялись новые команды, приспособления и особенности, и в конечном итоге сформировался новый уровень. Первые операционные системы считывали пачки перфокарт и распечатывали результат на принтере, однако этого приходилось ждать до нескольких часов.

Первым человеком, создавшим счетную машину, был французский ученый Блез Паскаль (1623-1662), в честь которого назван один из языков программирования. Паскаль сконструировал эту машину в 1642 году, когда ему было всœего 19 лет, для своего отца, сборщика налогов. Это была механическая конструкция с шестеренками и ручным приводом. Счетная машина Паскаля могла выполнять только операции сложения и вычитания.

Тридцать лет спустя великий немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) построил другую механическую машину, которая помимо сложения и вычитания могла выполнять операции умножения и делœения. В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с четырьмя функциями

Первое поколение — электронные лампы (1945-1955)

Второе поколение — транзисторы (1955-1965)

Третье поколение — интегральные схемы (1965-1980)

Четвертое поколение — сверхбольшие интегральные схемы (1980-?)

Пятое поколение — невидимые компьютеры(интегрированные)

Логическую организацию ЭВМ независимо от ее элементной базы 1945 году представил математик Джон фон Нейман. Архитектура универсальной ЭВМ фон Неймана предусматривается пять базовых компонентов:

1. Центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ).

2. Центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всœех базовых устройств ЭВМ.

3. Запоминающее устройство (ЗУ).

4. Система ввода информации.

5. Система вывода информации.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов. Каждый комплект содержал печатную плату, набор интегральных схем, обычно включающий схему Intel 8080, несколько кабелœей, источник питания и иногда 8-дюймовый дисковод. Сложить из этих частей компьютер покупатель должен был сам. Программное обеспечение к компьютеру не прилагалось. Покупателю приходилось писать программное обеспечение самому. Позднее появилась операционная система СР/М, написанная Гари Килдаллом (Gary Kildall) для Intel 8080. Эта действующая операционная срютема помещалась на дискету, она включала в себя систему управления файлами и интерпретатор для выполнения пользовательских команд, которые набирались с клавиатуры.

Еще один персональный компьютер, Apple (а позднее и Apple II), был разработан Стивом Джобсом (Steve Jobs) и Стивом Возняком (Steve Wozniak). Этот компьютер стал чрезвычайно популярным среди домашних пользователœей и школ, что в мгновение ока сделало компанию Apple серьезным игроком на рынке.

Наблюдая за тем, чем занимаются другие компании, компания IBM, лидирующая тогда на компьютерном рынке, тоже решила заняться производством персональных компьютеров. Но вместо того, чтобы конструировать компьютер на базе отдельных компонентов IBM ʼʼс нуляʼʼ, что заняло бы чересчур много времени, компания предоставила одному из своих работников, Филипу Эстриджу (Philip Estridge), большую сумму денег, приказала ему отправиться куда-нибудь подальше от вмешивающихся во всœе бюрократов главного управления компании, находящегося в Армонке (шт. Нью-Йорк), и не возвращаться, пока не будет создан действующий персональный компьютер. Размещено на реф.рфЭстридж открыл предприятие достаточно далеко от главного управления компании (во Флориде), взял Intel 8088 в качестве центрального процессора и создал персональный компьютер из разнородных компонентов. Этот компьютер (IBM PC) появился в 1981 году и стал самым покупаемым компьютером в истории.

Первая версия IBM PC была оснащена операционной системой MS-DOS, которую выпускала тогда еще крошечная корпорация Microsoft. IBM и Microsoft совместно разработали последовавшую за MS-DOS операционную систему OS/2, характерной чертой которой был графический пользовательский интерфейс (Graphical User Interface, GUI), сходный с интерфейсом Apple Macintosh. Между тем компания Microsoft также разработала собственную операционную систему Windows, которая работала на базе MS-DOS, на случай, в случае если OS/2 не будет иметь спроса. OS/2 действительно не пользовалась спросом, a Microsoft успешно продолжала выпускать операционную систему Windows, что послужило причиной грандиозного раздора между IBM и Microsoft. Легенда о том, как крошечная компания Intel и еще более крошечная, чем Intel, компания Microsoft умудрились свергнуть IBM, одну из самых крупных, самых богатых и самых влиятельных корпораций в мировой истории, подробно излагается в бизнес-школах всœего мира.

Первоначальный успех процессора 8088 воодушевил компанию Intel на его дальнейшие усовершенствования. Особо примечательна версия 386, выпущенная в 1985 году, — это первый представитель линœейки Pentium. Современные процессоры Pentium гораздо быстрее процессора 386, но с точки зрения архитектуры они просто представляют из себяего более мощные версии.

При этом компания IBM сделала одну вещь, о которой позже пожалела. Вместо того чтобы держать проект машины в секрете (или, по крайней мере, оградить себя патентами), как она обычно делала, компания опубликовала полные проекты, включая всœе электронные схемы, в книге стоимостью 49 долларов. Эта книга была опубликована для того, чтобы другие компании могли производить сменные платы для IBM PC, что повысило бы совместимость и популярность этого компьютера. К несчастью для IBM, как только проект IBM PC стал широко известен, многие компании начали делать клоны PC и часто продавали их гораздо дешевле, чем IBM (поскольку всœе составные части компьютера можно было легко приобрести). Так началось бурное производство персональных компьютеров.

Вопросы и задания

1. Объясните следующие термины своими словами: 1) транслятор;

2) интерпретатор;

2. Чем отличается интерпретация от трансляции?

3. В каком смысле аппаратное и программное обеспечение эквивалентны? В каком они не эквивалентны?

4. Назовите три бытовых устройства, в которые имеет смысл устанавливать встроенные процессоры.

5. Напишите краткое резюме о трех исследователях, которые, по вашему мнению, оказали наибольшее влияние на эволюцию аппаратного обеспечения компьютеров до их современного состояния; объясните, почему вы выбрали именно их.

6. Напишите аналогичное резюме относительно программного обеспечения.

referatwork.ru

Развитие компьютерной архитектуры

Количество просмотров публикации Развитие компьютерной архитектуры - 360

Изобретение операционной системы

Количество и природа уровней могут меняться, т.к. аппаратное и программное обеспечение логически эквивалентны.

Любая операция, выполняемая программным обеспечением, должна быть реализована аппаратным обеспечением. Конечно, обратное тоже верно: любая команда, выполняемая аппаратным обеспечением, должна быть смоделирована программно. Решение разделить функции аппаратного и программного обеспечения основано на таких факторах, как стоимость, быстродействие, надежность, частота ожидаемых изменений.

В случае если программист хотел запустить программу на языке FORTRAN, ему крайне важно было пройти следующие этапы:

1. Он подходил к шкафу, где находилась библиотека программ, брал большую зелœеную стопку перфокарт с надписью ʼʼКомпилятор FORTRANʼʼ, помещал их в считывающее устройство и нажимал кнопку ʼʼПускʼʼ.

2. Он помещал стопку карточек со своей программой, написанной на языке FORTRAN, в считывающее устройство и нажимал кнопку ʼʼПродолжитьʼʼ. Программа считывалась.

3. В конце концов трансляция завершалась. Программист часто становился очень нервным, потому что если компилятор находил ошибку в программе, ему приходилось исправлять ее и начинать процесс ввода программы заново. В случае если ошибок не было, компилятор выдавал в виде перфокарт программу на машинном языке.

4. Тогда программист помещал эту программу на машинном языке в устройство считывания вместе с пачкой перфокарт из библиотеки подпрограмм и загружал обе эти программы.

5. Начиналось выполнение программы. В большинстве случаев она не работала, неожиданно останавливаясь в серединœе. Обычно в данном случае программист делал распечатку содержания памяти, что называлось разгрузкой оперативного запоминающего устройства, и брал эту распечатку домой для изучения.

Автоматизировать работу оператора могла программа под названием операционная система, которая загружалась в компьютер на всœе время его работы. В последующие годы операционные системы всœе больше и больше усложнялись. К уровню архитектуры набора команд добавлялись новые команды, приспособления и особенности, и в конечном итоге сформировался новый уровень. Первые операционные системы считывали пачки перфокарт и распечатывали результат на принтере, однако этого приходилось ждать до нескольких часов.

Первым человеком, создавшим счетную машину, был французский ученый Блез Паскаль (1623-1662), в честь которого назван один из языков программирования. Паскаль сконструировал эту машину в 1642 году, когда ему было всœего 19 лет, для своего отца, сборщика налогов. Это была механическая конструкция с шестеренками и ручным приводом. Счетная машина Паскаля могла выполнять только операции сложения и вычитания.

Тридцать лет спустя великий немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) построил другую механическую машину, которая помимо сложения и вычитания могла выполнять операции умножения и делœения. В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с четырьмя функциями

Первое поколение — электронные лампы (1945-1955)

Второе поколение — транзисторы (1955-1965)

Третье поколение — интегральные схемы (1965-1980)

Четвертое поколение — сверхбольшие интегральные схемы (1980-?)

Пятое поколение — невидимые компьютеры(интегрированные)

Логическую организацию ЭВМ независимо от ее элементной базы 1945 году представил математик Джон фон Нейман. Архитектура универсальной ЭВМ фон Неймана предусматривается пять базовых компонентов:

1. Центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ).

2. Центральное устройство управления (УУ), ответственное за функционирование всœех базовых устройств ЭВМ.

3. Запоминающее устройство (ЗУ).

4. Система ввода информации.

5. Система вывода информации.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов. Каждый комплект содержал печатную плату, набор интегральных схем, обычно включающий схему Intel 8080, несколько кабелœей, источник питания и иногда 8-дюймовый дисковод. Сложить из этих частей компьютер покупатель должен был сам. Программное обеспечение к компьютеру не прилагалось. Покупателю приходилось писать программное обеспечение самому. Позднее появилась операционная система СР/М, написанная Гари Килдаллом (Gary Kildall) для Intel 8080. Эта действующая операционная срютема помещалась на дискету, она включала в себя систему управления файлами и интерпретатор для выполнения пользовательских команд, которые набирались с клавиатуры.

Еще один персональный компьютер, Apple (а позднее и Apple II), был разработан Стивом Джобсом (Steve Jobs) и Стивом Возняком (Steve Wozniak). Этот компьютер стал чрезвычайно популярным среди домашних пользователœей и школ, что в мгновение ока сделало компанию Apple серьезным игроком на рынке.

Наблюдая за тем, чем занимаются другие компании, компания IBM, лидирующая тогда на компьютерном рынке, тоже решила заняться производством персональных компьютеров. Но вместо того, чтобы конструировать компьютер на базе отдельных компонентов IBM ʼʼс нуляʼʼ, что заняло бы чересчур много времени, компания предоставила одному из своих работников, Филипу Эстриджу (Philip Estridge), большую сумму денег, приказала ему отправиться куда-нибудь подальше от вмешивающихся во всœе бюрократов главного управления компании, находящегося в Армонке (шт. Нью-Йорк), и не возвращаться, пока не будет создан действующий персональный компьютер. Размещено на реф.рфЭстридж открыл предприятие достаточно далеко от главного управления компании (во Флориде), взял Intel 8088 в качестве центрального процессора и создал персональный компьютер из разнородных компонентов. Этот компьютер (IBM PC) появился в 1981 году и стал самым покупаемым компьютером в истории.

Первая версия IBM PC была оснащена операционной системой MS-DOS, которую выпускала тогда еще крошечная корпорация Microsoft. IBM и Microsoft совместно разработали последовавшую за MS-DOS операционную систему OS/2, характерной чертой которой был графический пользовательский интерфейс (Graphical User Interface, GUI), сходный с интерфейсом Apple Macintosh. Между тем компания Microsoft также разработала собственную операционную систему Windows, которая работала на базе MS-DOS, на случай, в случае если OS/2 не будет иметь спроса. OS/2 действительно не пользовалась спросом, a Microsoft успешно продолжала выпускать операционную систему Windows, что послужило причиной грандиозного раздора между IBM и Microsoft. Легенда о том, как крошечная компания Intel и еще более крошечная, чем Intel, компания Microsoft умудрились свергнуть IBM, одну из самых крупных, самых богатых и самых влиятельных корпораций в мировой истории, подробно излагается в бизнес-школах всœего мира.

Первоначальный успех процессора 8088 воодушевил компанию Intel на его дальнейшие усовершенствования. Особо примечательна версия 386, выпущенная в 1985 году, — это первый представитель линœейки Pentium. Современные процессоры Pentium гораздо быстрее процессора 386, но с точки зрения архитектуры они просто представляют из себяего более мощные версии.

При этом компания IBM сделала одну вещь, о которой позже пожалела. Вместо того чтобы держать проект машины в секрете (или, по крайней мере, оградить себя патентами), как она обычно делала, компания опубликовала полные проекты, включая всœе электронные схемы, в книге стоимостью 49 долларов. Эта книга была опубликована для того, чтобы другие компании могли производить сменные платы для IBM PC, что повысило бы совместимость и популярность этого компьютера. К несчастью для IBM, как только проект IBM PC стал широко известен, многие компании начали делать клоны PC и часто продавали их гораздо дешевле, чем IBM (поскольку всœе составные части компьютера можно было легко приобрести). Так началось бурное производство персональных компьютеров.

Вопросы и задания

1. Объясните следующие термины своими словами: 1) транслятор;

2) интерпретатор;

2. Чем отличается интерпретация от трансляции?

3. В каком смысле аппаратное и программное обеспечение эквивалентны? В каком они не эквивалентны?

4. Назовите три бытовых устройства, в которые имеет смысл устанавливать встроенные процессоры.

5. Напишите краткое резюме о трех исследователях, которые, по вашему мнению, оказали наибольшее влияние на эволюцию аппаратного обеспечения компьютеров до их современного состояния; объясните, почему вы выбрали именно их.

6. Напишите аналогичное резюме относительно программного обеспечения.

referatwork.ru

2 Развитие многоуровневых машин

Програм­мы, написанные на машинном языке (уровень 1), могут сразу без применения интерпретаторов и трансляторов выполняться электронными схемами компью­тера (уровень 0). Эти электронные схемы вместе с памятью и средствами вво­да-вывода формируют аппаратное обеспечение. Аппаратное обеспечение состо­ит из осязаемых объектов – интегральных схем, печатных плат, кабелей, источников электропитания, модулей памяти и принтеров. Абстрактные поня­тия, алгоритмы и команды к аппаратному обеспечению не относятся.

Программное обеспечение, напротив, состоит из алгоритмов (подробных по­следовательностей команд, которые описывают, как решить задачу) и их компь­ютерных представлений, то есть программ. Программы могут храниться на жест­ком диске, гибком диске, компакт-диске или других носителях, но это не так уж важно; в сущности, программное обеспечение – это набор команд, составляю­щих программы, а не физические носители, на которых эти программы записаны.

В самых первых компьютерах граница между аппаратным и программным обес­печением была очевидна. Со временем, однако, произошло значительное размы­вание этой границы, в первую очередь благодаря тому, что в процессе развития компьютеров уровни добавлялись, убирались и сливались друг с другом. В на­стоящее время очень сложно отделить их друг от друга.

2.5 Развитие компьютерной архитектуры

В ходе эволюции компьютерных технологий были разработаны сотни разных компьютеров. Многие из них давно забыты, в то время как влияние других на современные идеи оказалось весьма значительным.

Таблица – Основные этапы развития компьютеров

Нулевое поколение – механические компьютеры (1642-1945)

Первым человеком, создавшим счетную машину, был французский ученый Блез Паскаль (1623-1662), в честь которого назван один из языков программирова­ния. Паскаль сконструировал эту машину в 1642 году, когда ему было всего 19 лет, для своего отца, сборщика налогов. Это была механическая конструкция с шестеренками и ручным приводом. Счетная машина Паскаля могла выполнять только операции сложения и вычитания.

Тридцать лет спустя великий немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) построил другую механическую машину, которая помимо сложения и вычитания могла выполнять операции умножения и деления. В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с четырьмя функциями.

Еще через 150 лет профессор математики Кембриджского Университета, Чарльз Бэббидж (1792-1871), разработал и сконструировал разностную машину. Эта механическая машина, которая, как и машина Паскаля, могла лишь складывать и вычитать, подсчитывала таблицы чисел для морской навигации. У этой машины был довольно интересный способ вывода информации: результаты выдавливались стальным штампом на медной дощечке, что предвосхитило более поздние средства ввода-вывода – перфокарты и компакт-диски.

Хотя его устройство работало довольно неплохо, Бэббиджу вскоре наскучила машина, выполнявшая только один алгоритм. Он потратил очень много времени, большую часть своего семейного состояния и еще 17 000 фунтов, выделенных пра­вительством, на разработку аналитической машины. У аналитической машины было 4 компонента: запоминающее устройство (память), вычислительное устрой­ство, устройство ввода (для считывания перфокарт), устройство вывода (перфо­ратор и печатающее устройство). Память состояла из 1000 слов по 50 десятичных разрядов; каждое из слов содержало переменные и результаты. Вычислительное устройство принимало операнды из памяти, затем выполняло операции сложения, вычитания, умножения или деления и возвращало полученный результат обратно в память. Как и разностная машина, это устройство было механическим.

Преимущество аналитической машины заключалось в том, что она могла вы­полнять разные задания. Она считывала команды с перфокарт и выполняла их. Некоторые команды приказывали машине взять 2 числа из памяти, перенести их в вычислительное устройство, выполнить над ними операцию (например, сло­жить) и отправить результат обратно в запоминающее устройство. Другие ко­манды проверяли число, а иногда совершали операцию перехода в зависимости от того, положительное оно или отрицательное. Если в считывающее устройство вводились перфокарты с другой программой, то машина выполняла другой на­бор операций. То есть в отличие от разностной, аналитическая машина могла вы­полнять несколько алгоритмов.

Поскольку аналитическая машина программировалась на элементарном ас­семблере, ей было необходимо программное обеспечение. Чтобы создать это про­граммное обеспечение, Бэббидж нанял молодую женщину – Аду Августу Ловлейс, дочь знаменитого британского поэта Байрона. Ада Ловлейс была первым в мире программистом. В ее честь назван современный язык программирования – Ада.

В конце 30-х годов немец Конрад Зус сконструировал несколь­ко автоматических счетных машин с использованием электромагнитных реле. Ему не удалось получить денежные средства от правительства на свои разработ­ки, потому что началась война. Зус ничего не знал о работе Бэббиджа, его маши­ны были уничтожены во время бомбежки Берлина в 1944 году, поэтому его рабо­та никак не повлияла на будущее развитие компьютерной техники. Однако он был одним из пионеров в этой области.

Немного позже счетные машины были сконструированы в Америке. Машина Джона Атанасова была чрезвычайно развитой для того времени. В ней использовалась бинарная арифметика и информационные емкости, кото­рые периодически обновлялись, чтобы избежать уничтожения данных. К несчастью, эта машина так и не стала действующей.

Компьютер Джорджа Стибитса действительно работал, хотя и был примитивнее, чем машина Атанасова. Стибитс продемонстрировал свою машину на конференции в Дартмутском колледже в 1940 году. На этой конфе­ренции присутствовал Джон Моушли, ничем не примечатель­ный на тот момент профессор физики из университета Пенсильвании. Позднее он стал очень известным в области компьютерных разработок.

Первое поколение – электронные лампы (1945-1955)

Стимулом к созданию электронного компьютера стала Вторая мировая война. В начале войны германские подводные лодки разрушали британские корабли. Германские адмиралы посылали на подводные лодки по радиокомандам, и хотя англичане могли перехватывать эти команды, проблема была в том, что радио­граммы были закодированы с помощью прибора под названием ENIGMA.

В начале войны англичанам удалось приобрести ENIGMA. Однако, чтобы расшифровать закодиро­ванное послание, требовалось огромное количество вычислений, и их нужно было произвести сразу после перехвата радиограммы. Поэтому британское правитель­ство основало секретную лабораторию для создания электронного компьютера под названием COLOSSUS. В создании этой машины принимал участие знамени­тый британский математик Алан Тьюринг. COLOSSUS работал уже в 1943 году, но, так как британское правительство полностью контролировало этот проект и рассматривало его как военную тайну на протяжении 30 лет, COLOSSUS не стал базой для дальнейшего развития компьютеров.

Вторая мировая война повлияла на развитие компьютерной техники и в США. Армии нужны были таблицы, которые использовались при нацеливании тяже­лой артиллерии. Сотни женщин нанимались для расчетов на ручных счетных машинах и заполнения полей этих таблиц (считалось, что женщины аккуратнее в расчетах, чем мужчины). Тем не менее, этот процесс требовал много времени, и часто случались ошибки.

Джон Моушли, который был знаком с работами Атанасова и Стибблитса, по­нимал, что армия заинтересована в счетных машинах. Он потребовал от армии финансирования работ по созданию электронного компьютера. Требование было удовлетворено в 1943 году, и Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом начали конструировать электронный компьютер, который они назвали ENIAC. ENIAC состоял из 18 000 электровакуум­ных ламп и 1500 реле, весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии. У машины было 20 регистров, каждый из которых мог содержать 10-разрядное десятичное число. В ENIAC было установлено 6000 многоканальных пе­реключателей и имелось множество кабелей, протянутых к разъемам. Работа над машиной была закончена в 1946 году, когда она уже была не нуж­ной – по крайней мере, для достижения первоначально поставленных целей.

Поскольку война закончилась, Моушли и Экерту позволили организовать школу, где они рассказывали о своей работе коллегам-ученым. В этой школе и зародился интерес к созданию больших цифровых компьютеров.

После появления школы за конструирование электронных вычислительных машин взялись другие исследователи.

В то время как Экерт и Моушли работали над машиной EDVAC, один из уча­стников проекта ENIAC, Джон Фон Нейман, поехал в Институт специальных исследований в Принстоне, чтобы сконструировать собственную версию EDVAC под названием IAS.

Фон Нейман вскоре осознал, что создание компьютеров с большим количест­вом переключателей и кабелей требует длительного времени и очень утомительно. Он пришел к мысли, что программа должна быть представлена в памяти компь­ютера в цифровой форме, вместе с данными. Он также отметил, что десятичная арифметика, используемая в машине ENIAC, где каждый разряд представлялся десятью электронными лампами (1 включена и 9 выключены), должна быть за­менена параллельной бинарной арифметикой.

Основной проект, который фон Нейман описал вначале, известен сейчас как фон-неймановская вычислительная машина. Он был использован в EDSAC, первой машине с программой в памяти, и даже сейчас, более чем полвека спустя, является основой большинства современных цифровых компьютеров. Сам замы­сел и машина IAS оказали очень большое влияние на дальнейшее развитие ком­пьютерной техники, поэтому стоит кратко описать проект фон Неймана. Стоит иметь в виду, что хоть проект и связан с именем Фон-Неймана, в его разработке приняли деятельное участие другие ученые – в частности, Голдстайн. Архитек­туру этой машины иллюстрирует рисунок 2.

Рисунок 2 – Схема Фон-Неймана.

Машина Фон-Неймана состояла из пяти основных частей: памяти, арифмети­ко-логического устройства, устройства управления, а также устройств ввода-вы­вода. Память включала 4096 слов размером по 40 бит, бит – это 0 или 1. Каждое слово содержало или 2 команды по 20 бит, или целое число со знаком на 40 бит. 8 бит указывали на тип команды, а остальные 12 бит определяли одно из 4096 слов. Арифметический блок и блок управления составляли «мозговой центр» компьютера. В современных машинах эти блоки сочетаются в одной мик­росхеме, называемой центральным процессором (ЦП).

Внутри арифметико-логического устройства находился особый внутренний регистр на 40 бит, так называемый аккумулятор. Типичная команда добавляла слово из памяти в аккумулятор или сохраняла содержимое аккумулятора в па­мяти. Эта машина не выполняла арифметические операции с плавающей точкой, поскольку Фон Нейман считал, что любой сведущий математик способен дер­жать плавающую точку в голове.

Второе поколение – транзисторы (1955-1965)

Транзистор был изобретен сотрудниками лаборатории Веll в 1955 году. В течение десяти лет транзисторы совершили револю­цию в производстве компьютеров, и к концу 50-х годов компьютеры на вакуум­ных лампах уже безнадежно устарели. Первый компьютер на транзисторах был построен в лаборатории МТИ.

Через несколько лет компания DEC разработала модель PDP-8. Главное нововведение – единственная шина, показанная на рисунке. Шина – это набор параллельно соединенных проводов для связи компонентов компьютера. Такая струк­тура с тех пор стала использоваться во всех компьютерах.

Рисунок – Шина компьютера PDP-8

Третье поколение – интегральные схемы (1965-1980)

Изобретение в 1958 году Робертом Нойсом кремниевой инте­гральной схемы означало возможность размещения на одной небольшой микро­схеме десятков транзисторов. Компьютеры на интегральных схемах были мень­шего размера, работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах.

Четвертое поколение – сверхбольшие интегральные схемы (1980-?)

Появление сверхбольших интегральных схем (СБИС) в 80-х годах позволило помещать на одну плату сначала десятки тысяч, затем сотни тысяч и, наконец, миллионы транзисторов. Это привело к созданию компьютеров меньшего разме­ра и более быстродействующих. До появления РDР-1 компьютеры были на­столько велики и дороги, что компаниям и университетам приходилось иметь специальные отделы (вычислительные центры). К 80-м годам цены упали так сильно, что возможность пррюбретать компьютеры появилась не только у ор­ганизаций, но и у отдельных людей. Началась эра персональных компьюте­ров.

Персональные компьютеры требовались совсем для других целей, чем их предшественники. Они применялись для обработки слов, электронных таблиц, а также для выполнения приложений с высоким уровнем интерактивности (на­пример, игр), с которыми большие компьютеры не справлялись.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов. Каждый комплект содержал печатную плату, набор интегральных схем, обычно вклю­чающий схему Intel 8080, несколько кабелей, источник питания и иногда 8-дюй­мовый дисковод. Сложить из этих частей компьютер покупатель должен был сам. Программное обеспечение к компьютеру не прилагалось. Покупателю при­ходилось писать программное обеспечение самому.

Первая версия IВМ РС была оснащена операционной системой MS-DOS, ко­торую выпускала тогда еще крошечная корпорация Microsoft.

studfiles.net

Реферат - Развитие архитектуры материнских плат для PC

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(технический университет)

кафедра № 12

Реферат

“Развитие архитектуры материнских плат для PC”

Студент Быстров Дмитрий

Группа К9-04

Москва 1996

Содержание

1. Введение… 3

2. Материнская плата… 4

2.1. Микропроцессоры… 4

2.2. Шины… 6

2.2.1. ISA… 9

2.2.2. EISA… 9

2.2.3. VESA… 10

2.2.4. PCI… 10

2.3. Память… 11

3. Заключение… 18

4. Литература… 19

5. Приложение… 20

Введение

В конце XX века невозможно представить себе жизнь без персонального компьютера. Компьютер прочно вошел в нашу жизнь став главным помощником человека. На сегодняшний день в мире существует множество компьютеров различных фирм, различных групп сложности, назначения и поколений. В данном реферате мы рассмотрим персональные компьютеры (Personal Computer или просто PC), а точнее историю и дальнейшие тенденции развития материнских плат для PC.

Основной частью любой компьютерной системы является материнская плата с главным процессором и поддерживающими его микросхемами. Функционально материнскую плату можно описать различным образом. Иногда такая плата содержит всю схему компьютера (одноплатные). В противоположность одноплатным, в шиноориентированых компьютерах системная плата реализует схему минимальной конфигурации, остальные функции реализуются с помощью многочисленных дополнительных плат. Все компоненты соединяются шиной. В системной плате нет видеоадаптера, некоторых видов памяти и средств связи с дополнительными устройствами. Эти устройства (платы расширения) добавляются к системной плате путем присоединения к шине расширения, которая является частью системной платы.

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

Материнская плата

Материнская плата — это комплекс различных устройств поддерживающий работу системы в целом. Обязательными атрибутами материнской платы являются базовый процессор, оперативная память, системный BIOS, контролер клавиатуры, разъемы расширения.

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

Часто речь может идти о “зеленых” платах (green mothrboard). Сейчас на выпускаются только такие платы. Данные системные платы позволяют реализовать несколько экономичных режимов энергопотребления (в том числе, так называемый “sleep”, при котором отключается питание от компонентов компьютера, которые в данный момент не работают). Американское агентство защиты окружающей среды (EPA) сосредоточила свое внимание на уменьшении потребления энергии компьютерными системами. Оборудование, удовлетворяющее ее (EPA) требованиям должно в среднем (в режиме холостого хода) потреблять не более 30Вт, не использовать токсичные материалы и допускать 100% утилизацию. Поскольку современные микропроцессоры используют напряжение питания 3,3-4В, а на плату подается 5В, на системных платах монтируют преобразователи напряжение.

Микропроцессоры

Архитектура материнской платы напрямую зависит от внешней архитектуры микропроцессора.

В 1976 году фирма Intel начала усиленно работать над микропроцессором 8086. Размер его регистров по сравнению с 8080 был увеличен в два раза, что дало возможность увеличить его производительность в 10 раз. Кроме того размер информационных шин был увеличен до 16 разрядов, что дало возможность увеличить скорость передачи информации на микропроцессор и с него в два раза. Размер его адресной шины также был существенно увеличен — до 20 бит. Это позволило 86-му прямо контролировать 1М оперативной памяти.

В 1982 году Intel создала 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 4Гб 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 (у DX4 — 16 КВ). Модели SX не имеют встроенного сопроцессора, он был вынесен на плату. Модели DX2 реализуют механизм внутреннего удвоения частоты (например, процессор 486DX2-66 устанавливается на 33-мегагерцовую системную плату), что позволяет поднять быстродействие практически в два раза, так как эффективность кэширования внутренней кэш-памяти составляет почти 90 процентов. Процессоры семейства DX4 486DX4-75 и 486DX4-100 предназначены для установки на 25-ти и 33-мегагерцовые платы.

Созданные в середине 1989 и 1995 года процессоры Pentium и Pentium Pro значительно отличались по своей архитектуре от своих проедшественников. В основу архитектуры была положена суперскалярная архитектура, которая и дала возможность получить пятикратное получение производительности Pentium по сравнению с моделью 80486. Хотя Pentium проектировался как 32-разрядный, для связи с осталными компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная шина.

Шины

Шина — это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками 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). На рисунке показано типичное подключение устройств к шине данных.

Шина с тремя состояниями

Три состояние на шине — это состояния высокого уровня, низкого уровня и 3-ее состояние. 3-ее состояние позволяет устройству или процессору отключиться от шины и не влиять на уровни, устанавливаемые на шине другими устройствами или процессорами. Таким образом, только одно устройство является ведущим на шине. Управляющая логика активизирует в каждый конкретный момент только одно устройство, которое становиться ведущим. Когда устройство активизировано, оно помещает свои данные на шину, все же остальные потенциальные ведущие переводятся в пассивное состояние.

К шине может быть подключено много приемных устройств. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно предназначаются данные на шине. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными и двунаправленными. На рисунке показаны двунаправленные отправители/получатели, подключенные к шине.

Шинная организация получила широкое распространение, поскольку в этом случае все устройства используют единый протокол сопряжения модулей центральных процессоров и устройств ввода/вывода с помощью трех шин.

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

Шина данных служит для пересылки данных между ЦП и памятью или ЦП и устройствами ввода/вывода. Эти данные могут представлять собой как команды ЦП, так и информацию, которую ЦП посылает в порты ввода/вывода или принимает оттуда. 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 ЦП для выбора требуемой 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.

Магистральная организация предполагает наличие управляющего модуля. Основное назначение этого модуля — организация передачи слова между двумя другими модулями.

Операция на системной магистрали начинается с того, что управляющий модуль устанавливает на шине кодовое слово модуля — отправителя и активизирует линию строба отправителя. Это позволяет модулю, кодовое слово которого установлено на шине, понять, что он является отправителем. Затем управляющий модуль устанавливает на кодовое слово модуля — получателя и активизирует линию строба получателя. Это позволяет модулю, кодовое слово которого установлено на шине, понять, что он является получателем.

После этого управляющий модуль возбуждает линию строба данных, в результате чего содержимое регистра отправителя пересылается в регистр получателя. Этот шаг может быть повторен любое число раз, если требуется передать много слов.

Данные пересылаются от отправителя получателю в ответ на импульс, возбуждаемый управляющим модулем на соответствующей линии строба. При этом предполагается, что к моменту появления импульса строба в модуле — отправителе данные подготовлены к передаче, а модуль — получатель готов принять данные. Такая передача данных носит название синхронной (синхронизированной).

Процессы на магистралях могут носить асинхронный характер. Передачу данных от отправителя получателю можно координировать с помощью линий состояния, сигналы на которых отражают условия работы обоих модулей. Как только модуль назначается отправителем, он принимает контроль над линией готовности отправителя, сигнализируя с ее помощью о своей готовности принимать данные. Модуль, назначенный получателем, контролирует линию готовности получателя, сигнализируя с ее помощью о готовности принимать данные.

При передаче данных должны соблюдаться два условия. Во-первых, передача осуществляется лишь в том случае, если получатель и отправитель сигнализируют о своей готовности. Во-вторых, каждое слово должно передаваться один раз. Для обеспечения этих условий предусматривается определенная последовательность действий при передачи данных. Эта последовательность носит название протокола.

В соответствии с протоколом отправитель, подготовив новое слово, информирует об этом получателя. Получатель, приняв очередное слово, информирует об этом отправителя. Состояние линий готовности в любой момент времени определяет действия, которые должны выполнять оба модуля.

Каждый шаг в передаче данных от одной части системы к другой называется циклом магистрали (или часто машинным циклом). Частота этих циклов определяется тактовыми сигналами ЦП. Длительность цикла магистрали связана с частотой тактовых сигналов.

Первой системной, разработанной для компьютеров PC/XT, в основе которых лежали микропроцессоры, была шина PC/XT-bus. Она была 8-и разрядной, а ее контролер обеспечивал работу на чистоте микропроцессора (4,77мгц). С появлением машин типа PC/AT, использующих 16-и разрядные микропроцессоры 80286, а позже и 80386 (версия SX), была создана шина PC/AT-bus. В связи с ростом тактовой частоты микропроцессоров до 12-16 МГц контролер выполнял ее деление пополам для обеспечения приемлемой тактовой частоты работы шины.

ISA

На базе этих двух шин был разработан международный стандарт ISA (Industry Standard Architecture), широко использующийся в современных компьютерах. Типовая тактовая частота — 8 Мгц. Деление частоты остается функцией контролеров системных шин, но поскольку произошло дальнейшее увеличение тактовой частоты микропроцессоры до 25,33 и 50 Мгц, коэффициент деления был увеличен. Кроме увеличения разрядности увеличилось количество прерываний (IRQ) и каналов прямого доступа в память (DMA) (в ISA 15 и 7 соответственно), а также функциональных и диагностических возможностей. В тоже время сохранялась преемственность системных шин, в том числе на уровне контактов разьемов. Благодаря этому в новых системах можно использовать разработанные ранее контролеры и карты. Теоретическая пропускная способность шины — 16 Мбайт/с, практически она ниже поскольку обмен данными по шине производится за три такта работы процессора. Для слотов расширения на материнской плате компьютеров с шиной ISA-16 устанавливается стандартная пара разьемов (или один сдвоенный разъем) с числом контактов 62+36, а на шине ISA-8 устанавливается разъемы с 64-контактами.

EISA

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 даже и для ISA-8. Шина EISA позволяет автоматически производить конфигурацию и арбитраж запросов на обслуживание (bus mastering), что выгодно ее отличает от шины ISA.

VESA

Локальной шиной (local bus) обычно называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора, т.е. это шина процессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контролер, а также некоторые другие вспомогательные схемы. Работы по созданию локальной шины велись разными фирмами параллельно, но в конце концов была создана ассоциация стандартов видео оборудования — Video Equipment Standard Association (VESA). Первая спецификация на стандарт локальной шины появилась в 1992 году. Много было позаимствовано из архитектуры локальной шины 80486. Были разработанны только новый протокол обработки сигналов и топология разьемов. Достоинствами VLB является высокая скорость обмена информации (шина может работать в системе с процессором 80486DX-50). Но возникает зависимость от частоты работы процессора (конструирование плат с широким частотным диапазоном). Электрическая нагрузка не позволяет подключать более трех плат. Кроме того, VLB не рассчитана на использование с процессорами, пришедшим на замену 486-му или параллельно существующими с ними: Alpha, PowerPC и др. Поэтому с середине 1993 года из ассоциации VESA вышел ряд производителей во главе с Intel. Эти фирмы создали специальную группу для разработки нового альтернативного стандарта, названную Peripheral Component Interconnect (PCI).

PCI

Разработка шины и производство соответствующих компонентов заняли больше времени, чем для VLB, и первые системы с шиной PCI появились только год спустя. Строго говоря шина PCI не является локальной, а относится к классу mezzanine bus, поскольку имеет между собой и локальной шиной процессора специальный узел — согласующий мост. При этом стандарт PCI предусматривает использование контроллера, который заботится о разделении управляющих сигналов шины и процессора и осуществляет арбитраж по шине PCI, а также акселератор. Это делает шину процессорно независимой.

Стандарт PCI предусматривает несколько способов повышения пропускной способности. Один из них — блочная передача последовательных данных (например графика, дисковые файлы), что не требует времени на установку адреса каждого элемента. Более того, акселератор может накапливать информацию в буферах, что обеспечивает одновременный с чтением данных из памяти блочный обмен с периферийным устройством. Другой способ ускорения передачи — мультиплексирование — предусматривает передачу последовательных данных по адресным линиям, что удваевает пропускную способность шины. Шина PCI использует установку прерываний по уровню, что делает ее более надежной и привлекательной (в отличие от VLB). Еще одно отличие — PCI работает на 33 Мгц, независимо то частоты процессора. Теоретически пропускная способность шины 132 Мбайт/с. Реальная же пропускная способность несколько больше половины от теоретической. Стандарт PCI предусматривает и 64-разрядную версию. Для 32-разрядной шины PCI используется 124-контактный разъем, причем в нем предусмотрены ключи и контакты, предназначенные для оценки необходимого для работы платы расширения напряжения питания (5В или 3,3В).

Тактовый генератор

Большинство логических элементов компьютера разработанно таким образом, что они должны работать синхронно, то есть по определенным тактовым сигналам.

Контролер прерываний

В первых компьютерах использовалась микросхема контроллера прерываний i8259, которая имеет 8 входов для сигналов прерываний. В IBM PC/AT восьми линий прерываний стало уже недостаточно и их количество было увеличено до 15, путем каскадного включения двух микросхем контролеров прерываний.

Память

Всем компьютерам требуется память нескольких видов. Вся память делится на внутреннюю и внешнюю. В компьютерных системах работа с памятью основывается на очень простых концепциях — это сохранять один бит информации так, чтобы потом он мог быть извлечен оттуда.

В настоящее время широкое распространение получили устройства динамической памяти базирующиеся на способности сохранять электрический заряд (конденсаторы). С первого взгляда конденсатор не удовлетворяет основному требованию устройств памяти. Он не способен сохранять заряд в течении длительного промежутка времени, но он позволяет делать это в течении нескольких миллисекунд, что вполне достаточно, чтобы использовать это в электронике. За это время специальные цепи компьютера обеспечивают подзарядку конденсатора, то есть обновление информации. 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 подобно памяти на конденсаторах, она должна постоянно освежаться.

В то время как динамическая память, получив заряд электричества удерживает его, так называемая статическая память, позволяет потоку электронов циркулировать по цепи. Прикладываемое напряжение может изменить направление движения электронов. Причем существует только два направления движения потока, что позволяет использовать данные цепи в качестве элементов памяти. Статическая память работает наподобие выключателя, который переключает направление электронного потока.

Кроме оперативной памяти существует еще и постоянная память(ПЗУ). Ее главное отличие от ОЗУ — невозможность в процессе работы изменить состояние ячеек ПЗУ. В свою очередь и 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 реализовывались на стандартных RAM-чипах по 16 Кбит. Каждому биту соответствовал свой собственный адрес.

Где-то около года после представления XT появилось ОЗУ с большими возможностями и более эффективное с точки зрения его цены. Хотя новые микросхемы могли вмещать по 64 Кбит, она были дешевле чем 4 по 16 Кбит. Системная плата PC была создана с учетом использования новых микросхем памяти. Через несколько лет 64 Кбитные чипы стали настолько широко распространены, что стали дешевле чем 16 Кбитные микросхемы.

К 1984 году был сделан еще один шаг по увеличению объема памяти в одном корпусе — появились 256 — Кбитные микросхемы. И RAM чипы этого номинала были установлены на первых AT. А сегодня микросхемы в 8 и 16 Мбайт стали обычным явлением.

PC имел довольно простую архитектуру памяти, по крайней мере, если на нее смотреть сейчас с высоты последних достижений компьютерной индустрии. Память PC была представлена одним блоком, в котором каждый байт был доступен по указанию его адреса.

Микросхемы памяти были разбиты на 9 банков, использующих в ранних PC 16-Кбитные, а затем и 64-Кбитные микросхемы. Восемь микросхем выделяли по одному биту для организации каждого байта памяти, девятая микросхема использовалась в качестве контрольного бита четности.

Когда микропроцессор 80286 стали использовать в AT и их аналогах, возникла проблема с организацией архитектуры памяти. Обычные микросхемы памяти не могли работать в таком быстром темпе, в котором работал микропроцессор. Поэтому пришлось использовать статус ожидания, в случае когда процессор требовал информацию из памяти, то есть микропроцессору приходилось зависать на один-два такта, что давало возможность памяти обработать запрос.

Динамические микросхемы памяти маркеруются специальным числом, говорящим об их скоростных возможностях. Указанное на корпусе число отражает время доступа в наносекундах без последнего нуля.

Время доступа не является, однако, единственной или наиболее важной характеристикой микросхем памяти. Более значимо такое понятие, как время цикла, которое говорит о том, как быстро можно произвести повторное обращение. В динамических микросхемах это время больше времени доступа, в статических чипах эти времена равны, что говорит о более скоростных режимах последних.

Чтобы справиться с ограничением по скорости, были использованы специальные решения по организации памяти. Наиболее простое из них — это использование обычной архитектуры с необходимым числом циклов ожидания.

Хорошая альтернатива предыдущему методу — использование кэш-памяти, что позволит избежать полного заполнения всей машины быстрой RAM памятью. Обычно программа использует память какой либо ограниченной области. Храня нужную информацию в кэш-памяти, работа с которой позволяет процессору обходиться без всяких циклов ожидания.

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, а следовательно, тем больше вероятность, что нужный байт будет содержаться в этой быстрой памяти. Очевидно, сто самый лучший вариант — это когда объём кэш-памяти соответствует объему всей оперативной памяти. В этом случае вся остальная память становится не нужной. Крайне 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.

На самом деле реализация кэш-систем не так проста, как это может показаться с первого взгляда. Микропроцессор должен не только читать из памяти, но и писать в нее. Что случится, если процессор занесет новую информацию в кэш-память, а перед использованием этой информации она будет изменена в основной памяти. Для избежания подобной ситуации иногда реализуется метод, названный записью через кэш-память. Очевидно, что этот метод снижает быстродействие системы, потому что приходится писать не только в кэш-память. Хуже того, микропроцессору может понадобиться информация, которую он только что записал и которая еще не была перезагружена в кэш-память.

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

Еще одна разновидность архитектуры оперативной памяти компьютера — это 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. Этот подход требует специальных RAM микросхем, которые делят свои адреса по страницам. Эта технология получила название режима страничного доступа. Эти специальные микросхемы обеспечивают очень быстрый доступ в одном из двух направлений их организаций. Если требуется чтение или запись информации, хранящейся на определенной странице памяти, и предыдущая команда по работе с памятью использовала информацию с той же страницы, цикла ожидания не требуется. Однако при переходе с одной страницы на другую циклы ожидания неизбежны.

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

Во время обращения к одному банку, другой реализует цикл обновления, и поэтому процессору не приходится ждать. И только, если микропроцессору приходится читать несмежные биты, статус ожидания неминуем, но вероятность его появления уменьшается.

Наиболее типовая реализация этой технологии представляется разбивкой оперативной памяти на два банка, А следовательно, вероятность возникновения ожидания — 50%. Четырех банковая организация уменьшает эту вероятность до 25%.

Так как данная технология не требует применения специальных микросхем памяти, она является наиболее удобной для повышения скорости системы. Кроме того она может совмещаться с ОЗУ страничного режима, что еще больше увеличивает оперативность.

Фундаментальные решения были приняты при разработке первых PC. Для того, чтобы микропроцессор 8088 мог пользоваться, она должна быть адресуемой. И этот микропроцессор должен обладать возможностью адресоваться к 1М. Конструкторы IBM решили выделить специальные области памяти для специфически целей. Они разделили всю память на разделы, и каждый раздел предназначался для реализации своих функций. Результирующая диаграмма названа картой памяти.

При разработке PC половина всей памяти была зарезервирована. Верхняя половина адресного пространства, была выделена для содержания кодов BIOS и для прямого процессорного доступа к памяти, используемой видеосистемой. Первые несколько Кбайт были зарезервированы под информацию о системе и расположение конкретных секций кодов, которые выполнялись на момент возникновения прерываний программного обеспечения. Эти ячейки памяти называются векторами прерывания, а функция программного кода — механизмом прерывания.

В конце адресного пространства располагается буфер клавиатуры — номиналом 16 байт. Здесь хранятся 16 последних символов введенных с клавиатуры. Этот буфер нужен для сохранения набранного текста во время, когда процессор занят другой задачей, после того как он освободится, текст будет обработан. Омерзительный писк компьютера означает — буфер переполнен и дальнейший набор бессмысленен.

Кроме того, различные системные флаги, указывающие на внутреннее состояние системы, также хранятся в нижнем разделе памяти.

В те дни, когда большинство компьютеров имели 60К памяти, 512К казались царской щедростью. Поэтому 128К были отданы под юрисдикцию программного обеспечения, остальные 384К от начала адресного пространства, предназначались для использования программами BIOS и видеопамятью.

Эти решения выделяли 640К для DOS — это был максимум адресуемого пространства, которым мог оперировать 8088 при выполнении программ. Со временем эти 640К были названы базовой памятью, потому что это является основополагающим стандартом, на котором должны базироваться все IBM совместимые системы.

В апреле 1985 года несколько месяцев спустя после представления первых AT с несколькими Мб дополнительной памяти — главное издательство по программному обеспечению и разработчик технического обеспечения сформулировали свой собственный метод преодоления ограничения в 640К старых компьютеров на 8088 микропроцессоре, работающих в DOS. Через несколько месяцев к ним присоединилась и Microsoft Corporation. Их разработка названа Lotus-Intel-Microsoft Expanded Memory Specification или LIM память, или EMS, или просто расширенная память. Новая система отличалась как от базовой памяти, так и от дополнительной. Она не была в пределах адресного пространства центрального микропроцессора. Ее работа основывалась на специальной схеме технического обеспечения, которая функционировала наподобие переключателя. Это устройство переключало банки памяти из нормального адресного пространства 8088 микропроцессора, где чип мог читать и писать в нее. Эта схема, названная переключателем банков, не была ни новой ни необычной. Подобное устройство использовалось в компьютерах на Z80 для преодоления лимита в 64К.

Первые EMS имели дело с расширенной памятью, разбитой на банки по 16К. Представление AT с потенциально адресуемыми 16М затмило EMS, пока тяжелая действительность недоступности дополнительной памяти была до конца осознана. Даже несколько имеющихся программ, которые могли пользоваться достоинства ми EMS, были более полезны чем драйвер VDISK, который был единственной совместимой с DOS программой, позволяющей использовать дополнительную память.

Заключение

Уже на протяжении 25 лет, со дня создания первого в мире микропроцессора 4004 фирмой Intel, существуют компьютеры. Они прочно внедрились в нашу жизнь. Но за эти 25 лет архитектура материнских плат для РС не претерпела особых изменений, точнее ее состав (микропроцессор; шины адреса, данных и управления; разъемы для плат расширения, внешней памяти, внешнего кэша; контролеров ввода/вывода и некоторых других вспомогательных с микросхем). На сегодняшний день в материнскую плату встраивают контролер HDD и внешними устройствами (COM и LPT: порты). Архитектура же материнской платы совершенствовалась вместе с микропроцессорами. Появлялись новые шины, увеличивалась разрядность, быстродействие шин, их пропускная способность.

Многие фирмы производители на свой страх и риск создают новые шины (в том числе и слоты расширения). Так достаточно известная фирма AsusTeK создала свой собственный слот MediaBus. На сегодняшний момент MediaBus больше никто не поддерживает, да и сама фирма AsusTeK создала только плату видеоадаптера, соединенную с звуковой картой. Правда MediaBus представляет собой просто расширенную PCI дополнительным разьемом. В приложении приведено таблиц с собственными тестами нескольких материнских плат для PC, выпускаемыми фирмой AsusTeK.

Говорить о материнской плате в отдельности от всех остальных частей компьютера не возможно — это комплекс, работающий как один организм. Тенденции развития материнских плат в основном диктуются развитием микропроцессоров. Микропроцессроры сделали огромный прыжок вперед (4004 — Pentium Pro). Но CISC архитектура построения процессоров практически иссякла. Фирма Intel и HP уже работают над созданием нового процессора поддерживающего (совместимого) как с процессоры для PC так и процессоры, построенными на RISC архитектуре. Вслед за процессорами, материнские платы будут тоже менять свою конфигурацию и архитектуру и направление этого развития лежит в сторону RISC-архитектуры.

Литература

1. Борзенко А. IBM PC: устройство, ремонт, модернизация. — М.: Компьютер Пресс,1995

2. Озерцовский С. Микропроцессоры Intel: от 4004 до Pentium Pro. Computer Week. #41. 1996.

3. Аврин С. Компьютерные артерии. Hard ‘n’ Soft. #6. 1994

4. Bus Architectures. Introduction. IBM PC Institute.

5. Фролов А.В., Фролов Г.В. Аппаратное обеспечение IBM PC. — М.: ДИАЛОГ-МИФИ.1992.

6. Motherboard CH-498B. User’s Manual.

7. Motherboard P/I-P55T2P4. User’s Manual.

8. Performance Measurement. P/I-P6NP5, P/I-P55TVP4. AsusTeK Inc.

www.ronl.ru

Реферат Развитие архитектуры материнских плат для PC

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(технический университет)

кафедра № 12

Реферат

“Развитие архитектуры материнских плат для PC”

Студент Быстров Дмитрий

Группа К9-04

Москва 1996

Содержание

1. Введение 3

2. Материнская плата 4

   1. Микропроцессоры 4

   2. Шины 6

      1. ISA 9

      2. EISA 9

      3. VESA 10

      4. PCI 10

   3. Память 11

3. Заключение 18

4. Литература 19

5. Приложение 20

Введение

В конце XX века невозможно представить себе жизнь без персонального компьютера. Компьютер прочно вошел в нашу жизнь став главным помощником человека. На сегодняшний день в мире существует множество компьютеров различных фирм, различных групп сложности, назначения и поколений. В данном реферате мы рассмотрим персональные компьютеры (Personal Computer или просто PC), а точнее историю и дальнейшие тенденции развития материнских плат для PC.

Основной частью любой компьютерной системы является материнская плата с главным процессором и поддерживающими его микросхемами. Функционально материнскую плату можно описать различным образом. Иногда такая плата содержит всю схему компьютера (одноплатные). В противоположность одноплатным, в шиноориентированых компьютерах системная плата реализует схему минимальной конфигурации, остальные функции реализуются с помощью многочисленных дополнительных плат. Все компоненты соединяются шиной. В системной плате нет видеоадаптера, некоторых видов памяти и средств связи с дополнительными устройствами. Эти устройства (платы расширения) добавляются к системной плате путем присоединения к шине расширения, которая является частью системной платы.

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

Материнская плата

Материнская плата — это комплекс различных устройств поддерживающий работу системы в целом. Обязательными атрибутами материнской платы являются базовый процессор, оперативная память, системный BIOS, контролер клавиатуры, разъемы расширения.

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

Часто речь может идти о “зеленых” платах (green mothrboard). Сейчас на выпускаются только такие платы. Данные системные платы позволяют реализовать несколько экономичных режимов энергопотребления (в том числе, так называемый “sleep”, при котором отключается питание от компонентов компьютера, которые в данный момент не работают). Американское агентство защиты окружающей среды (EPA) сосредоточила свое внимание на уменьшении потребления энергии компьютерными системами. Оборудование, удовлетворяющее ее (EPA) требованиям должно в среднем (в режиме холостого хода) потреблять не более 30Вт, не использовать токсичные материалы и допускать 100% утилизацию. Поскольку современные микропроцессоры используют напряжение питания 3,3-4В, а на плату подается 5В, на системных платах монтируют преобразователи напряжение.

Микропроцессоры

Архитектура материнской платы напрямую зависит от внешней архитектуры микропроцессора.

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

В 1982 году Intel создала 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 4Гб 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 (у DX4 - 16 КВ). Модели SX не имеют встроенного сопроцессора, он был вынесен на плату. Модели DX2 реализуют механизм внутреннего удвоения частоты (например, процессор 486DX2-66 устанавливается на 33-мегагерцовую системную плату), что позволяет поднять быстродействие практически в два раза, так как эффективность кэширования внутренней кэш-памяти составляет почти 90 процентов. Процессоры семейства DX4 486DX4-75 и 486DX4-100 предназначены для установки на 25-ти и 33-мегагерцовые платы.

Созданные в середине 1989 и 1995 года процессоры Pentium и Pentium Pro значительно отличались по своей архитектуре от своих проедшественников. В основу архитектуры была положена суперскалярная архитектура, которая и дала возможность получить пятикратное получение производительности Pentium по сравнению с моделью 80486. Хотя Pentium проектировался как 32-разрядный, для связи с осталными компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная шина.

Шины

Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками 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). На рисунке показано типичное подключение устройств к шине данных.

Шина с тремя состояниями

Три состояние на шине - это состояния высокого уровня, низкого уровня и 3-ее состояние. 3-ее состояние позволяет устройству или процессору отключиться от шины и не влиять на уровни, устанавливаемые на шине другими устройствами или процессорами. Таким образом, только одно устройство является ведущим на шине. Управляющая логика активизирует в каждый конкретный момент только одно устройство, которое становиться ведущим. Когда устройство активизировано, оно помещает свои данные на шину, все же остальные потенциальные ведущие переводятся в пассивное состояние.

К шине может быть подключено много приемных устройств. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно предназначаются данные на шине. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными и двунаправленными. На рисунке показаны двунаправленные отправители/получатели, подключенные к шине.

Шинная организация получила широкое распространение, поскольку в этом случае все устройства используют единый протокол сопряжения модулей центральных процессоров и устройств ввода/вывода с помощью трех шин.

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

Шина данных служит для пересылки данных между ЦП и памятью или ЦП и устройствами ввода/вывода. Эти данные могут представлять собой как команды ЦП, так и информацию, которую ЦП посылает в порты ввода/вывода или принимает оттуда. 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 ЦП для выбора требуемой 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.

Магистральная организация предполагает наличие управляющего модуля. Основное назначение этого модуля - организация передачи слова между двумя другими модулями.

Операция на системной магистрали начинается с того, что управляющий модуль устанавливает на шине кодовое слово модуля - отправителя и активизирует линию строба отправителя. Это позволяет модулю, кодовое слово которого установлено на шине, понять, что он является отправителем. Затем управляющий модуль устанавливает на кодовое слово модуля - получателя и активизирует линию строба получателя. Это позволяет модулю, кодовое слово которого установлено на шине, понять, что он является получателем.

После этого управляющий модуль возбуждает линию строба данных, в результате чего содержимое регистра отправителя пересылается в регистр получателя. Этот шаг может быть повторен любое число раз, если требуется передать много слов.

Данные пересылаются от отправителя получателю в ответ на импульс, возбуждаемый управляющим модулем на соответствующей линии строба. При этом предполагается, что к моменту появления импульса строба в модуле - отправителе данные подготовлены к передаче, а модуль - получатель готов принять данные. Такая передача данных носит название синхронной (синхронизированной).

Процессы на магистралях могут носить асинхронный характер. Передачу данных от отправителя получателю можно координировать с помощью линий состояния, сигналы на которых отражают условия работы обоих модулей. Как только модуль назначается отправителем, он принимает контроль над линией готовности отправителя, сигнализируя с ее помощью о своей готовности принимать данные. Модуль, назначенный получателем, контролирует линию готовности получателя, сигнализируя с ее помощью о готовности принимать данные.

При передаче данных должны соблюдаться два условия. Во-первых, передача осуществляется лишь в том случае, если получатель и отправитель сигнализируют о своей готовности. Во-вторых, каждое слово должно передаваться один раз. Для обеспечения этих условий предусматривается определенная последовательность действий при передачи данных. Эта последовательность носит название протокола.

В соответствии с протоколом отправитель, подготовив новое слово, информирует об этом получателя. Получатель, приняв очередное слово, информирует об этом отправителя. Состояние линий готовности в любой момент времени определяет действия, которые должны выполнять оба модуля.

Каждый шаг в передаче данных от одной части системы к другой называется циклом магистрали (или часто машинным циклом). Частота этих циклов определяется тактовыми сигналами ЦП. Длительность цикла магистрали связана с частотой тактовых сигналов.

Первой системной, разработанной для компьютеров PC/XT, в основе которых лежали микропроцессоры, была шина PC/XT-bus. Она была 8-и разрядной, а ее контролер обеспечивал работу на чистоте микропроцессора (4,77мгц). С появлением машин типа PC/AT, использующих 16-и разрядные микропроцессоры 80286, а позже и 80386 (версия SX), была создана шина PC/AT-bus. В связи с ростом тактовой частоты микропроцессоров до 12-16 МГц контролер выполнял ее деление пополам для обеспечения приемлемой тактовой частоты работы шины.

ISA

На базе этих двух шин был разработан международный стандарт ISA (Industry Standard Architecture), широко использующийся в современных компьютерах. Типовая тактовая частота — 8 Мгц. Деление частоты остается функцией контролеров системных шин, но поскольку произошло дальнейшее увеличение тактовой частоты микропроцессоры до 25,33 и 50 Мгц, коэффициент деления был увеличен. Кроме увеличения разрядности увеличилось количество прерываний (IRQ) и каналов прямого доступа в память (DMA) (в ISA 15 и 7 соответственно), а также функциональных и диагностических возможностей. В тоже время сохранялась преемственность системных шин, в том числе на уровне контактов разьемов. Благодаря этому в новых системах можно использовать разработанные ранее контролеры и карты. Теоретическая пропускная способность шины — 16 Мбайт/с, практически она ниже поскольку обмен данными по шине производится за три такта работы процессора. Для слотов расширения на материнской плате компьютеров с шиной ISA-16 устанавливается стандартная пара разьемов (или один сдвоенный разъем) с числом контактов 62+36, а на шине ISA-8 устанавливается разъемы с 64-контактами.

EISA

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 даже и для ISA-8. Шина EISA позволяет автоматически производить конфигурацию и арбитраж запросов на обслуживание (bus mastering), что выгодно ее отличает от шины ISA.

VESA

Локальной шиной (local bus) обычно называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора, т.е. это шина процессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контролер, а также некоторые другие вспомогательные схемы. Работы по созданию локальной шины велись разными фирмами параллельно, но в конце концов была создана ассоциация стандартов видео оборудования — Video Equipment Standard Association (VESA). Первая спецификация на стандарт локальной шины появилась в 1992 году. Много было позаимствовано из архитектуры локальной шины 80486. Были разработанны только новый протокол обработки сигналов и топология разьемов. Достоинствами VLB является высокая скорость обмена информации (шина может работать в системе с процессором 80486DX-50). Но возникает зависимость от частоты работы процессора (конструирование плат с широким частотным диапазоном). Электрическая нагрузка не позволяет подключать более трех плат. Кроме того, VLB не рассчитана на использование с процессорами, пришедшим на замену 486-му или параллельно существующими с ними: Alpha, PowerPC и др. Поэтому с середине 1993 года из ассоциации VESA вышел ряд производителей во главе с Intel. Эти фирмы создали специальную группу для разработки нового альтернативного стандарта, названную Peripheral Component Interconnect (PCI).

PCI

Разработка шины и производство соответствующих компонентов заняли больше времени, чем для VLB, и первые системы с шиной PCI появились только год спустя. Строго говоря шина PCI не является локальной, а относится к классу mezzanine bus, поскольку имеет между собой и локальной шиной процессора специальный узел — согласующий мост. При этом стандарт PCI предусматривает использование контроллера, который заботится о разделении управляющих сигналов шины и процессора и осуществляет арбитраж по шине PCI, а также акселератор. Это делает шину процессорно независимой.

Стандарт PCI предусматривает несколько способов повышения пропускной способности. Один из них — блочная передача последовательных данных (например графика, дисковые файлы), что не требует времени на установку адреса каждого элемента. Более того, акселератор может накапливать информацию в буферах, что обеспечивает одновременный с чтением данных из памяти блочный обмен с периферийным устройством. Другой способ ускорения передачи — мультиплексирование — предусматривает передачу последовательных данных по адресным линиям, что удваевает пропускную способность шины. Шина PCI использует установку прерываний по уровню, что делает ее более надежной и привлекательной (в отличие от VLB). Еще одно отличие — PCI работает на 33 Мгц, независимо то частоты процессора. Теоретически пропускная способность шины 132 Мбайт/с. Реальная же пропускная способность несколько больше половины от теоретической. Стандарт PCI предусматривает и 64-разрядную версию. Для 32-разрядной шины PCI используется 124-контактный разъем, причем в нем предусмотрены ключи и контакты, предназначенные для оценки необходимого для работы платы расширения напряжения питания (5В или 3,3В).

Тактовый генератор

Большинство логических элементов компьютера разработанно таким образом, что они должны работать синхронно, то есть по определенным тактовым сигналам.

Контролер прерываний

В первых компьютерах использовалась микросхема контроллера прерываний i8259, которая имеет 8 входов для сигналов прерываний. В IBM PC/AT восьми линий прерываний стало уже недостаточно и их количество было увеличено до 15, путем каскадного включения двух микросхем контролеров прерываний.

Память

Всем компьютерам требуется память нескольких видов. Вся память делится на внутреннюю и внешнюю. В компьютерных системах работа с памятью основывается на очень простых концепциях — это сохранять один бит информации так, чтобы потом он мог быть извлечен оттуда.

В настоящее время широкое распространение получили устройства динамической памяти базирующиеся на способности сохранять электрический заряд (конденсаторы). С первого взгляда конденсатор не удовлетворяет основному требованию устройств памяти. Он не способен сохранять заряд в течении длительного промежутка времени, но он позволяет делать это в течении нескольких миллисекунд, что вполне достаточно, чтобы использовать это в электронике. За это время специальные цепи компьютера обеспечивают подзарядку конденсатора, то есть обновление информации. 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 подобно памяти на конденсаторах, она должна постоянно освежаться.

В то время как динамическая память, получив заряд электричества удерживает его, так называемая статическая память, позволяет потоку электронов циркулировать по цепи. Прикладываемое напряжение может изменить направление движения электронов. Причем существует только два направления движения потока, что позволяет использовать данные цепи в качестве элементов памяти. Статическая память работает наподобие выключателя, который переключает направление электронного потока.

Кроме оперативной памяти существует еще и постоянная память(ПЗУ). Ее главное отличие от ОЗУ - невозможность в процессе работы изменить состояние ячеек ПЗУ. В свою очередь и 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 реализовывались на стандартных RAM-чипах по 16 Кбит. Каждому биту соответствовал свой собственный адрес.

Где-то около года после представления XT появилось ОЗУ с большими возможностями и более эффективное с точки зрения его цены. Хотя новые микросхемы могли вмещать по 64 Кбит, она были дешевле чем 4 по 16 Кбит. Системная плата PC была создана с учетом использования новых микросхем памяти. Через несколько лет 64 Кбитные чипы стали настолько широко распространены, что стали дешевле чем 16 Кбитные микросхемы.

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

PC имел довольно простую архитектуру памяти, по крайней мере, если на нее смотреть сейчас с высоты последних достижений компьютерной индустрии. Память PC была представлена одним блоком, в котором каждый байт был доступен по указанию его адреса.

Микросхемы памяти были разбиты на 9 банков, использующих в ранних PC 16-Кбитные, а затем и 64-Кбитные микросхемы. Восемь микросхем выделяли по одному биту для организации каждого байта памяти, девятая микросхема использовалась в качестве контрольного бита четности.

Когда микропроцессор 80286 стали использовать в AT и их аналогах, возникла проблема с организацией архитектуры памяти. Обычные микросхемы памяти не могли работать в таком быстром темпе, в котором работал микропроцессор. Поэтому пришлось использовать статус ожидания, в случае когда процессор требовал информацию из памяти, то есть микропроцессору приходилось зависать на один-два такта, что давало возможность памяти обработать запрос.

Динамические микросхемы памяти маркеруются специальным числом, говорящим об их скоростных возможностях. Указанное на корпусе число отражает время доступа в наносекундах без последнего нуля.

Время доступа не является, однако, единственной или наиболее важной характеристикой микросхем памяти. Более значимо такое понятие, как время цикла, которое говорит о том, как быстро можно произвести повторное обращение. В динамических микросхемах это время больше времени доступа, в статических чипах эти времена равны, что говорит о более скоростных режимах последних.

Чтобы справиться с ограничением по скорости, были использованы специальные решения по организации памяти. Наиболее простое из них - это использование обычной архитектуры с необходимым числом циклов ожидания.

Хорошая альтернатива предыдущему методу - использование кэш-памяти, что позволит избежать полного заполнения всей машины быстрой RAM памятью. Обычно программа использует память какой либо ограниченной области. Храня нужную информацию в кэш-памяти, работа с которой позволяет процессору обходиться без всяких циклов ожидания.

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, а следовательно, тем больше вероятность, что нужный байт будет содержаться в этой быстрой памяти. Очевидно, сто самый лучший вариант - это когда объём кэш-памяти соответствует объему всей оперативной памяти. В этом случае вся остальная память становится не нужной. Крайне 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.

На самом деле реализация кэш-систем не так проста, как это может показаться с первого взгляда. Микропроцессор должен не только читать из памяти, но и писать в нее. Что случится, если процессор занесет новую информацию в кэш-память, а перед использованием этой информации она будет изменена в основной памяти. Для избежания подобной ситуации иногда реализуется метод, названный записью через кэш-память. Очевидно, что этот метод снижает быстродействие системы, потому что приходится писать не только в кэш-память. Хуже того, микропроцессору может понадобиться информация, которую он только что записал и которая еще не была перезагружена в кэш-память.

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

Еще одна разновидность архитектуры оперативной памяти компьютера - это 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. Этот подход требует специальных RAM микросхем, которые делят свои адреса по страницам. Эта технология получила название режима страничного доступа. Эти специальные микросхемы обеспечивают очень быстрый доступ в одном из двух направлений их организаций. Если требуется чтение или запись информации, хранящейся на определенной странице памяти, и предыдущая команда по работе с памятью использовала информацию с той же страницы, цикла ожидания не требуется. Однако при переходе с одной страницы на другую циклы ожидания неизбежны.

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

Во время обращения к одному банку, другой реализует цикл обновления, и поэтому процессору не приходится ждать. И только, если микропроцессору приходится читать несмежные биты, статус ожидания неминуем, но вероятность его появления уменьшается.

Наиболее типовая реализация этой технологии представляется разбивкой оперативной памяти на два банка, А следовательно, вероятность возникновения ожидания - 50%. Четырех банковая организация уменьшает эту вероятность до 25%.

Так как данная технология не требует применения специальных микросхем памяти, она является наиболее удобной для повышения скорости системы. Кроме того она может совмещаться с ОЗУ страничного режима, что еще больше увеличивает оперативность.

Фундаментальные решения были приняты при разработке первых PC. Для того, чтобы микропроцессор 8088 мог пользоваться, она должна быть адресуемой. И этот микропроцессор должен обладать возможностью адресоваться к 1М. Конструкторы IBM решили выделить специальные области памяти для специфически целей. Они разделили всю память на разделы, и каждый раздел предназначался для реализации своих функций. Результирующая диаграмма названа картой памяти.

При разработке PC половина всей памяти была зарезервирована. Верхняя половина адресного пространства, была выделена для содержания кодов BIOS и для прямого процессорного доступа к памяти, используемой видеосистемой. Первые несколько Кбайт были зарезервированы под информацию о системе и расположение конкретных секций кодов, которые выполнялись на момент возникновения прерываний программного обеспечения. Эти ячейки памяти называются векторами прерывания, а функция программного кода - механизмом прерывания.

В конце адресного пространства располагается буфер клавиатуры - номиналом 16 байт. Здесь хранятся 16 последних символов введенных с клавиатуры. Этот буфер нужен для сохранения набранного текста во время, когда процессор занят другой задачей, после того как он освободится, текст будет обработан. Омерзительный писк компьютера означает - буфер переполнен и дальнейший набор бессмысленен.

Кроме того, различные системные флаги, указывающие на внутреннее состояние системы, также хранятся в нижнем разделе памяти.

В те дни, когда большинство компьютеров имели 60К памяти, 512К казались царской щедростью. Поэтому 128К были отданы под юрисдикцию программного обеспечения, остальные 384К от начала адресного пространства, предназначались для использования программами BIOS и видеопамятью.

Эти решения выделяли 640К для DOS - это был максимум адресуемого пространства, которым мог оперировать 8088 при выполнении программ. Со временем эти 640К были названы базовой памятью, потому что это является основополагающим стандартом, на котором должны базироваться все IBM совместимые системы.

В апреле 1985 года несколько месяцев спустя после представления первых AT с несколькими Мб дополнительной памяти - главное издательство по программному обеспечению и разработчик технического обеспечения сформулировали свой собственный метод преодоления ограничения в 640К старых компьютеров на 8088 микропроцессоре, работающих в DOS. Через несколько месяцев к ним присоединилась и Microsoft Corporation. Их разработка названа Lotus-Intel-Microsoft Expanded Memory Specification или LIM память, или EMS, или просто расширенная память. Новая система отличалась как от базовой памяти, так и от дополнительной. Она не была в пределах адресного пространства центрального микропроцессора. Ее работа основывалась на специальной схеме технического обеспечения, которая функционировала наподобие переключателя. Это устройство переключало банки памяти из нормального адресного пространства 8088 микропроцессора, где чип мог читать и писать в нее. Эта схема, названная переключателем банков, не была ни новой ни необычной. Подобное устройство использовалось в компьютерах на Z80 для преодоления лимита в 64К.

Первые EMS имели дело с расширенной памятью, разбитой на банки по 16К. Представление AT с потенциально адресуемыми 16М затмило EMS, пока тяжелая действительность недоступности дополнительной памяти была до конца осознана. Даже несколько имеющихся программ, которые могли пользоваться достоинства ми EMS, были более полезны чем драйвер VDISK, который был единственной совместимой с DOS программой, позволяющей использовать дополнительную память.

Заключение

Уже на протяжении 25 лет, со дня создания первого в мире микропроцессора 4004 фирмой Intel, существуют компьютеры. Они прочно внедрились в нашу жизнь. Но за эти 25 лет архитектура материнских плат для РС не претерпела особых изменений, точнее ее состав (микропроцессор; шины адреса, данных и управления; разъемы для плат расширения, внешней памяти, внешнего кэша; контролеров ввода/вывода и некоторых других вспомогательных с микросхем). На сегодняшний день в материнскую плату встраивают контролер HDD и внешними устройствами (COM и LPT: порты). Архитектура же материнской платы совершенствовалась вместе с микропроцессорами. Появлялись новые шины, увеличивалась разрядность, быстродействие шин, их пропускная способность.

Многие фирмы производители на свой страх и риск создают новые шины (в том числе и слоты расширения). Так достаточно известная фирма AsusTeK создала свой собственный слот MediaBus. На сегодняшний момент MediaBus больше никто не поддерживает, да и сама фирма AsusTeK создала только плату видеоадаптера, соединенную с звуковой картой. Правда MediaBus представляет собой просто расширенную PCI дополнительным разьемом. В приложении приведено таблиц с собственными тестами нескольких материнских плат для PC, выпускаемыми фирмой AsusTeK.

Говорить о материнской плате в отдельности от всех остальных частей компьютера не возможно — это комплекс, работающий как один организм. Тенденции развития материнских плат в основном диктуются развитием микропроцессоров. Микропроцессроры сделали огромный прыжок вперед (4004 — Pentium Pro). Но CISC архитектура построения процессоров практически иссякла. Фирма Intel и HP уже работают над созданием нового процессора поддерживающего (совместимого) как с процессоры для PC так и процессоры, построенными на RISC архитектуре. Вслед за процессорами, материнские платы будут тоже менять свою конфигурацию и архитектуру и направление этого развития лежит в сторону RISC-архитектуры.

Литература

1. Борзенко А. IBM PC: устройство, ремонт, модернизация. — М.: Компьютер Пресс,1995

2. Озерцовский С. Микропроцессоры Intel: от 4004 до Pentium Pro. Computer Week. #41. 1996.

3. Аврин С. Компьютерные артерии. Hard ‘n’ Soft. #6. 1994

4. Bus Architectures. Introduction. IBM PC Institute.

5. Фролов А.В.,Фролов Г.В. Аппаратное обеспечение IBM PC. — М.: ДИАЛОГ-МИФИ.1992.

6. Motherboard CH-498B. User’s Manual.

7. Motherboard P/I-P55T2P4. User’s Manual.

8. Performance Measurement. P/I-P6NP5, P/I-P55TVP4. AsusTeK Inc.

nreferat.ru

Доклад - Развитие архитектуры материнских плат для PC

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(технический университет)

кафедра № 12

Реферат

“Развитие архитектуры материнских плат для PC”

Студент Быстров Дмитрий

Группа К9-04

Москва 1996

Содержание

1. Введение… 3

2. Материнская плата… 4

2.1. Микропроцессоры… 4

2.2. Шины… 6

2.2.1. ISA… 9

2.2.2. EISA… 9

2.2.3. VESA… 10

2.2.4. PCI… 10

2.3. Память… 11

3. Заключение… 18

4. Литература… 19

5. Приложение… 20

Введение

В конце XX века невозможно представить себе жизнь без персонального компьютера. Компьютер прочно вошел в нашу жизнь став главным помощником человека. На сегодняшний день в мире существует множество компьютеров различных фирм, различных групп сложности, назначения и поколений. В данном реферате мы рассмотрим персональные компьютеры (Personal Computer или просто PC), а точнее историю и дальнейшие тенденции развития материнских плат для PC.

Основной частью любой компьютерной системы является материнская плата с главным процессором и поддерживающими его микросхемами. Функционально материнскую плату можно описать различным образом. Иногда такая плата содержит всю схему компьютера (одноплатные). В противоположность одноплатным, в шиноориентированых компьютерах системная плата реализует схему минимальной конфигурации, остальные функции реализуются с помощью многочисленных дополнительных плат. Все компоненты соединяются шиной. В системной плате нет видеоадаптера, некоторых видов памяти и средств связи с дополнительными устройствами. Эти устройства (платы расширения) добавляются к системной плате путем присоединения к шине расширения, которая является частью системной платы.

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

Материнская плата

Материнская плата — это комплекс различных устройств поддерживающий работу системы в целом. Обязательными атрибутами материнской платы являются базовый процессор, оперативная память, системный BIOS, контролер клавиатуры, разъемы расширения.

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

Часто речь может идти о “зеленых” платах (green mothrboard). Сейчас на выпускаются только такие платы. Данные системные платы позволяют реализовать несколько экономичных режимов энергопотребления (в том числе, так называемый “sleep”, при котором отключается питание от компонентов компьютера, которые в данный момент не работают). Американское агентство защиты окружающей среды (EPA) сосредоточила свое внимание на уменьшении потребления энергии компьютерными системами. Оборудование, удовлетворяющее ее (EPA) требованиям должно в среднем (в режиме холостого хода) потреблять не более 30Вт, не использовать токсичные материалы и допускать 100% утилизацию. Поскольку современные микропроцессоры используют напряжение питания 3,3-4В, а на плату подается 5В, на системных платах монтируют преобразователи напряжение.

Микропроцессоры

Архитектура материнской платы напрямую зависит от внешней архитектуры микропроцессора.

В 1976 году фирма Intel начала усиленно работать над микропроцессором 8086. Размер его регистров по сравнению с 8080 был увеличен в два раза, что дало возможность увеличить его производительность в 10 раз. Кроме того размер информационных шин был увеличен до 16 разрядов, что дало возможность увеличить скорость передачи информации на микропроцессор и с него в два раза. Размер его адресной шины также был существенно увеличен — до 20 бит. Это позволило 86-му прямо контролировать 1М оперативной памяти.

В 1982 году Intel создала 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 4Гб 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 (у DX4 — 16 КВ). Модели SX не имеют встроенного сопроцессора, он был вынесен на плату. Модели DX2 реализуют механизм внутреннего удвоения частоты (например, процессор 486DX2-66 устанавливается на 33-мегагерцовую системную плату), что позволяет поднять быстродействие практически в два раза, так как эффективность кэширования внутренней кэш-памяти составляет почти 90 процентов. Процессоры семейства DX4 486DX4-75 и 486DX4-100 предназначены для установки на 25-ти и 33-мегагерцовые платы.

Созданные в середине 1989 и 1995 года процессоры Pentium и Pentium Pro значительно отличались по своей архитектуре от своих проедшественников. В основу архитектуры была положена суперскалярная архитектура, которая и дала возможность получить пятикратное получение производительности Pentium по сравнению с моделью 80486. Хотя Pentium проектировался как 32-разрядный, для связи с осталными компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная шина.

Шины

Шина — это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками 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). На рисунке показано типичное подключение устройств к шине данных.

Шина с тремя состояниями

Три состояние на шине — это состояния высокого уровня, низкого уровня и 3-ее состояние. 3-ее состояние позволяет устройству или процессору отключиться от шины и не влиять на уровни, устанавливаемые на шине другими устройствами или процессорами. Таким образом, только одно устройство является ведущим на шине. Управляющая логика активизирует в каждый конкретный момент только одно устройство, которое становиться ведущим. Когда устройство активизировано, оно помещает свои данные на шину, все же остальные потенциальные ведущие переводятся в пассивное состояние.

К шине может быть подключено много приемных устройств. Сочетание управляющих и адресных сигналов, определяет для кого именно предназначаются данные на шине. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю когда ему следует принимать данные. Получатели и отправители могут быть однонаправленными и двунаправленными. На рисунке показаны двунаправленные отправители/получатели, подключенные к шине.

Шинная организация получила широкое распространение, поскольку в этом случае все устройства используют единый протокол сопряжения модулей центральных процессоров и устройств ввода/вывода с помощью трех шин.

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

Шина данных служит для пересылки данных между ЦП и памятью или ЦП и устройствами ввода/вывода. Эти данные могут представлять собой как команды ЦП, так и информацию, которую ЦП посылает в порты ввода/вывода или принимает оттуда. 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 ЦП для выбора требуемой 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.

Магистральная организация предполагает наличие управляющего модуля. Основное назначение этого модуля — организация передачи слова между двумя другими модулями.

Операция на системной магистрали начинается с того, что управляющий модуль устанавливает на шине кодовое слово модуля — отправителя и активизирует линию строба отправителя. Это позволяет модулю, кодовое слово которого установлено на шине, понять, что он является отправителем. Затем управляющий модуль устанавливает на кодовое слово модуля — получателя и активизирует линию строба получателя. Это позволяет модулю, кодовое слово которого установлено на шине, понять, что он является получателем.

После этого управляющий модуль возбуждает линию строба данных, в результате чего содержимое регистра отправителя пересылается в регистр получателя. Этот шаг может быть повторен любое число раз, если требуется передать много слов.

Данные пересылаются от отправителя получателю в ответ на импульс, возбуждаемый управляющим модулем на соответствующей линии строба. При этом предполагается, что к моменту появления импульса строба в модуле — отправителе данные подготовлены к передаче, а модуль — получатель готов принять данные. Такая передача данных носит название синхронной (синхронизированной).

Процессы на магистралях могут носить асинхронный характер. Передачу данных от отправителя получателю можно координировать с помощью линий состояния, сигналы на которых отражают условия работы обоих модулей. Как только модуль назначается отправителем, он принимает контроль над линией готовности отправителя, сигнализируя с ее помощью о своей готовности принимать данные. Модуль, назначенный получателем, контролирует линию готовности получателя, сигнализируя с ее помощью о готовности принимать данные.

При передаче данных должны соблюдаться два условия. Во-первых, передача осуществляется лишь в том случае, если получатель и отправитель сигнализируют о своей готовности. Во-вторых, каждое слово должно передаваться один раз. Для обеспечения этих условий предусматривается определенная последовательность действий при передачи данных. Эта последовательность носит название протокола.

В соответствии с протоколом отправитель, подготовив новое слово, информирует об этом получателя. Получатель, приняв очередное слово, информирует об этом отправителя. Состояние линий готовности в любой момент времени определяет действия, которые должны выполнять оба модуля.

Каждый шаг в передаче данных от одной части системы к другой называется циклом магистрали (или часто машинным циклом). Частота этих циклов определяется тактовыми сигналами ЦП. Длительность цикла магистрали связана с частотой тактовых сигналов.

Первой системной, разработанной для компьютеров PC/XT, в основе которых лежали микропроцессоры, была шина PC/XT-bus. Она была 8-и разрядной, а ее контролер обеспечивал работу на чистоте микропроцессора (4,77мгц). С появлением машин типа PC/AT, использующих 16-и разрядные микропроцессоры 80286, а позже и 80386 (версия SX), была создана шина PC/AT-bus. В связи с ростом тактовой частоты микропроцессоров до 12-16 МГц контролер выполнял ее деление пополам для обеспечения приемлемой тактовой частоты работы шины.

ISA

На базе этих двух шин был разработан международный стандарт ISA (Industry Standard Architecture), широко использующийся в современных компьютерах. Типовая тактовая частота — 8 Мгц. Деление частоты остается функцией контролеров системных шин, но поскольку произошло дальнейшее увеличение тактовой частоты микропроцессоры до 25,33 и 50 Мгц, коэффициент деления был увеличен. Кроме увеличения разрядности увеличилось количество прерываний (IRQ) и каналов прямого доступа в память (DMA) (в ISA 15 и 7 соответственно), а также функциональных и диагностических возможностей. В тоже время сохранялась преемственность системных шин, в том числе на уровне контактов разьемов. Благодаря этому в новых системах можно использовать разработанные ранее контролеры и карты. Теоретическая пропускная способность шины — 16 Мбайт/с, практически она ниже поскольку обмен данными по шине производится за три такта работы процессора. Для слотов расширения на материнской плате компьютеров с шиной ISA-16 устанавливается стандартная пара разьемов (или один сдвоенный разъем) с числом контактов 62+36, а на шине ISA-8 устанавливается разъемы с 64-контактами.

EISA

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 даже и для ISA-8. Шина EISA позволяет автоматически производить конфигурацию и арбитраж запросов на обслуживание (bus mastering), что выгодно ее отличает от шины ISA.

VESA

Локальной шиной (local bus) обычно называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора, т.е. это шина процессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контролер, а также некоторые другие вспомогательные схемы. Работы по созданию локальной шины велись разными фирмами параллельно, но в конце концов была создана ассоциация стандартов видео оборудования — Video Equipment Standard Association (VESA). Первая спецификация на стандарт локальной шины появилась в 1992 году. Много было позаимствовано из архитектуры локальной шины 80486. Были разработанны только новый протокол обработки сигналов и топология разьемов. Достоинствами VLB является высокая скорость обмена информации (шина может работать в системе с процессором 80486DX-50). Но возникает зависимость от частоты работы процессора (конструирование плат с широким частотным диапазоном). Электрическая нагрузка не позволяет подключать более трех плат. Кроме того, VLB не рассчитана на использование с процессорами, пришедшим на замену 486-му или параллельно существующими с ними: Alpha, PowerPC и др. Поэтому с середине 1993 года из ассоциации VESA вышел ряд производителей во главе с Intel. Эти фирмы создали специальную группу для разработки нового альтернативного стандарта, названную Peripheral Component Interconnect (PCI).

PCI

Разработка шины и производство соответствующих компонентов заняли больше времени, чем для VLB, и первые системы с шиной PCI появились только год спустя. Строго говоря шина PCI не является локальной, а относится к классу mezzanine bus, поскольку имеет между собой и локальной шиной процессора специальный узел — согласующий мост. При этом стандарт PCI предусматривает использование контроллера, который заботится о разделении управляющих сигналов шины и процессора и осуществляет арбитраж по шине PCI, а также акселератор. Это делает шину процессорно независимой.

Стандарт PCI предусматривает несколько способов повышения пропускной способности. Один из них — блочная передача последовательных данных (например графика, дисковые файлы), что не требует времени на установку адреса каждого элемента. Более того, акселератор может накапливать информацию в буферах, что обеспечивает одновременный с чтением данных из памяти блочный обмен с периферийным устройством. Другой способ ускорения передачи — мультиплексирование — предусматривает передачу последовательных данных по адресным линиям, что удваевает пропускную способность шины. Шина PCI использует установку прерываний по уровню, что делает ее более надежной и привлекательной (в отличие от VLB). Еще одно отличие — PCI работает на 33 Мгц, независимо то частоты процессора. Теоретически пропускная способность шины 132 Мбайт/с. Реальная же пропускная способность несколько больше половины от теоретической. Стандарт PCI предусматривает и 64-разрядную версию. Для 32-разрядной шины PCI используется 124-контактный разъем, причем в нем предусмотрены ключи и контакты, предназначенные для оценки необходимого для работы платы расширения напряжения питания (5В или 3,3В).

Тактовый генератор

Большинство логических элементов компьютера разработанно таким образом, что они должны работать синхронно, то есть по определенным тактовым сигналам.

Контролер прерываний

В первых компьютерах использовалась микросхема контроллера прерываний i8259, которая имеет 8 входов для сигналов прерываний. В IBM PC/AT восьми линий прерываний стало уже недостаточно и их количество было увеличено до 15, путем каскадного включения двух микросхем контролеров прерываний.

Память

Всем компьютерам требуется память нескольких видов. Вся память делится на внутреннюю и внешнюю. В компьютерных системах работа с памятью основывается на очень простых концепциях — это сохранять один бит информации так, чтобы потом он мог быть извлечен оттуда.

В настоящее время широкое распространение получили устройства динамической памяти базирующиеся на способности сохранять электрический заряд (конденсаторы). С первого взгляда конденсатор не удовлетворяет основному требованию устройств памяти. Он не способен сохранять заряд в течении длительного промежутка времени, но он позволяет делать это в течении нескольких миллисекунд, что вполне достаточно, чтобы использовать это в электронике. За это время специальные цепи компьютера обеспечивают подзарядку конденсатора, то есть обновление информации. 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 подобно памяти на конденсаторах, она должна постоянно освежаться.

В то время как динамическая память, получив заряд электричества удерживает его, так называемая статическая память, позволяет потоку электронов циркулировать по цепи. Прикладываемое напряжение может изменить направление движения электронов. Причем существует только два направления движения потока, что позволяет использовать данные цепи в качестве элементов памяти. Статическая память работает наподобие выключателя, который переключает направление электронного потока.

Кроме оперативной памяти существует еще и постоянная память(ПЗУ). Ее главное отличие от ОЗУ — невозможность в процессе работы изменить состояние ячеек ПЗУ. В свою очередь и 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 реализовывались на стандартных RAM-чипах по 16 Кбит. Каждому биту соответствовал свой собственный адрес.

Где-то около года после представления XT появилось ОЗУ с большими возможностями и более эффективное с точки зрения его цены. Хотя новые микросхемы могли вмещать по 64 Кбит, она были дешевле чем 4 по 16 Кбит. Системная плата PC была создана с учетом использования новых микросхем памяти. Через несколько лет 64 Кбитные чипы стали настолько широко распространены, что стали дешевле чем 16 Кбитные микросхемы.

К 1984 году был сделан еще один шаг по увеличению объема памяти в одном корпусе — появились 256 — Кбитные микросхемы. И RAM чипы этого номинала были установлены на первых AT. А сегодня микросхемы в 8 и 16 Мбайт стали обычным явлением.

PC имел довольно простую архитектуру памяти, по крайней мере, если на нее смотреть сейчас с высоты последних достижений компьютерной индустрии. Память PC была представлена одним блоком, в котором каждый байт был доступен по указанию его адреса.

Микросхемы памяти были разбиты на 9 банков, использующих в ранних PC 16-Кбитные, а затем и 64-Кбитные микросхемы. Восемь микросхем выделяли по одному биту для организации каждого байта памяти, девятая микросхема использовалась в качестве контрольного бита четности.

Когда микропроцессор 80286 стали использовать в AT и их аналогах, возникла проблема с организацией архитектуры памяти. Обычные микросхемы памяти не могли работать в таком быстром темпе, в котором работал микропроцессор. Поэтому пришлось использовать статус ожидания, в случае когда процессор требовал информацию из памяти, то есть микропроцессору приходилось зависать на один-два такта, что давало возможность памяти обработать запрос.

Динамические микросхемы памяти маркеруются специальным числом, говорящим об их скоростных возможностях. Указанное на корпусе число отражает время доступа в наносекундах без последнего нуля.

Время доступа не является, однако, единственной или наиболее важной характеристикой микросхем памяти. Более значимо такое понятие, как время цикла, которое говорит о том, как быстро можно произвести повторное обращение. В динамических микросхемах это время больше времени доступа, в статических чипах эти времена равны, что говорит о более скоростных режимах последних.

Чтобы справиться с ограничением по скорости, были использованы специальные решения по организации памяти. Наиболее простое из них — это использование обычной архитектуры с необходимым числом циклов ожидания.

Хорошая альтернатива предыдущему методу — использование кэш-памяти, что позволит избежать полного заполнения всей машины быстрой RAM памятью. Обычно программа использует память какой либо ограниченной области. Храня нужную информацию в кэш-памяти, работа с которой позволяет процессору обходиться без всяких циклов ожидания.

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, а следовательно, тем больше вероятность, что нужный байт будет содержаться в этой быстрой памяти. Очевидно, сто самый лучший вариант — это когда объём кэш-памяти соответствует объему всей оперативной памяти. В этом случае вся остальная память становится не нужной. Крайне 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.

На самом деле реализация кэш-систем не так проста, как это может показаться с первого взгляда. Микропроцессор должен не только читать из памяти, но и писать в нее. Что случится, если процессор занесет новую информацию в кэш-память, а перед использованием этой информации она будет изменена в основной памяти. Для избежания подобной ситуации иногда реализуется метод, названный записью через кэш-память. Очевидно, что этот метод снижает быстродействие системы, потому что приходится писать не только в кэш-память. Хуже того, микропроцессору может понадобиться информация, которую он только что записал и которая еще не была перезагружена в кэш-память.

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

Еще одна разновидность архитектуры оперативной памяти компьютера — это 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. Этот подход требует специальных RAM микросхем, которые делят свои адреса по страницам. Эта технология получила название режима страничного доступа. Эти специальные микросхемы обеспечивают очень быстрый доступ в одном из двух направлений их организаций. Если требуется чтение или запись информации, хранящейся на определенной странице памяти, и предыдущая команда по работе с памятью использовала информацию с той же страницы, цикла ожидания не требуется. Однако при переходе с одной страницы на другую циклы ожидания неизбежны.

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

Во время обращения к одному банку, другой реализует цикл обновления, и поэтому процессору не приходится ждать. И только, если микропроцессору приходится читать несмежные биты, статус ожидания неминуем, но вероятность его появления уменьшается.

Наиболее типовая реализация этой технологии представляется разбивкой оперативной памяти на два банка, А следовательно, вероятность возникновения ожидания — 50%. Четырех банковая организация уменьшает эту вероятность до 25%.

Так как данная технология не требует применения специальных микросхем памяти, она является наиболее удобной для повышения скорости системы. Кроме того она может совмещаться с ОЗУ страничного режима, что еще больше увеличивает оперативность.

Фундаментальные решения были приняты при разработке первых PC. Для того, чтобы микропроцессор 8088 мог пользоваться, она должна быть адресуемой. И этот микропроцессор должен обладать возможностью адресоваться к 1М. Конструкторы IBM решили выделить специальные области памяти для специфически целей. Они разделили всю память на разделы, и каждый раздел предназначался для реализации своих функций. Результирующая диаграмма названа картой памяти.

При разработке PC половина всей памяти была зарезервирована. Верхняя половина адресного пространства, была выделена для содержания кодов BIOS и для прямого процессорного доступа к памяти, используемой видеосистемой. Первые несколько Кбайт были зарезервированы под информацию о системе и расположение конкретных секций кодов, которые выполнялись на момент возникновения прерываний программного обеспечения. Эти ячейки памяти называются векторами прерывания, а функция программного кода — механизмом прерывания.

В конце адресного пространства располагается буфер клавиатуры — номиналом 16 байт. Здесь хранятся 16 последних символов введенных с клавиатуры. Этот буфер нужен для сохранения набранного текста во время, когда процессор занят другой задачей, после того как он освободится, текст будет обработан. Омерзительный писк компьютера означает — буфер переполнен и дальнейший набор бессмысленен.

Кроме того, различные системные флаги, указывающие на внутреннее состояние системы, также хранятся в нижнем разделе памяти.

В те дни, когда большинство компьютеров имели 60К памяти, 512К казались царской щедростью. Поэтому 128К были отданы под юрисдикцию программного обеспечения, остальные 384К от начала адресного пространства, предназначались для использования программами BIOS и видеопамятью.

Эти решения выделяли 640К для DOS — это был максимум адресуемого пространства, которым мог оперировать 8088 при выполнении программ. Со временем эти 640К были названы базовой памятью, потому что это является основополагающим стандартом, на котором должны базироваться все IBM совместимые системы.

В апреле 1985 года несколько месяцев спустя после представления первых AT с несколькими Мб дополнительной памяти — главное издательство по программному обеспечению и разработчик технического обеспечения сформулировали свой собственный метод преодоления ограничения в 640К старых компьютеров на 8088 микропроцессоре, работающих в DOS. Через несколько месяцев к ним присоединилась и Microsoft Corporation. Их разработка названа Lotus-Intel-Microsoft Expanded Memory Specification или LIM память, или EMS, или просто расширенная память. Новая система отличалась как от базовой памяти, так и от дополнительной. Она не была в пределах адресного пространства центрального микропроцессора. Ее работа основывалась на специальной схеме технического обеспечения, которая функционировала наподобие переключателя. Это устройство переключало банки памяти из нормального адресного пространства 8088 микропроцессора, где чип мог читать и писать в нее. Эта схема, названная переключателем банков, не была ни новой ни необычной. Подобное устройство использовалось в компьютерах на Z80 для преодоления лимита в 64К.

Первые EMS имели дело с расширенной памятью, разбитой на банки по 16К. Представление AT с потенциально адресуемыми 16М затмило EMS, пока тяжелая действительность недоступности дополнительной памяти была до конца осознана. Даже несколько имеющихся программ, которые могли пользоваться достоинства ми EMS, были более полезны чем драйвер VDISK, который был единственной совместимой с DOS программой, позволяющей использовать дополнительную память.

Заключение

Уже на протяжении 25 лет, со дня создания первого в мире микропроцессора 4004 фирмой Intel, существуют компьютеры. Они прочно внедрились в нашу жизнь. Но за эти 25 лет архитектура материнских плат для РС не претерпела особых изменений, точнее ее состав (микропроцессор; шины адреса, данных и управления; разъемы для плат расширения, внешней памяти, внешнего кэша; контролеров ввода/вывода и некоторых других вспомогательных с микросхем). На сегодняшний день в материнскую плату встраивают контролер HDD и внешними устройствами (COM и LPT: порты). Архитектура же материнской платы совершенствовалась вместе с микропроцессорами. Появлялись новые шины, увеличивалась разрядность, быстродействие шин, их пропускная способность.

Многие фирмы производители на свой страх и риск создают новые шины (в том числе и слоты расширения). Так достаточно известная фирма AsusTeK создала свой собственный слот MediaBus. На сегодняшний момент MediaBus больше никто не поддерживает, да и сама фирма AsusTeK создала только плату видеоадаптера, соединенную с звуковой картой. Правда MediaBus представляет собой просто расширенную PCI дополнительным разьемом. В приложении приведено таблиц с собственными тестами нескольких материнских плат для PC, выпускаемыми фирмой AsusTeK.

Говорить о материнской плате в отдельности от всех остальных частей компьютера не возможно — это комплекс, работающий как один организм. Тенденции развития материнских плат в основном диктуются развитием микропроцессоров. Микропроцессроры сделали огромный прыжок вперед (4004 — Pentium Pro). Но CISC архитектура построения процессоров практически иссякла. Фирма Intel и HP уже работают над созданием нового процессора поддерживающего (совместимого) как с процессоры для PC так и процессоры, построенными на RISC архитектуре. Вслед за процессорами, материнские платы будут тоже менять свою конфигурацию и архитектуру и направление этого развития лежит в сторону RISC-архитектуры.

Литература

1. Борзенко А. IBM PC: устройство, ремонт, модернизация. — М.: Компьютер Пресс,1995

2. Озерцовский С. Микропроцессоры Intel: от 4004 до Pentium Pro. Computer Week. #41. 1996.

3. Аврин С. Компьютерные артерии. Hard ‘n’ Soft. #6. 1994

4. Bus Architectures. Introduction. IBM PC Institute.

5. Фролов А.В., Фролов Г.В. Аппаратное обеспечение IBM PC. — М.: ДИАЛОГ-МИФИ.1992.

6. Motherboard CH-498B. User’s Manual.

7. Motherboard P/I-P55T2P4. User’s Manual.

8. Performance Measurement. P/I-P6NP5, P/I-P55TVP4. AsusTeK Inc.

www.ronl.ru

Лекция - Развитие компьютерной архитектуры

Такие установки необходимы для сельского хозяйства, в районы малоэтажного строительства и наши сельскохозяйственные районы рядом с мегаполисами, где строят поселения, а так же в случаях ЧС.

«Каждый обязан сохранять природу и окружающую среду, бережно относиться к природным богатствам. »

Конституция РФ, ст.58

E-mail: [email protected]

Развитие компьютерной архитектуры

В ходе эволюции компьютерных технологий были разработаны сотни разных компьютеров. Многие из них давно забыты, в то время как влияние других на современные идеи оказалось весьма значительным.

Определение понятия «Архитектура»

Архитектура – это термин, обычно использующийся для описания состава, принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных узлов вычислительной системы на некотором общем уровне, включая описание пользовательских возможностей программирования, системы команд и средств пользовательского интерфейса, организации памяти и системы адресации, операций ввода–вывода и управления и т.д. Таким образом, термин «архитектура» относится как к аппаратным средствам, так и к программному обеспечению, и их комбинациям.

Существуют две основные архитектуры построения вычислительных систем –фон Неймана и Гарвардская.

Американский математик фон Нейман (1903-1957) предложил концепцию вычислительной машины (и в частности, хранимой в памяти программы), которая лежит в основе большинства современных машин. Одним из основных моментов этой концепции является то, что система обладает единой памятью, в которой хранятся и команды программы и данные. Система содержит одну шину данных (ШД), по которой передаются и команды программы, и данные. Следовательно, в такой системе требуется три цикла для выборки команды и двух сомножителей (т.е.для выполнения операции МАС – базовая операция умножения и добавления результата умножения) На рис. 1 показана традиционная структура вычислительной системы, соответствующая «фон-неймановской» архитектуре.

Рис.1

Гарвадская архитектура названа по работе, выполненной в 40-х годах ХХ века в университете Гарварда под руководством Г.Айкена (1900-1973). В соответствии с этой концепцией для хранения программы (команд) и данных используются различные устройства памяти. Соответственно в системе имеется два комплекта шин для этих устройств: шина адреса памяти программ (ШАПП), шина данных памяти программ для работы с памятью программ (ПП) и шина адреса памяти данных (ШАПД), шина данных памяти данных (ШДПД) для работы с памятью данных (ПД). В системе с гарвардской архитектурой можно одновременно производить операции обращения к различным устройствам памяти, т.е. синхронно выбирать команду из памяти программ ПП по шине ШДПП и сомножитель из памяти данных ПД по шине ШДПД. Соответственно при этом для выполнения операции МАС требуется два цикла работы процессора, Реально за счет различных дополнительных мер почти всегда время операции МАС сводится к одному циклу. Гарвадская архитектура приведена на рис.2.

Рис.2

Таким образом, Гарвардская архитектура разделяя пространства памяти данных и программ и предусматривая раздельные шины доступа к каждой из них, обеспечивает доступность и данных, и программ в одном цикле выполнения операций процессором, что увеличивает общую скорость обработки.

В современных процессорах часто применяется модифицированная Гарвардская архитектура, когда для общения с внешней памятью используется один набор шин, в то время как на самом кристалле для увеличения быстродействия они разделены Такой подход минимизирует общую стоимость системы, сохраняя преимущества Гарвардской архитектуры. В дополнение к этому применяются различные схемы кэширова­ния и конвейерной обработки.

Архитектура ЭВМ — это абстрактное представление или определение физической системы (микропрограммы или комплекса аппаратных средств) с точки зрения программиста, разрабатывающего программы на машинно-ориентированном языке, или разработчика компилятора. Она определяет принципы организации вычислительной системы и функции процессора и не отражает такие проблемы, как управление и передача данных внутри процессора, конструктивные особенности элементной базы и специфику технологии ее производства.

Основа любой ЭВМ — центральный процессор (ЦПУ). Он работает под управлением программных средств, преобразуя входную информацию в выходную. Преобразования осуществляются системой команд, последовательность которых реализует программу решения задачи. Команда, попадая в ЦПУ, проходит несколько этапов: выборка команды, выполнение действий над операндами, формирование адресов и статусных флагов. Это обеспечивается в ЦПУ микропрограммным автоматом, формирующим микропрограмму для каждой команды. Для ЦПУ команда представлена на машинном языке в виде последовательности двоичных кодов. Формат команды включает поля: код операции, сведения об операнде источнике и приемнике, Команды и операнды располагаются в памяти машины. Быстрее всего выполняются действия над операндами, заключенными во внутренние регистры ЦПУ. Для расширения возможностей доступа к данным используется система режимов адресации.

ЦПУ как отдельный аппаратный узел объединен с рядом регулярных узлов сопровождения в один кристалл – микропроцессор (МП).

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Французская школа анналов реферат
• 
  История создания йогурта реферат
• 
  Реферат правовые системы востока
• 
  Реферат про город касимов
• 
  Реферат разрыв ахиллова сухожилия
• 
  Раймонд кеттелл реферат биография
• 
  Теоретические воззрения рескина реферат
• 
  Реферат природа человеческого сознания
• 
  Реферат запрещающие дорожные знаки
• 
  Реферат генуэзская валютная система
• 
  Реферат безопасность в метрополитене