Лекция 9. Магистрально-модульный принцип архитектуры персональных компьютеров
Магистрально-модульный принцип построения компьютера.
Принцип открытой архитектуры.
Частота процессора системной шины и шин периферийных устройств.
Магистрально-модульный принцип построения компьютера
Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе, который позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию и производить по необходимости ее модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. В соответствии с этим принципом центральные устройства компьютера взаимодействуют между собой (обмениваются информацией) и с периферийными устройствами через системную магистраль (рис. 6). Центральные устройства подсоединены к шине непосредственно, а периферийные – через устройства сопряжения (контроллеры или адаптеры).
Рис. 6. Магистрально-модульное устройство компьютера
Магистраль или системная шина - это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.
Магистраль предназначена для передачи данных, адресов, команд управления, и потому включает в себя 3 многоразрядные шины: шину данных, шину адресов и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии.
Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает - что функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.
Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т.е. шина данных является двунаправленной. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.
Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.
Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).
Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти, то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле: , где I - разрядность шины адреса.
Разрядность шины адреса постоянно
увеличивалась и в современных персональных
компьютерах составляет 36 бит. Т.о.,
максимально возможное количество
адресуемых ячеек памяти равно:
.
По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией. Сигналы управления показывают, какую операцию — считывание или запись информации из памяти — нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.
Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний, позволяющая ПК приостановить текущее действие, переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.
Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.
Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:
Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация. Компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.
Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.
Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рис. 7:
Рис. 7. Общая структура персонального компьютера с подсоединенными периферийными устройствами
Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter — между, и face — лицо).
Каждый из функциональных элементов связан с шиной определённого типа - адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:
Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.
Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора. Портами также называют устройства стандартного интерфейса: последовательный, параллельный и игровой порты.
Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.
К последовательному порту подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства (мышь и модем). К параллельному порту подсоединяют более "быстрые" устройства (принтер и сканер). Через игровой порт подсоединяется джойстик.
Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). Контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых слотами расширения (англ. slot – щель, паз).
Частота процессора системной шины и шин периферийных устройств
Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост) — рис. 8.
Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины в 10 раз (частота процессора 1 ГГц, а частота шины — 100 МГц).
Рис. 8. Логическая схема системной платы
К северному мосту подключается шина PCI, обеспечивающая обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной шины. Контроллеры периферийных устройств устанавливаются в слоты расширения системной платы.
По мере увеличения разрешающей способности монитора и глубины цвета требования к быстродействию шины, связывающей видеоплату с процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты используется шина AGP, соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI.
Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования. Устройства хранения информации подключаются к южному мосту по шине UDMA.
Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью последовательных портов, которые передают электрические импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим. Обозначаются последовательные порты как СОМ1 и COM2, аппаратно реализуются с помощью 25-контактного и 9-контактного разъемов, которые выведены на заднюю панель системного блока.
Принтер подключается к параллельному порту, который обеспечивает более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, так как передает одновременно 8 электрических импульсов, несущих информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LPT, аппаратно реализуется в виде 25-контактного разъема на задней панели системного блока.
Для подключения сканеров и цифровых камер используется порт USB, обеспечивающий высокоскоростное подключение к ПК сразу нескольких периферийных устройств. Клавиатура подключается обычно с помощью порта PS/2.
Контрольные вопросы
Частота процессора системной шины и шин периферийных устройств.
Аналитическая машина Бэббиджа.
Южный и северный мост.
Принцип открытой архитектуры.
Логическая схема системной платы.