Магистраль
Магистраль или системная шина — это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.
Системная магистраль осуществляет обмен данными между процессором или ОЗУ с одной стороны и контроллерами внешних устройств компьютера с другой стороны.
Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули, —
- шине данных ,
- шине адресов ;
- шине управления .
Шины представляют собой многопроводные линии. Тип системных шин, применяемых в компьютерах с невысокой производительностью — ISA. Это дешевая но «малоинтеллектуальная» шина. Она может обеспечивать обмен с клавиатурой, дисплеем (алфавитно-цифровым), дисководами для гибких дискет, принтерами и модемами.
Шина MCA — более производительная, но не совместима с ISA, поэтому не нашла широкого применения.
Шина EISA — совместима с ISA , значительно дороже, чем ISA и не всегда обеспечивая нужную скорость обмена.
Шина VESA (VL) — более дешевая шина, используется в сочетании с ISA или с EISA.
Шина PCI — конкурент шины VESA , используется в PENTIUM в сочетании с ISA или EISA.
Рис 2. Магистрально-модульный принцип
Как уже было сказано, 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.
Магистрально-модульный принцип построения компьютера магистраль системная шина
Магистрально-модульный принцип построения компьютера Магистраль (системная шина) – это набор электронных линий, связывающих воедино процессор, память и периферийные устройства. Магистраль состоит их трех шин: • Шина данных (по ней будет передана необходимая информация); • Шина адреса (на ней устанавливается адрес требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией. • Шина управления (регулирует весь процесс передачи данных).
Оперативная память Процессор Магистраль Устройства ввода Долговременная память Устройства вывода
Аппаратное обеспечение компьютера Это система взаимосвязанных технических устройств, предназначенных для ввода, обработки, хранения и вывода информации
Процессор (от англ. процесс, делать) – это центральное устройство компьютера, обеспечивающее преобразование информации и управление другими устройствами. Аппаратно реализуется на БИС (компоненты интегральной схемы формируются на кристалле кремния с добавлением примесей фосфора или бора). В 1971 году инженеры фирмы Intel построили схему процессора на одном кремниевом кристалле, который содержал 2250 транзисторов.
Наиболее популярные процессоры сегодня производят фирмы Intel и AMD. Единственное устройство, о существовании которого процессор «знает от рождения» – оперативная память – с нею он работает совместно. Данные копируются в ячейки процессора (регистры), а затем преобразуются в соответствии с командами (программой).
Процессор Год Intel-4004 1971 Intel-8080 1974 Motorola-68000 1979 Hewlett Parcard superchip 1981 Число Значение элементов 2 250 Первый микропроцессор 4 500 Первый универсальный микропроцессор 70 000 Первый 16 -битный процессор 450 000 Первый 32 -битный микропроцессор сложной конструкции
Характеристики процессора • Производительность – количество операций, выполненных в секунду. Процессор выполняет арифметические и логические операции. Производительность зависит от тактовой частоты и разрядности. • Тактовая частота – количество тактов в секунду. Такт – интервал времени между началами соседних тактовых импульсов. Тактовая частота измеряется в Гц. • Разрядность – размер минимальной порции информации, обрабатываемой процессором за такт. Измеряется в битах.
Внутренние устройства Внутренними считаются устройства, располагающиеся в системном блоке. Доступ к некоторым из них имеется на лицевой панели, что удобно для быстрой смены информационных носителей. Разъемы некоторых устройств выведены на заднюю стенку – они служат для подключения периферийного оборудования. К некоторым устройствам системного блока доступ не предусмотрен – для обычной работы он не требуется.
Материнская плата – самая большая плата ПК. На ней располагаются магистрали, связывающие процессор с оперативной памятью, — так называемые шины. К шинам материнской платы подключаются также все прочие внутренние устройства компьютера. Управляет работой материнской платы микропроцессорный набор микросхем – так называемый чипсет. Название происходит от английского motherboard, иногда используется сокращение MB или слово mainboard — главная плата. На материнской плате кроме чипсета располагаются разъёмы для подключения центрального процессора, графической платы, звуковой платы, жёстких дисков, оперативной памяти и другие разъемы.
Чипсет – это набор микросхем материнской платы для обеспечения работы процессора с памятью и внешними устройствами. Раньше компьютер имел до 2 -х сотен микросхем на материнской плате. Современные компьютеры содержат две основные большие микросхемы чипсета: • контроллер-концентратор памяти или Северный мост (North Bridge), который обеспечивает работу процессора с памятью и с видеоподсистемой; • контроллер-концентратор ввода-вывода или Южный мост (South Bridge), обеспечивающий работу с внешними устройствами. Обычно северный и южный мост расположены на отдельных микросхемах. Именно северный и южный мосты определяют, в значительной степени, особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней.
Память Оперативная память (ОЗУ), предназначена для хранения информации, изготавливается в виде модулей памяти. Оперативную память можно представить как обширный массив ячеек, в которых хранятся данные и команды в то время, когда компьютер включен. Процессор может обратится к любой ячейки памяти. Важнейшей характеристикой модулей памяти является быстродействие. Модули памяти могут различаться между собой по размеру и количеству контактов, быстродействию, информационной емкостью и т. д. При выключении компьютера вся информация из оперативной памяти стирается. Доступ к оперативной памяти у процессора в сотни тысяч раз больше, чем к дисковой
Жесткий диск Для длительного хранения данных и программ широко применяются жесткие диски (винчестеры). Выключение питания компьютера не приводит к очистке внешней памяти. Жесткий диск – это чаще не один диск, а пакет (набор) дисков с магнитным покрытием, вращающихся на общей оси. Основным параметром является емкость, измеряемая в гигабайтах. Средний размер современного жесткого диска составляет 120 — 250 Гбайт, причем этот параметр неуклонно растет. Винчестером он сначала в шутку был назван в 1973 году, так как некоторые его технические характеристики по названию походили на марку знаменитой винтовки «винчестер» . С тех пор название прижилось. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах. Жёсткий диск состоит из следующих основных узлов: корпус из прочного сплава, собственно жесткие диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя и блок электроники. Принцип работы жестких дисков похож на работу магнитофонов.
Характеристики жесткого диска • Интерфейс — способ, использующийся для передачи данных (IDE или ATA, Serial ATA, SCSI. . . ). • Ёмкость (англ. capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 1000 Гб. • Физический размер (форм-фактор) — почти все современные накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3, 5, либо 2, 5 дюйма. Последние чаще применяются в ноутбуках. • Время произвольного доступа. • Скорость вращения шпинделя. • Надёжность. • Уровень шума. . . и др.
Видеокарта Видеоадаптер (графическая карта, видеокарта) – внутренне устройство, устанавливается в один из разъемов материнской платы, и служит для обработки информации, поступающей от процессора или из ОЗУ на монитор, а также для выработки управляющих сигналов. В первых персональных компьютерах видеоадаптеров не было. Вместо них в оперативной памяти отводилась небольшая область для хранения видеоданных. Современные видеоадаптеры имеют собственный вычислительный процессор (видеопроцессор). В некоторых моделях материнских плат функции видеоадаптера выполняют микросхемы чипсета — в этом случае говорят, что видеоадаптер интегрирован с материнской платой. Если же видеоадаптер выполнен в виде отдельного устройства, его называют видеокартой. Разъем видеокарты выведен на заднюю стенку. К нему подключается монитор.
Звуковая карта Звуковой адаптер (также называемая как звуковая карта, музыкальная плата). Звуковая плата позволяет работать со звуком на компьютере. Для компьютеров IBM PC работа со звуком изначально не была предусмотрена. Первые десять лет существования компьютеры этой платформы считались офисной техникой и обходились без звуковых устройств. Единственный звук, который издавал компьютер — был звук встроенного динамика, сообщавший о неисправностях. В настоящее время средства для работы со звуком считаются стандартными. Для этого на материнской плате устанавливается звуковой адаптер. Он может быть интегрирован в чипсете материнской платы или выполнен как отдельная подключаемая плата, которая называется звуковой картой. Разъемы звуковой карты выведены на заднюю стенку компьютера. Для воспроизведения звука к ним подключают звуковые колонки или наушники. Отдельный разъем предназначен для подключения микрофона. При наличии специальной программы это позволяет записывать звук. Имеется также разъем (линейный выход) для подключения к внешней звукозаписывающей или звуковоспроизводящей аппаратуре (магнитофонам, усилителям и т. п. ).
Сетевая карта (или карта связи по локальной сети, сетевой адаптер) служит для связи компьютеров в пределах одного предприятия, отдела или помещения находящихся на расстоянии не более 150 метров друг от друга. При наличии специальных дополнительных устройств можно организовать связь компьютеров и на большие расстояния. Основным параметром сетевой карты является скорость передачи информации и измеряется она в мегабайтах в секунду. Типовая норма от 10 до 100 мегабайт в секунду.
Дискеты и оптические диски Для транспортировки данных используют дискеты и оптические диски (CDROM, DVD-ROM, BD-ROM).
Гибкий диск (дискета) Стандартный гибкий диск (дискета) имеет сравнительно небольшую емкость (одной дискеты – 1. 44 Мбайт). По современным меркам этого совершенно недостаточно для большинства задач хранения и транспортировки данных. Этот вид носителя был особенно распространён в 1970 -х — начале 1990 -х годов. Для записи и чтения данных, размещенных на гибких дисках, служит специальное устройство – дисковод. Дисковод — устройство, позволяющее сохранить информацию на дискеты. Гибкие диски не являются надежными носителями информации. Данные могут быть утрачены вследствие механических повреждений магнитной поверхности, воздействия внешних электромагнитных полей из-за дефектов и др. вероятность утраты данных для дискет среднего качества достаточно большая величина (3 -5%).
CD-ROM Для транспортировки бо льших объемов данных удобно использовать компактдиски CD-ROM. Аббревиатура «CD-ROM» означает «Compact Disk Read Only Memory» и обозначает компакт-диск как носитель информации широкого применения. Емкость одного диска составляет порядка 650 -700 Мбайт. Принцип хранения данных на компакт-дисках не магнитный, как у гибких дисков, а оптический. Данные с диска читаются при помощи лазерного луча. Для чтения компакт-дисков служат дисководы CD-ROM. Основной параметр дисковода CD-ROM — скорость чтения. Она измеряется в кратных единицах. За единицу принята скорость чтения, утвержденная в середине 80 -х гг. для музыкальных компакт-дисков (аудиодисков). Современные дисководы CD-ROM обеспечивают скорость чтения 40 х — 52 х. Обычные компакт-диски штампуются на заводах и они не могут быть записаны в домашних условиях. Существуют и диски, предназначенные для записи в домашних условиях: CD-R (Compact Disk Recordable) для однократной записи и CD-RW (Compact Disk Re. Writable) для многократной.
DVD (англ. Digital Versatile Disc — цифровой многоцелевой диск или Digital Video Disk — цифровой видеодиск) — носитель информации в виде диска, внешне схожий с компакт-диском, однако имеющий возможность хранить бо льший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны, чем для обычных компакт дисков. Однослойный односторонний DVD имеет емкость 4, 7 Гбайт. Физически DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих слоя на каждой стороне. Первые диски и проигрыватели DVD появились в ноябре 1996 в Японии и в марте 1997 в США. Единица скорости (1 x) чтения/записи DVD составляет 1 385 000 байт/с (т. е. около 1352 Кбайт/с = 1, 32 Мбайт/с), что примерно соответствует 9 -й скорости (9 x) чтения/записи CD.
ТВ-тюнер ТВ-тю нер (англ. TV tuner) — устройство, предназначенный для приёма телевизионного сигнала в различных форматах вещания с показом на компьютере или просто на отдельном мониторе. Такие тюнеры могут представлять собой как отдельное устройство с радиовходом и аудиовидеовыходами, так и встраиваемую плату. По конструктивному исполнению ТВ-тюнеры бывают внешние (подключаются к компьютеру либо через USB, либо между компьютером и дисплеем через видеокабель) и внутренние (вставляются в PCI или PCI-Express). Кроме того, большинство современных ТВтюнеров принимают FM-радиостанции и могут использоваться для захвата видео.
Коммуникационные порты. Для связи с другими устройствами, например принтером, сканером, клавиатурой, мышью и т. п. , компьютер оснащается так называемыми портами. Порт — это не просто разъем для подключения внешнего оборудования, хотя порт и заканчивается разъемом. Порт — более сложное устройство, чем просто разъем, имеющее свои микросхемы и управляемое программно. Примеры портов: • COM (последовательный порт) • LTP (параллельный порт) • USB (последовательный с высокой производительностью) • PS/2 (универсальный для подключения мыши и клавиатуры)
Типы fsb
BSB – объединяет процессор с кэшем второго уровня, где применяется двойная шина DIB.
GTL и GTL – логика с частотой до 1,6 ГГц. Первая разработана для процессоров Pentium II и отличается работой при пониженном напряжении, чем экономит электрическую энергию. Вторая – её усовершенствование – создана для Pentium IV.
DMI – разработка Intel для объединения мостов материнских плат с сокетом LGA 1156 с встроенным контроллером памяти. Пропускная способность достигает 2 ГБ/с.
QPB – наиболее распространённая FSB, способная передавать 4 блока информации либо пару адресов за один такт. При ширине 64 бита за такт пересылает до 256 бит или 32 байт информации. Обеспечивает пропускную способность – до 8,5 ГБ/с.
HyperTransport – высокоскоростная двунаправленная последовательно-параллельная FSB от AMD с мизерными задержками. Отличается оригинальной схемой соединений, способами объединения тоннелей и мостов.
QuickPath Interconnect (QPI) – последовательная FSB от Intel для объединения процессоров в мультипроцессорных системах, переноса данных между ЦП и чипсетом. Создана как альтернатива HyperTransport. Применяется на материнских платах с сокетами LGA 1366 и 1156.
Остальные интерфейсы вроде MCA, EISA, ISA устарели.
К локальным шинам относят PCI, PCIe, USB, SATA.
Типы системных шин.
В современных компьютерах используются шины нескольких видов. Материнские платы с процессорами Intel, оснащаются шинами QPB типа. Они способны передавать данные 4 раза за такт, а вот платы с процессорами AMD используют шины EV6, передающие данные 2 раза за один такт.
Так как шина передает данные несколько раз за такт, её эффективная частота обычно в несколько раз выше реальной, то есть шина, имеющая фактическую частоту 200 мГц и передающая данные 4 раза за один такт, будет работать с эффективной частотой в 800 мГц. Это важно понимать для оценки производительности шины и расчета возможностей её разгона.
Следует учитывать и тот факт, что системная шина имеет ограничения по разгону, потому что превышение допустимого уровня тактовой частоты может привести к неисправности и нарушениям в работе. В то же время системная шина будет нормально функционировать при показателях частоты, которые ниже указанных на упаковке, не превышающих допустимый уровень.
Шина адреса
Шина адреса предназначена для передачи по ней адреса того устройства (или той ячейки памяти), к которому обращается процессор. Адрес на нее выдает всегда только процессор. По шине данных передается вся информация. При операции записи информацию на нее выставляет процессор, а считывает то устройство (например, память или принтер), адрес которого выставлен на шине адреса. При операции чтения информацию выставляет устройство, адрес которого выставлен на шине адреса, а считывает процессор.
Таким образом, 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 адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:
N =2 I , где I — разрядность шины адреса.
Каждой шине соответствует свое адресное пространство, т. е. максимальный объем адресуемой памяти:
N =2 I = 2 16= 64 Кб
N =2 I=2 20= 1 Мб
N =2 I=2 24= 16 Мб
N = 2 I = 2 32= 4 Гб
Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в современных персональных компьютерах составляет 32 бит. Таким образом, максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно:
N == 2 32 = 4 294 967 296 = 4 Гб
В персональных компьютерах величина адресного пространства процессора и величина фактически установленной оперативной памяти практически всегда различаются. Несмотря на то, что общий объем адресуемой памяти достигает 4 Гбайт, величина фактически установленной оперативной памяти может быть значительно меньше — 32 Мбайта.
Аппаратно на системных платах реализуются шины различных типов. В компьютерах РС/286 использовалась шина ISA (Industry Standard Architecture), имевшая 16-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса. В компьютерах РС/386 и РС/486 используется шина EISA (Extended Industry Standard Architecture)
Шина данных
По этой шине данные передаются между различными устройствами. 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, т. е. шина данных является двунаправленной.
Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Разрядность процессоров постоянно увеличивалась по мере развития компьютерной техники.
За 25 лет, со времени создания первого персонального компьютера (1975г.), разрядность шины данных увеличилась с 8 до 64 бит.
К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств, чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.