KT-p22

Непомнящий К.Е.

Компьютерная техника

Часть 2

Внутреннее устройство ЭВМ

Оглавление

Введение-------------------------------------------------------------------------------------------	3
1. Системная плата----------------------------------------------------------------------------	4
1.1. Компоненты системной платы-------------------------------------	5
1.1.1 Набор микросхем системной логики (ChipSet)---------------------------------------------	5
1.1.2. Внутренние шины системной платы-----------------------------------------------------------	7
1.1.3. Внешние интерфейсы-----------------------------------------------------------------------------	22
1.1.4. Другие компоненты системной платы--------------------------------------------------------	31
1.2. Центральный процессор (CPU)-----------------------------------	33
1.2.1. Основные понятия----------------------------------------------------------------------------------	33
1.2.2. Принципы построения и работы процессора-----------------------------------------------	37
1.2.3. Производители процессоров--------------------------------------------------------------------	40
1.2.4. Поколения процессоров--------------------------------------------------------------------------	42
1.2.5. Производство процессоров---------------------------------------------------------------------	53
1.3. Подсистема внутренней памяти------------------------------------	58
1.3.1. Классификация внутренней памяти-----------------------------------------------------------	58
1.3.2. Оперативная память-------------------------------------------------------------------------------	59
1.3.3. Кэш-память-------------------------------------------------------------------------------------------	70
2. Видео подсистема ПК---------------------------------------------------------------------	76
2.1. Видеоадаптер. Основные характеристики-------------------------	76
2.1.1. Принцип работы видеоадаптера--------------------------------------------------------------	76
2.1.2. Режимы работы видеоадаптера----------------------------------------------------------------	76
2.1.3. Устройство видеоадаптера VGA---------------------------------------------------------------	78
2.2. Графический процессор-------------------------------------------	82
2.2.1. Графические программные интерфейсы-----------------------------------------------------	82

2.2.2. Программные технологии повышения производительности графической подсисте-

мы---------------------------------------------------------------------------------------------------------		83
2.2.3. Классификация графических процессоров-------------------------------------------------		84
2.2.4. Функциональная схема графического процессора---------------------------------------		85
2.2.5. Поколения графических процессоров--------------------------------------------------------		86
2.2.6 Особенности маркировки некторых видеоадаптеров-------------------------------------		87
Приложение 1.	Процессорные разъемы-------------------------------------------------------------	88
Приложение 1.	Процессорные разъемы (продолжение)----------------------------------------	89
Приложение 1.	Процессорные разъемы (продолжение)----------------------------------------	90

Введение

Учебное пособие «Внутренние устройства ПК» является продолжением курса «Компьютерная техника», знакомя студентов с «мозгом» и «сердцем» компьютера,то есть с его внутренним устройством.

Внутренние устройства ПК определяют основные параметры персонального компьютера. Именно характеристики отдельных компонентов – различных электронных плат,модулей,микросхем и т.д.,а также интерфейсов взаимодействия этих устройств и определяет скорость работы компьютера. Изучение принципов построения внутренних устройств,модельного ряда и различий между моделями,понимания методов их работы,является базовым в ходе дальнейшего изучения компьютерной техники и информационных технологий.

В настоящее время производством электронных компонентов для персонального компьютера занимается довольно большой ряд различных фирм, как известных на рынке компьютерной техники,так и новых. Для выявление товара надлежащего качества,оптимально подходящего для использования их в компьютерах данного класса,необходимо примерно представлять,что представляет изсебя данный производитель,как он зарекомендовал себя на рынке комплектующих,какой модельный ряд данного изделия существует, отличие от подобных изделий других производителей.

Изучение этих вопросов при подготовке будущих специалистов компьютерного профиля крайне необходимо с целью формирования компью-

терной грамотности,умении принимать правильное решение при установке, наладке, диагностике и эксплуатации компьютерной техники различного производства и назначения.

Данное учебное пособие поможет студентам упорядочить и систематизировать теоретические и практические знания по устройству,составу, принципам функционирования персонального компьютера, а также в выборе оптимального набора комплектующих при покупке собственного компьютера.

Все внутренние устройства располагаются внутри системного блока ПК. Главным внутренним устройством является системная плата, которая содержит практически все внутренние компоненты ПК,такие как центральный процессор,оперативная память и др. Некоторые компоненты отдельно устанавливаются на системную плату, их называют платами расширения, обычно они представляют собой контроллеры внешних устройств.

1. Системная плата

Системная плата - основной электронный модуль компьютера объединяющий все устройства ЭВМ в единое целое. Совместно с процессором и оперативной памятью она образует платформу,определяющую основные функциональные возможности компьютера и его производительность. Так как практически все компоненты ПК подключаются к системной плате ее часто называют материнской платой (matherboad).

Параметры системной платы:

-форм-фактор;

-поддерживаемый интерфейс процессора;

-тип и максимальный объем поддерживаемой оперативной памяти;

-поддерживаемые интерфейсы;

-тип и возможности BIOS.

1.1.Компоненты системной платы

-набор микросхем системной логики (НМСЛ) - ChipSet;

-разъем процессора;

-разъемы под модули памяти;

-разъемы расширений;

-блок регуляторов напряжений;

-генератор частоты;

-основная система ввода-вывода (BIOS).

1.1.1 Набор микросхем системной логики (ChipSet)

Суть работы чипсета состоитв том,чтобы связывать компоненты ПК,организовывать их работу и согласовывать работу CPU и остальных устройств. Реализуется это обслуживанием управляющих и конфигурационных сигналов, коммутацией различных линий и многоуровневым арбитражем шин.

ChipSet – набор микросхем, архитектура которых зависит от поколения ПК и производителя. Обычно,он реализуется на микросхемах, упакованных в два корпуса,но есть и однокристальные решения (Sis, nVidia) трёхчиповые (Intel). Эти микросхемы принято называть мостами,так как CS является связующим звеном между различными интерфейсами. Различают мосты северный и южный (North Bridge и South Bridge).

Принципы мостовой реализации НМСЛ были созданы довольно давно для разделение скоростных (северный мост) и более медленных (южный мост) интерфейсов. Для соединения двух мостов использовалась шина PCI. С развитем компьютерной техники, с увеличением быстродействия внутренних компонентов (особенно тех, которые подключаются к северному мосту) шина PCI стала “узким местом” системы, поэтому производители системных плат вынуждены были модернизировать архитектуру НМСЛ. Первой новый подход реализовала фирма Intel, которая изменила вид связи между мостами

на шину собственной разработки (hab link). Функции мостов были немного перераспределены и получили название хабов. У Intel хабы получили следующие названия: хаб контроллера памяти (MCH), хаб контроллеров вводавывода (ICH), программный хаб (FWH). Другие фирмы-производители так же разработали свои шины для связи компонентов НМСЛ, а функции шины

PCI резко сократились.

Компонент НМСЛ,который отвечает за быстрые интерфейсы принято

называть системным контроллером,а аналог южного моста – периферийным контроллером. Кроме этих компонентов производители системных плат комплектуют НМСЛ различными дополнительными узкоспециализирован-

ными микросхемами.

Системный контроллер (северный мост):

-контроллер шины процессора (системная шина);

-контроллер скоростного графического интерфейса (PCI Express x16; AGP);

-контроллер оперативной памяти;

-контроллер шины НМСЛ.

Периферийный контроллер (южный мост):

-контроллер шины PCI;

-контроллеры IDE, SATA, USB, IEEE 1394;

-контроллер аудиоинтерфейса;

-контроллер малопроизводительных портов;

-RAID-контроллер;

-контроллер АСРI.

Программный контроллер:

-контроллер клавиатуры;

-часы (RTC);

-CMOS;

-генератор случайных чисел.

Кроме того, в состав чипсета входят буферы, которые выполняют роль накопителей данных. Данные поступают в буфер и,когда он запол-

нен,посылаются дальше либо в оперативную память,либо на шину НМСЛ. Таким образом,несколько байт данных пересылаются сразу за один цикл (вместо нескольких), что повышает производительность. Различают буферы процессор-память,процессор-шина НМСЛ,шина НМСЛ-память.

Весь перечисленный выше набор компонентов чипсета не является стандартом,разные производители решают о наличии или отсутсвии какоголибо необязательного компонента,а также о установке дополнительного контроллера (видео,сеть,модем,звук и др.).

Почти 90% потребительских свойств системной платы определяется чипсетом,поэтому,имея информацию о том или ином наборе микросхем, можно определить основные характеристики системной платы.

Все функциональные блоки вычислительной системы связываются посредством шин (Bus) . В зависимости отузлов,которые связываются шиной различают внутренние шины - соединение компонентов системной платы, внешние шины - соединение внутренних и переферийных узлов компьютера. По принципу реализации различают паралллельные шины (Parallel Bus) и последовательные шины (Serial Bus).

1.1.2. Внутренние шины системной платы

Системные шины

Системная шина (Front Side Bus, FSB) связывает системный контроллер НМСЛ и процессор. Так как это две самые быстродействующие микросхемы ПК,поэтому быстродействие системной должно обеспечивать необходимую скорость обмена данными между этими двумя элементами. Существуют два подхода к реализации современной системной шины,которые реализовывают фирмы Intel (параллельная шина GTL) и AMD (последовательная шина

HyperTransport).

Шина GTL. Была предложена Intel еще для первого процессора 6 поколения (PentiumPro). Шина постоянно модернизировалась,ее параметры улучшались (GTL, GTL+, AGTL+) и последней модификацией стала технология Quad Pumped, которая позволяет за один реальный такт передать 4 пакета данных,то есть тактовая частота увеличивается в 4 раза. Например имея реальную тактовую частоту 266 МГц шина работает с частотой в 1066 МГц, что обеспечивает пропускную способность шины в 8,5 Гб/с. Но видимо для такой технологии эта скорость уже предел – предел параллельной шины, и, в некоторых случаях Intel уже переходит на последовательную системную шину

Шина HyperTransport предназначена для использования в качестве внутренней шины в том числе и в качестве системной шины. Данная шина представляет собой гибкий инструмент для связи устройств. Различают 4 возможные топологии соединения: точка-точка (только два устройства на двунаправленном канале связи), цепочка типа «туннель» (соединение нескольких равноправных устройств), цепочка типа «мост» (связываются несколько устройств,одно изкоторых главное,а другое для связи с прочими устройствами), дерево (иерархическое подключение устройств).

Спецификация шины предусматривает использование магистрали различного размера (2-64 бита), что позволяет соединять разные по скорости устройства.

Тактовая частота шины до 1,4 ГГц. Передача информации осуществляется по обоим фронтам тактового импульса, что в два раза увеличивает эффективную частоту шины. Максимальная пропускная способность – 22,4 Гб/с.

Шина чипсета

Изначально для соединения северного и южного мостов набора микросхем системной логики использовались стандартные шины архитектуры ПК. До недавних пор в типовом НМСЛ мосты соединялись параллельной

шиной PCI. Такое решение было приемлемо,пока клиенты южного моста были не слишком требовательны к пропускной способности шины. Однако

с ростом производительности клиентов,подключенных к южному мосту,с появлением высокоскоростных интерфейсов ввода-вывода, возможности шины PCI перестали удовлетворять современным требованиям.

Исходя изэтих требований,ведущие разработчики чипсетов применя­ ют самые скоростные шины для связи мостов НМСЛ:

-компания Intel в современных НМСЛ использует вариант последо­ вательной шины PCI Express под названием Digital Media Interface с

пропускной способностью до 2048 Мбайт/с;

-компания nVidia использует последовательную шину HyperTransport в интегрированных НМСЛ для платформы AMD Athlon 64, ту же шину используют компании ATI и ULi в своих дискретных чипсетах (пропускная способность до 2048 Мбайт/с);

-компания SiS предпочитает использовать шину MuTIOL с пропускной способностью 1066 Мбайт/с;

-компания VIA до сих пор применяет параллельную шину V-Link с пропускной способностью 533 Мбайт/с.

Шина малопроизводительных интерфейсов и портов

В начале развития платформы ПК малопроизводительные интерфейсы, необходимые для подключения контроллеров НГМД (Floppy), клавиатуры, аудиоинтерфейса,BIOS, последовательных и параллельных портов использовалась шина ISA, что и объясняет ее договременное применение на платформе ПК. Но шина ISA - дорогой и сложный интерфейс,поэтому на

современных платформах для этой цели используется интерфейс LPC (Low Pin Count - малое число выводов). Контроллер шины LPC реализован в виде моста шины PCI или с помощью отдельной микросхемы НМСЛ - MIO (Multi Input/Output). Пропускная способность шины 6,7 Мб/с.

Графические интерфейсы

Шина AGP. AGP (Accelerated Graphics Port) – высокоскоростная параллельная шина,предназначенная для соединения видеоадаптера с НМСЛ (контроллером AGP, который входит в состав системного контроллера). До шина AGP эту задачу выполняла шина PCI, но так как PCI использовалась для многих нужд,то ее быстродействия перестало хватать,особенно с внедрением 3-D графики,которая стала использовать большие ресурсы оперативной памяти. Для разгрузки шины PCI и для предоставлению видеоадаптеру возможности быстрее обмениваться данными с оперативной памятью фирма Intel и разработала специальную шину AGP.

Есть две причины, по которым видеоадаптер обращается к оперативной памяти:

1. Загрузить в видеопамять необходимые для работы данные (например,текстуры для трехмерной сцены (режим DMA).

2. Режим DME (Direct in Memory Execution) позволяет видеоадаптеру использовать оперативную память как источник данных для конвейера, подключая ее к видеопамяти при необходимости. Для адресации ячеек

оперативной памяти, которые использются по видеоданные применяется метод трансляции адресов по таблице GART (Graphic Aperture Remapping Table). Апертура - это тот диапазон адресов,при обращении к которому включается механизм переадресации на реальные страницы памяти. Таким образом, конвейер рендеринга может обращаться за данными прямо к основной памяти,а не к видеопамяти - этот процесс называют AGP-тексту- рированием.

Для считывания данных из памяти необходимо указать адрес реальных ячеек памяти. Шина AGP предусматривает два механизма передачи адреса контроллеру AGP. Первый - передача по тем же каналам,по которым передаются данные. Адрес - 64-битный,передается за два приема (шина AGP - 32-битная). Второй способ - передача по отдельной боковой шине, адрес - 48-битный,боковая шина - 8-битная. Этот режим называется Sideband Addressing, SBA. Основной канал полностью отдается под данные,адреса по нему не передаются,в итоге загрузка шины более полная.

Тактовая частота шины AGP составляет 66 МГц. Таким образом,пропускная способность шины 264 Мб/c сообщения передаются 4 байтными блоками). Этого было мало уже при проектировании шины AGP, поэтому была добавлена возможность передавать по два 4-байтных блока за один такт (добавлен еще один тактовый сигнал с частотой 133 МГц). Первый режим назвали 1x, второй - 2x. Однако и 532 Мб/с (133x4=532) для ра-

ботающего в режиме DME конвейера недостаточно. Режим 4x подымает вдвое частоту дополнительного тактового сигнала,таким образом уже четыре блока передается за один такт (пропускная способность шины 2128 Мб/с). Ростчастоты потребовал снижения диапазона изменения напряжения, поэтому видеоадаптер,работающий в режиме 4х,использует питание 1,5 В,

а не 3,3 В,а в AGPx8 – 0,8 В

Для уменьшения количества передаваемой информации по шине AGP (в основном для уменьшения нагрузки на шину памяти) производители видеоадаптеров применили некоторые новаторские решения: сжатие текстур и тайловая архитектура (текстурирование только тех треугольников,которые не закрыты другими объектами).

В настоящее время наблюдается тенденция отхода от параллельных шин и переход на последовательные, в том числе и для графического интерфейса.

Шина PCI Express. Так как все внутренние параллельные интерфейсы стали устаревать разработчики компонентов ПК задумались о замене. По современному подходу заменой должен стать последовательный интерфейс

и,желательно,чтобы он стал универсальным,то есть его могли использовать

различные устройства ПК. Именно исходя из этих соображений и была предложена последовательная шина PCI Express, как основная замена PCI. Главное при ее разработке было оставить,по-возможности,программные средства без изменений (совместимость с PCI).

Архитектура шины имеет 6 уровней. 1 и 2 уровни – программные. Однако на других уровнях архитектуры произошли кардинальные изменения. Следующий уровень –Transaction Layer происходитпервоначальная упаковка данных,передача их конкретному получателю и контроль доставки сообще­ ния. На уровне Link Layer указывается физический адрес назначения пакета. Получив адрес,контроллеры шины принимаютрешение о направлении пакета в конкретную физическую линию. На этом же уровне располагается код обнаружения и исправления ошибок в принятом пакете (CRC), номер пакета, позволяющий отличить один пакет от другого,и прочие атрибуты. Маршрутизация пакетов (принятие решений о том,на какую шину перенаправить пакет,какой из нескольких пакетов передать первым) осуществляется на уровне транзакций. Пакет передается только в том случае,когда поступил сигнал готовности от буфера приема. Как следствие, уменьшается число повторов при передаче и шина используется более эффективно.

Между участниками обмена данными по шине PCI Express устанав­ ливается выделенный канал связи, ширина которого и тактовая частота обговариваются устройствами в процессе инициализации канала. Здесь же происходит представление данных в формате 8 или 10 бит. При не­ обходимости 2 бита используются для контроля за целостностью данных. Избыточное кодирование позволяет исправлять ошибки, кроме того, это

нужно для того, чтобы уменьшить долю «постоянных» составляющих в сигнале (не более 4 нулей или единиц подряд) для синхронизации по фронтам поступающего сигнала, поскольку никакого дополнительного («внешнего») синхронизирующего сигнала от тактового генератора в PCI Express не используется.

Интерфейс PCI Express позволяет объединять в шину несколько неза­ висимых линий передачи данных. Стандартом предусмотрено использование 1,2,4, 8, 16 и 32 линий. Шина PCI Express поддерживает питание устройств достаточно большой мощности: на слот х1 подается до 10 Вт,на слот х4 - до 25 Вт,а на слот х16 - до 75 Вт. Помимо оконечных устройств архитектурой интерфейса предусмотрено наличие контроллеров (Host), мостов (Bridge) и переключателей (Switch), что позволяет организовать сложную топологию каналов и обеспечить совместимость с другими интерфейсами.

Перспективы шины довольно велики: PCI-Express 16x в первую очередь вытеснит AGP 8x в качестве «графической шины», PCI-Express объединит многие интегрированные устройства (сетевой контроллер,RAID

и др.), заменит слоты расширения PCI, возможно применение в качестве шины чипсета.

10