[irt.od.ua]КонспектАПСПК / КонспектАПСПК

5) Пропускная способность (ПС) – максимальное количество байт информации, которое может пропустить устройство за единицу времени. Зависит от способности чтения-записи за один такт (кратность), тактовой частоты и ширины шины. В обозначении модулей используется ПС на бит: DDR400 или ПС на весь модуль: PC3200 (400*8).

5.2.Методы повышения пропускной способности динамической памяти

1)Теневая регенерация.

2)Увеличение разрядности шины.

3)Пакетная передача (Burst).

4)Многоканальность.

5.3.Типы модулей памяти

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) быстрая страничная память

FPM-DRAM - Fast-Page Mode DRAM - память с быстрым чередованием страниц, разработанная в 1995 году. Основным отличием от памяти предыдущего поколения стала поддержка сокращенных адресов. Если очередная запрашиваемая ячейка находится в той же самой строке, что и предыдущая, ее адрес однозначно определяется одним лишь номером столбца и передача номера строки уже не требуется. Формула: один RAS – много CAS. При этом столбец и данные идут поочередно. Регенерация осуществляется в закрытой странице.

EDO-DRAM (Extended Data Out) память с усовершенствованным

выходом

Данный тип памяти появился в 1996 году. Содержит специальный триггерзащелку, удерживающий линии данных после исчезновения сигнала CAS. Поэтому стало возможным дезактивировать CAS до окончания чтения данных, подготавливая в это время микросхему к приему номера следующего столбца. Здесь за счет буфера на выходе столбец и данные существуют одновременно.

BEDO (Burst EDO) - пакетная EDO RAM

Двукратное увеличение производительности было достигнуто лишь в BEDO-DRAM (Burst EDO). Добавив в микросхему генератор номера столбца, конструкторы ликвидировали задержку CAS Delay, сократив время цикла до 15 нс. После обращения к произвольной ячейке микросхема BEDO автоматически, без указаний со стороны контроллера, увеличивает номер столбца на единицу, не требуя его явной передачи. По причине ограниченной разрядности адресного счетчика (два бита) максимальная длина пакета не могла превышать четырех ячеек (2*2=4). Формула: один адрес – много данных.

Работает на частоте до 66 Мгц с формулой передачи: 5-1-1-1, что на ~40% быстрее EDO-DRAM.

21

Недостатком является ограниченная частота и асинхронность с частотой процессора, что ведет к дополнительным тактам ожидания.

Рис. 5.1. Временная диаграмма, иллюстрирующая работу некоторых типов памяти

SDRAM (Synchronous DRAM) - синхронная DRAM

SDRAM – это первая 64-разрядная память с синхронной передачей. Микросхемы SDRAM памяти работают синхронно с контроллером, что га-

рантирует завершение цикла в строго заданный срок.

В SDRAM реализован усовершенствованный пакетный режим обмена. Контроллер может запросить как одну, так и несколько последовательных ячеек памяти вплоть до целой строки. Это стало возможным благодаря использованию полноразрядного адресного счетчика уже не ограниченного, как в BEDO, двумя битами.

Количество матриц (банков) памяти в SDRAM увеличено с одного до двух (а, в некоторых моделях, и четырех). Это позволяет обращаться к ячейкам од-

22

ного банка параллельно с перезарядкой внутренних цепей другого, что вдвое увеличивает предельно допустимую тактовую частоту. Помимо этого появилась возможность одновременного открытия двух (четырех) страниц памяти, причем открытие одной страницы (т.е. передача номера строки) может происходить во время считывания информации с другой, что позволяет обращаться по новому адресу столбца ячейки памяти на каждом тактовом цикле.

В отличие от FPM-DRAM\EDO-DRAM\BEDO, выполняющих перезарядку внутренних цепей при закрытии страницы (т.е. при дезактивации сигнала RAS), синхронная память проделывает эту операцию автоматически, позволяя держать страницы открытыми столь долго, сколько это угодно.

Разрядность линий данных увеличилась с 32 до 64 бит. Память обладает низкой латентностью.

Формула чтения произвольной ячейки из закрытой строки для SDRAM обычно выглядит так: 5-1-x-x, а открытой - 3-1-х-х.

Недостатком памяти является относительно низкая рабочая частота (до 133166 МГц), что ограничивает увеличение ее пропускной способности.

DDR1, DDR2 и DDR3

DDR1 (Double Data Rate) - память с удвоенной скоростью передачи данных. Удвоение скорости достигается за счет передачи данных и по фронту, и по спаду тактового импульса. Благодаря этому эффективная частота увеличивается в два раза. Маркируется по пропускной способности. Например, DDR 3200 означает, что память работает на частоте 3200/8байт/2посылки_за_такт=200 МГц.

Память DDR2 характеризуется тем, что данные передаются с учетверенной частотой. В памяти DDR3 за один такт передается до 8 посылок данных.

Установка адреса для памяти DDR1-DDR3 осуществляется на частоте FT, 2FT и 4FT. Недостатком DDR памяти является относительно высокая латентность.

RDRAM (Rambus DRAM) - Rambusпамять

Память Direct RDRAM разработана компанией Rambus. Ее архитектура имеет три особенности:

1)Увеличена тактовая частота за счет сокращения разрядности шины.

2)Одновременная передача номеров строки и столба ячейки.

3)Увеличение количества банков для усиления параллелизма.

Недостатком памяти является значительная латентность и высокая стоимость.

23

Рис. 5.2. Временная диаграмма, иллюстрирующая работу современных типов памяти

						Таблица 5.2.
Тип па-	Наимено-	Рабочая	Разр.,	Время	Время рабо-	Пропускная
мяти	вание	частота	бит	доступа,	чего цикла,	способность,
		FT, МГц		нс	нс	Мбайт/с
FPM		25, 33	32	70, 60	40, 35	100, 132
EDO		40, 50	32	60, 50	25, 20	160, 200
SDRAM	PC133	66 - 133	64	40, 30	10, 7.5	528 - 1064
DDR1	PC3200	100 - 200	64	30 - 15	5 - 2.5	1600 - 3200
DDR2	DDR2-800	100 - 200	64	50-150	2.5-1.25	6400-12800
RDRAM		400800	16	30	2.5	1600 - 3200

Контрольные вопросы

1.Приведите основные характеристики блоков памяти.

2.Каковы способы повышения быстродействия блоков памяти?

3.Сравнительные характеристики элементов FPM, EDO и BEDO.

4.Опишите структуру памяти SDRAM.

5.Каковы особенности блоков DDR, DDR2, RAMBUS?

24

Часть 2. Базовая архитектура ПЭВМ стандарта IBM PC/XT

Лекция 6. История появления стандарта PC. Фирмы IBM, Microsoft, Intel, AMD

6.1. Вклад фирмы IBM в создание и развитие ПК

Фирма IBM ( Internаtionаl Business Mаchinees Corp.) всегда была законодателем мод в области вычислительной техники.

1911г. - механические арифмометры с перфокарточным вводом.

1944г. - электрическая вычислительная машина на релейных логических элементах. 1946г. - ЭВМ ENIAC на электронных лампах. Обе машины использовались для научных расчетов.

Первое поколение ЭВМ связывают с массовым производством UNIAC 1 с 1951 г. В качестве элементов памяти использовались ртутные линии задержки, запоминающие электронно-лучевые трубки, магнитные барабаны и сердечники.

Второе поколение (60-е годы) характеризуется использованием транзисторов, которые были изобретены в 1948 г.

Третье и четвертое поколение (середина 60-х и 70-е годы) связаны с появлением малых и больших интегральных микросхем, а также с внедрением методов автоматизированной сборки ЭВМ. В это время фирма IBM создает серию мощных многопользовательских машин, в том числе модели 360 и 370.

Пятое поколение компьютеров подразумевает широкое использование микропроцессоров и исходит от середины 70-х годов по настоящее время. С начала 90-х годов появляются ЭВМ шестого поколения с широким использованием оптоволоконной и другой светотехники для сверхбыстрой передачи информации.

Следует также отметить большой вклад IBM по созданию программных продуктов: от языка Фортран (1955г.) до исследований в области искусственного интеллекта.

До появления ПЭВМ IBM PC в 1982 г. фирмы MITS (Altair), Apple, Commodore, Radio Shack уже создали первые ПЭВМ, аппаратные средства которых были закрыты для пользователей и конкурирующих фирм.

IBM позже других включилась в борьбу за рынок персональных ЭВМ, но быстро стала победителем. Это связано не только с мощностью фирмы, но и с правильной политикой ее руководителей в области техники, технологии и бизнеса.

Во-первых, была принята открытая архитектура - можно "рыться в мозгах" компьютера и подключать к нему практически любое электрически управляемое оборудование. Кроме того, была принята беспрепятственная продажа лицензий другим фирмам-изготовителям (Сингапур, Тайвань, Южная Корея, Япония).

25

Второй причиной успеха явилась ставка на перспективные микропроцессоры фирмы Intel и программную поддержку фирмы Microsoft. Несколько позже к ним активно подключились фирмы AMD, SIS, VIA, ATI, NVIDIA и многие другие. Таким образом, IBM является основным разработчиком стандарта PC, который стал доминирующим в мире.

Основы стандарта IBM/PC - открытая архитектура, принцип магистральности, модульности, совместимость «сверху-вниз». Процессор на базе 45 нм технологии производства с 820 миллионами транзисторов будет выполнять программу, написанную на CPU Intel 8086 c 29 тысячами транзисторов, созданным по технологии 2500 нм без малого тридцать лет назад.

по-английски "bug" значит "насекомое"

В настоящее время фирма IBM сосредоточила свое внимание на традиционных для себя суперЭВМ, а также на разработке передовых технологий выращивания кристаллов микропроцессоров.

6.2. Вклад фирмы Microsoft в создание и развитие ПК

Основанная в 1975 году Полом Аленом и Биллом Гэйтсом корпорация Microsoft является признанным мировым лидером в производстве программного обеспечения на всех этапах эволюции стандарта PC. Прежде всего это операционные системы для персональных компьютеров и серверов. 1981-1993 годы. Текстовая однозадачная 16-разрядная оболочка MS-DOS 1.0…5.0 поставляется вместе с новым компьютером IBM PC…486.

1983-85 годы – Выпуск Windows 1.0 – среды, дополняющей DOS графическим интерфейсом.

1987 - Выход Windows 2.0 – впервые используется защищенный режим CPU 286.

1990-92 - Выход Windows 3.0-3.1. Введены диспетчеры программ и файлов. 1993-97 - Выпуск Windows NT (сокращение от New Technology — новая технология) – первая полностью 32-разрядная ОС, рассчитанная на корпоративных пользователей. Появление связано, прежде всего с появлением Pentium – систем.

1995 - Выходит Windows 95. Впервые используются сетевые технологии TCP/IP. По уровню соответствует компьютерам Mac.

1998-1999 - Windows 98-98SE-ME. Смешанная операционная система с элементами DOS.

2000 – Windows 2000. Явилась преемницей Windows NT.

2001 – Windows XP. Полностью 32-разрядная среда, объединяющая преимущества Windows 2000 и Windows 98.

2003 – Windows Server 2003.

2006 – Vista – новая 32-64 разрядная операционная система.

(создатель ядра Linux - Линукс Торвальдс)

Таким образом, фирма Microsoft является основным разработчиком операционных систем для PC.

26

6.3. Вклад фирмы Intel в создание и развитие ПК

Корпорация Intel - integrated electronics была создана Робертом Нойсом, Гордоном Муром и Эндю Гроув в 1968 г. Все трое пришли из фирмы Fairchild Semiconductors. Роберт Нойс известен как изобретатель микросхемы в 1959 г. Гордон Мур в 1965 г. опубликовал статью, в которой предвосхитил экспоненциальный характер увеличения производительности микросхем от времени. Закон Мура гласит: «мощность микросхемы удваивается каждые восемнадцать месяцев». Эндю Гроув считается одним из самых выдающихся организаторов производства.

Первоначальной идеей фирмы была разработка полупроводниковой памяти взамен элементов на магнитных сердечниках. Появились запоминающие устройства с ультрафиолетовым стиранием. Однако наибольшие успехи Intel связаны с созданием микропроцессоров.

1971 г. - четырехразрядный микропроцессор (МП) Intel 4004.

1979 г. - первый CPU серии X86 - 8088, содержащий около 30 тыс. транзисторов с шагом 2 микрона. (Толщина человеческого волоса примерно 100 микрон). За ним последовали 16-разрядные 8086, 80186 и, наконец, 80286 - самый популярный CPU до середины 80-х годов (около 100 тыс. транзисторов).

В 1985 г. представлен 32-битовый CPU Intel386, который содержит около 300 тыс. транзисторов.

В 1989 году выпущен процессор Intel486. Впервые объединены CPU, математический сопроцессор и кэш-память на одном кристалле с общим числом транзисторов 1.2 миллиона. Intel486 по производительности более чем в 50 раз превзошел своего предшественника - CPU 8088 при полной совместимости программного обеспечения, используемого на более ранних моделях микропроцессоров.

В 1993 году объявлен новый 32-разрядный CPU Pentium (P5) - самый мощный CPU семейства X86. Pentium содержал более 3.1 млн. транзисторов с шагом 600 нм и был быстрее Intel486 почти в 2 раза. Структуру процессора предложил Винод Дэм в 1989 г.

Новое тысячелетие встречено процессором Pentium IV с тактовой частотой более 1.4 ГГц с техпроцессом 130 нм.

За 20 лет развития стандарта PC линейный размер транзистора утончился в 15 раз, а частота процессора увеличилась в 400 раз. При этом количество транзисторов на кристалле возросло в 3 тыс. раз. В целом, производительность процессора увеличилась примерно в 10 тыс. раз. По закону Мура производительность должна была возрасти в 2^(20лет/1.5года)=16 тыс. раз. Так что закон примерно соблюдался. Но, как заявил сам Гордон Мур, экспоненциальный рост замедляется и прекратится к 2015-2020 году после достижения технологического предела 16 нм. Вместе с тем, имеются другие способы повышения производительности, в частности, распараллеливание вычислений.

27

Таким образом, фирма Intel является пионером в создании 16-и и 32разрядных микропроцессоров для PC.

6.4. Вклад фирмы AMD в создание и развитие ПК

Фирма AMD была образована в 1969 г. и связана, прежде всего, с Джерри Сандерсом, который еще работая в Fairchild Semiconductors (!) предложил продавать транзистор по цене 1$ при его начальной себестоимости 100$. Так был выигран рынок у конкурентов, а себестоимость транзистора за несколько лет снизилась до 15 центов и первоначальные издержки себя окупили.

Поначалу собственные разработки не вели, а приобретали лицензии на производство МС у других фирм, в том числе у Intel. Так появились клоны 8080, 8086, Am286, Am386 и Am486. С последними процессорами связаны претензии Intel о незаконном использовании микрокода со стороны фирмы AMD. В результате AMD отсудила от Intel 1 млрд. долларов. Это позволило фирме AMD поглотить фирму NEX с группой разработчиков во главе с Атиком Раза. Так появились процессоры K5 и K6, а за ними в 1999 году знаменитый Athlon. Наконец, в 2003 на рынок выпущен первый 64-х разрядный процессор Athlon64.

Следует отметить, что фирма AMD всегда использовала передовые технологии производства, что совместно с продвинутой МП архитектурой позволило создать самые производительные процессоры.

Наиболее значимый вклад фирмы AMD – выпуск первого 64-разрядного процессора.

Контрольные вопросы

1.Какой вклад фирмы IBM в ITиндустрии.

2.Какова роль фирмы Microsoft в компьютерной технике?

3.Исторические этапы разработки процессоров фирмой Intel.

4.Какова роль фирмы AMD в развитии микропроцессорной техники?

5.Укажите четыре наиболее революционных CPU для PC.

28

Лекция 7. Архитектура ПЭВМ IBM PC/XT и способы подключения внешних устройств

7.1. Функциональная схема ПЭВМ IBM PC/XT

Шинная организация персональных компьютеров

Шины персонального компьютера образует группа линий передачи сигналов с адресной информацией, данных, а также управляющих сигналов. Фактически ее можно разделить на три части: адресную шину, шину данных и шину управляющих сигналов. Последнюю следует понимать условно, так как управляющие сигналы в значительной степени рассеяны по системной плате. Уровни этих сигналов определяют состояние системы в данный момент времени.

На рис. 7.1. изображена обобщенная структурная схема компьютеров IBM PC, состоящая из синхрогенератора 82X84, микропроцессора 80Х86 и системного контроллера 82Х88 (дешифратор управляющих сигналов). Кроме того, указаны три шины: адреса, данных и управляющих сигналов.

Синхрогенератор выдает тактовый сигнал для CPU и др. МС. Сигнал - RESET производит сброс CPU и др. МС в начальное состояние (инициализация). Сигнал READY# предназначен для удлинения циклов при работе с медленными периферийными устройствами.

					ША		ШД	ШУ
┌───────┐		CLK	┌────────────┐ адрес			║	║	║
│	├──────────┤				╞══════════╣		║	║
│	│	RESET	│		│ данные	║	║	║
│ 82X84 ├──────────┤				80 X86	╞══════════║═════╣			║
│	│ REАDY#		│	(8088)	│ упр.сигн.║		║	║
│	├──────────┤				╞══════════║═════║═════╣
└───────┘			└─┬────┬───┬─┘			║	║	║
			S0# │ S1#│		│S2#(M/IO#)	║	║	║
			│	│	│ управл.	║	║	║
			┌─┴────┴───┴─┐ сигналы			║	║	║

│82 Х88 ╞══════════║═════║═════╣

└────────────┘

║

║

║

Рис. 7.1. Упрощенная структурная схема ПК IBM PC

На адресную шину, состоящую из 20-64 линий, CPU выставляет адрес байта или слова, который будет пересылаться по шине данных в процессор или из него. Кроме того, шина адреса используется CPU для указания адресов периферийных портов (10 линий младших разрядов), с которыми производится обмен данными.

Шина данных состоит из 8-64 линий для двунаправленной передачи байтов и слов.

Шина управления формируется сигналами, поступающими непосредственно от CPU, сигналами от системного контроллера, а также сигналами, идущими от других МС и периферийных адаптеров.

CPU использует системный контроллер для формирования управляющих сигналов, определяющих перенос данных по шине. Он выставляет три сигнала

29

S0#, S1#, M/IO# (S2#), которые определяют тип цикла шины: подтверждение прерывания (IntA), чтение и запись в порт ввода/вывода (IOR# и IOW#), останов (Halt), чтение и запись в память (memR# и memW#).

На основании сигналов S0-S2 системный контроллер формирует динамику цикла шины. Это происходит в течение 4 тактов CLK (2-х состояний CPU по 2 такта CLK).

Организация системных шин PC/XT

Выше рассматривалась локальная шина L в архитектуре компьютера. Имеется также основная системная шина S для связи системной платы с внешними устройствами. Она выведена на 8 специальных слотов (ламелевые разъемы с дюймовым шагом). В них устанавливаются платы периферийных адаптеров (дисплея, флоппи-диска, винчестера, мыши, принтера и т.д.).

		BL		BS		BX
┌──────┐		║	┌───┐	║	┌───┐	║	┌─────┐
│ CPU	╞══╣		│Buf│	╠═══╡Buf╞══╬══╡ BIOS│
│ 80X86│		╠═══╡ ╞═══╣			│ │	║	├─────┤
└──────┘		║	└───┘	║	└───┘	╠══╡ PPI ├──── Keyboard
┌──────┐		║	┌───┐	║		║	├─────┤
│ COPR ╞══╣			│FDC╞═══╣			║══╡ PIT ├──── Sound
│ 80X87│		║	├───┤	║		║	├─────┤
└──────┘		║	│HDC╞═══╣			╠══╡ PIC │
┌──────┐		║	├───┤	║		║	├─────┤
│ I/O	╞══╣		│ VA╞═══╣			╠══╡ DMA │
│	│	║	└───┘	║		║	├─────┤
└──────┘				║		╠══╡ RTC │
┌──────┐		╔══════════╣					└─────┘

││═══╝ ┌───┐ ║

│Device│──────┤PP ╞═══╣			BM
│	│	├───┤ ║	┌───┐ ║ ┌─────┐

││──────┤SP ╞═══╬═══╡Buf╞══╬══╡ RAM │

└──────┘

└───┘ ║ └───┘ ║ └─────┘

Рис. 7.2. Структура системы PC/XT

CPU - центральный процессор; COPR - математический сопроцессор; I/O - сопроцессор ввода/вывода; Buf - шинный формирователь или регистр (буфер); BIOS - базовая система ввода/вывода (ROM); PPI - программируемый периферийный интерфейс; PIT - программируемый интегральный таймер; PIC - программируемый контроллер прерываний; DMА - контроллер прямого доступа в память; RTC - часы реального времени и RАM конфигурации; FDC - контроллер флоппи-диска; HDC - контроллер винчестера; VA - видеоадаптер; MD - модем; PP - параллельный порт (Centronics); SP - последовательный порт (RS232); Device - внешний адаптер или другое устройство.

Линии адреса, идущие от МП, образуют шину L. Для передачи этого адреса на шину S в XT частично, а AT для всех линий имеются специальные буферные регистры-защелки. Эти регистры передают адрес с L на S-шину, но также и разъединяют их в случае необходимости. Например, когда осуществляется прямой доступ к памяти. В этом случае адреса на шину S выставляют контроллер ПДП и так называемые страничные регистры. Таким образом, наличие трех шин позволяет выставлять адреса различным МС.

30