Реферат: Анализ и оценка аппаратных средств современных ПЭВМ

Государственный  комитет по связи и информатике

МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТСВЯЗИ

И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра ВТ и УС

Курсовая  работа

по  теме

Анализ и оценкааппаратных средств современных ПЭВМ

Выполнил:

  Студент гр. А19301

Рыбалко С.О.

Проверил:

д.т.н. Козырева

Москва

1997

Введение

В наше время трудно представить себе, что безкомпьютеров можно обойтись. А ведь не так давно, до начала 70-х годоввычислительные машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, аих применение, как правило, оставалось окутанным завесой секретности и малоизвестным широкой публике. Однако в1971 г. произошло событие, которое в корнеизменило ситуацию и с  фантастическойскоростью превратило компьютер в повседневный рабочий инструмент десятковмиллионов людей. В том вне всякого сомнения знаменательном году еще почтиникому не известная фирма Intel из небольшого американского городка скрасивым  названием Санта-Клара (шт.Калифорния), выпустила первый микропроцессор. Именно ему мы обязаны появлениемнового класса вычислительных систем — персональных компьютеров, которыми теперьпользуются, по существу, все, от учащихся начальных классов и бухгалтеров домаститых ученых и инженеров.  Этиммашинам, не занимающим и половины поверхности обычного письменного стола,покоряются все новые и новые классы задач, которые ранее были доступны (а поэкономическим соображениям часто и недоступны — слишком дорого тогда стоиломашинное время мэйнфреймов и мини-ЭВМ) лишь системам, занимавшим не одну сотнюквадратных метров. Наверное, никогда прежде человек не имел в своих рукахинструмента, обладающего столь колоссальной мощью при столь микроскопическихразмерах.

Процессоры

Первый шаг

15 ноября 1971 г. можно считатьначалом новой эры в электронике. В этот день компания приступила к поставкампервого в мире микропроцессора Intel4004 — именно такое обозначение получил первый прибор, послужившийотправной точкой абсолютно новому классу полупроводниковых устройств.

Создав новый рынок и захватив нанем господствующие высоты, Intel тем не менее стремилась расширить его границы,и за 25 лет процессоры проделали поистине гигантский путь.

Рассмотрим типы процессоров,которые применяются в данное время:

80286

Процессор i80286 был анонсирован 1 февраля 1982 г. Архитектура ихарактеристики чипа оказались весьма впечатляющими. Оставшись 16-разряднымприбором, по производительности новый ЦП в 3—6 раз превзошел своегопредшественника (i8086) при тактовой частоте первой модификации 8 МГц.Благодаря использованию многовыводного корпуса разработчики смогли применитьсхему с раздельными шинами адресов и данных. 24 разряда адреса позволилиобращаться к физической памяти объемом до 16 Мбайт — такую же емкость имелитогда и старшие модели большинства мэйнфреймов. Встроенная система управленияпамятью и средства ее защиты открывали широкие возможности использования МП вмногозадачных средах. Кроме того, аппаратура i80286 обеспечивала работу свиртуальной памятью объемом до 1 Гбайт.

Новый ЦП имел два режима работы — реальный и защищенный. В первом случае он воспринимался какбыстрый ЦП i8086 с несколько расширенной системой команд и прекрасно подходилтем потребителям, для которых, помимо скоростных характеристик, жизненно важнымбыло сохранение существующего задела ПО. Работа в защищенном режимепозволяла использовать преимущества прибора в полном объеме, и прежде всего —большой объем основной памяти.

Первенец   32-разрядных   систем

 Первенец  32-разрядных   систем  i80386был представлен 17 октября 1985 г. и имел все права на звание процессора дляЭВМ общего назначения. Использование КМОП-технологии с проектными нормами     1 мкм и двумя уровнями металлизациипозволило разместить на кристалле 275 тыс. транзисторов и реализовать полностью32-разрядную архитектуру ЦП. 32 разряда адреса обеспечили адресацию физическойпамяти объемом до 4 Гбайт и виртуальной памяти емкостью до 64 Тбайт. Помимоработы с виртуальной памятью допускались операции с памятью, имевшей страничнуюорганизацию. Предварительная выборка команд, буфер на 16 инструкций, конвейеркоманд и аппаратная реализация функций преобразования адреса значительноуменьшили среднее время выполнения команды. Благодаря этим архитектурнымособенностям, процессор мог выполнять 3 — 4 млн. команд в секунду, что примернов 6 — 8 раз превышало аналогичный показатель для МП i8086. Безусловно, новыйприбор остался совместимым со своими предшественниками на уровне объектныхкодов.

Особый интерес представляли трирежима работы кристалла ¾ реальный, защищенный и режим виртуальногоМП i8086. В первом обеспечивалась совместимость на уровне объектных кодов сустройствами i8086 и i80286, работающими в реальном режиме. При этомархитектура i80386 была почти идентична архитектуре 86-го процессора, дляпрограммиста же он вообще представлялся как ЦП i8086, выполняющийсоответствующие программы с большей скоростью и обладающий расширенной системойкоманд и регистрами. Благодаря этим качествам 32-разрядного продукта компаниясохранила прежних клиентов, которые хотели модернизировать свои системы, неотказываясь от имевшегося задела в области программного обеспечения, ипривлекла тех, кому изначально требовалась высокая скорость обработкиинформации.

Одно из основных ограниченииреального режима было связано с предельным объемом адресуемой памяти, равным 1Мбайт. От него свободен защищенный режим, позволяющий воспользоваться всемипреимуществами архитектуры нового ЦП. Размер адресного пространства в этомслучае увеличивался до 4 Гбайт, а объем поддерживаемых программ до 64 Тбайт.Системы защищенного режима обладали более высоким быстродействием и  возможностями организации истинноймногозадачности.

Наконец, режим виртуального МПоткрывал возможность одновременного исполнения ОС и прикладных программ.написанных для МП i8086, i80286  и80386.Поскольку объем памяти, адресуемой 386-м процессором, не ограничен значением 1Мбайт, он позволял формировать несколько виртуальных сред i8086.

10 апреля 1989 г. корпорацияIntel объявила о начале выпуска 32 разрядного прибора второго поколения — i80486, ставшего после устройств i8080и !8086 еще одним долгожителем.

Pentium

Стремительное усложнениепрограммного обеспечения и постоянное расширение сферы применения компьютеровнастоятельно требовали существенного роста вычислительной мощи центральныхпроцессоров ПК. Ко всему прочему на пятки стали наступать и RISC-процессоры.Хотя в конце 80-х годов некоторые эксперты предсказывали близкий конецкристаллов СISC, корпорация Intel вполне справедливо посчитала, что до этогоеще далеко и в микропроцессорах использованы не все возможностиСISC-архитектуры. Кроме того, фирме вряд ли простили бы отказ от программнойсовместимости с предшествующими моделями — стоимость накопленного системного иприкладного ПО уже измерялась в миллиардах долларов.

Как это случалось не раз, проработкинового процессора начались, когда проект создания 486-го МП вступил взаключительную стадию. В основу продукта была положена суперскалярнаяархитектура (еще один атрибут из мира мэйнфреймов), которая и дала возможностьполучить пятикратное повышение производительности по сравнению с моделью 486DХ.Высокая скорость выполнения команд достигалась благодаря двум 5-ступенчатымконвейерам, позволявшим одновременно исполнять несколько инструкций. Дляпостоянной загрузки обоих конвейеров из кэш’а требуется широкая полосапропускания. Совмещенный буфер команд и данных обеспечить ее не мог, иразработчики воспользовались решением из арсенала  RISC-процессоров, оснастив Pentiumраздельными буферами команд и данных. При этом обмен информацией с памятьючерез кэш данных осуществлялся совершенно независимо от процессорного ядра, абуфер инструкций был связан с ним через высокоскоростную 256-разряднуювнутреннюю шину. Несмотря на то что новый кристалл был спроектирован как 32-разрядный,для связи с остальными компонентами системы использовалась внешняя 64-разряднаяшина данных с максимальной пропускной способностью 528 Мбайт/с. Еще одной«изюминкой» архитектуры, позаимствованной у представителей универсальных ЭВМстала схема предсказания переходов.

По скорости выполнения команд сплавающей точкой Pentium в пять — семь раз превзошел процессор 486DX2/50 и почти на порядок — микросхему486DX/33.

Pentium Pro

27 марта 1995 г. Intelпредставила микропроцессор шестого поколения, получивший название Pentium Pro. Стремление выжать изCISC-архитектуры практически все, на что она способна, заставило разработчиковэтого продукта пользоваться почти всеми техническими решениями, которые ранееприменялись в супер ЭВМ и мэйнфреймах (благо, достигнутая степень интеграцииэто уже позволяла). Прежде всего речь идет об использовании механизмадинамического разделения порядка выполнения команд нескольких многоступенчатыхконвейеров вместо двух 5-ступенчатых конвейеров, характерных для Pentium. НовыйЦП имеет их три, в каждом из которых 14 ступеней. Подобный многофазный конвейерпозволил обеспечить высокую тактовую частоту процессора (133 МГц в первоймодели). Для осуществления постоянной загрузки конвейера необходимывысокоэффективный кэш команд и высококачественная схема предсказания переходов.Поэтому в отличие от своего предшественника, имевшего двухвходовойассоциативный кэш инструкций, Pentium Pro обладает более эффективнымчетырехвходовым кэш’ем, а также схемой предсказания ветвлений на 512 входов.Кроме того, для повышения производительности была применена буферная памятьвторого уровня емкостью 256 Кбайт, расположенная в отдельном чипе исмонтированная в том же корпусе, что и процессор. Кристалл кэш’а связан спроцессором собственной синхронной 64-разрядной шиной, работающей на тактовойчастоте процессора  .

Технические характеристики новогоЦП обеспечили ему устойчивый сбыт в секторе высокопроизводительных серверов ирабочих станций, на долю которого приходится пока наибольший объем продажкристалла. Что касается персональных компьютеров, то здесь распространениеPentium Pro пока сдерживается относительно высокой стоимостью и недостаточнымобъемом прикладного ПО, в полной мере использующего все преимуществапроцессора.

Материнские платы

Почти все современные платыиспользуют шину PCI и поддерживают спецификациюPCI-2.0. Архитектура системных плат сшиной PCI за довольно короткий промежутоквремени претерпела существенные изменения,направленные в конечном счете, на повышение производительности, — от РСI Bridge до РСI Host Concurrent Bus, допускающейконкурентные циклы процессор-память иPCI-память.

CHIPSET

Появление chipset Triton фирмыIntel, со значительно расширенными по сравнению с ранними версиямивозможностями по управлению шиной и применению новых типов памяти, установилоновый стандарт на производительные системы на основе процессоров типа Pentium (90, 100, 120 MHz и т. д.).

Triton (82430FX PCIset) поддерживает:

·     РС1РС12.0 (Triton VX— РС1 2.1);внешние тактовые частоты 50/ 60/ 66 MHz;

·     РС1на частотах 25/30/33 MHz;

·    256 или 512 KB кэш-памяти второго уровня — pipeline burst SRAM, асинхронную SRAM;

·     4 до 128 MB EDO DRAM или FPM DRAM;

содержит встроенный Bus Master IDE контроллер на 4 устройства (режимы PIO mode 4 и MultiWord DMA mode 2).

Естественно, что все новые моделиchipset по своим возмож­ностям находятся примерно на уровне Triton и, крометого, поддерживают и Pentium, и процессоры К5 и М1 фирм AMD и Cyrix.

Chipset фирмы Acer LaboratoryInc. под названием Aladdin M1511/12/13предназначен как для двухпроцессорных, так и однопроцессорных конфигураций.Рассчитан на процессоры Pentium (от 60/66MHz на 5V до 150 MHz, 2.5 V). В однопроцессорной конфигурации можноприменять также Cyrix М1 и AMD К5. Предусмотрена поддержка pipeline burst SRAM и EDO DRAM. Имеется встроенный контроллерEnhanced IDE.

Новые chipset для процессоровсемейства 486, например ALI М 1489 фирмы,используют некоторые решения, разработанные для Pentium, в частности,возможность применения памяти типа EDO DRAM, а также поддерживают процессорыMISC фирмы Cyrix и Enhanced 486 фирмыAMD.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ВСТРОЕННЫЕ УСТРОЙСТВА

Во всех новых моделях системныхплат для Pentium предусмотрена поддержка процессоров не только на 90/100 MHz, но и 120, 133, 150 MHz, а в некоторых—155, 167, 180 и 200 MHz. Разныезначения напряжения питания, требующиеся для разных моделей процессоров,обеспечиваются регуляторами напряжения, как встроенными, так и в виде внешнихмодулей Voltage Regulator Module — VRM(для них предусмотрены специальные разъемы). Практически обязательными сталивстроенные контроллеры Enhanced IDE на 4устройства с поддержкой режимов PIO mode 3, 4и DMA Mode 2 (Bus Master IDE). На почтиво все системные платы, как для Pentium, так и для семейства 486, встраивают также контроллерыфлоппи-дисков и Enhanced Ports. Последовательные порты, благодаря применениюуниверсального асинхронного приемопередатчика UART 16550 с FIFO регистром, позволяют осуществлять безошибочныйвысокоскоростной обмен данными. В некоторых случаях предусмотрена такжеподдержка последовательного инфракрасного порта Infrared (IrDA).Соответствующий модуль подключается через 5-штырьковый разъем. IrDA обеспечивает обмен данными на расстояниидо одного метра со скоростью 115 kbps.Инфракрасными портами снабжаются в настоящее время многие переносные устройства(notebook, laptop), а также принтеры.

Системные платы типа AII-In-One,в которых кроме встроенных контроллеров и портов имеется также и графическийадаптер и, зачастую, звуковая плата, выпускаются в больших количествах,особенно фирмой Intel. Применение плат All-In-One ограничивалось всегданеобходимостью использования специального корпуса типа slim, ultra slim, superslim и, кроме того, небольшим числом слотов расширения и недостаточнымивозможностями для дальнейшей модернизации. Тем не менее, тенденцияинтегрировать, как можно больше устройств в системную плату прослеживаетсявполне отчетливо (и не обязательно только в платах типа AII-In-One). Так, например, встроенные SCSI-адаптеры применяются уже достаточно давно.

СИСТЕМНЫЕ ПЛАТЫ PENTIUM

Фирма ASUSTeK выпускает широкий набор системных плат под Pentium, как воднопроцессорной, так и в двухпроцессорной конфигурации. Используются chipset фирмы Intel (Triton, Neptune), атакже фирмы SiS. Вовсех платах применены версииBIOS фирмы AWARDи SCSI BIOS фирмы NCR, реализованные на основеFlash EPROM емкостью 1 M bit.

Пример: Модель РС1/1-Р55ТР4ХЕ рассчитана на процессоры Р54Сс тактовыми частотами 75, 90, 100, 120, 133, 150 MHz. В ней используется chipset Intel Triton. Встроенный Bus Master Enhanced IDEконтроллер обеспечивает обмен данными в режимах Р10 mode 3и 4 и DMA mode 2. Имеются контроллерыфлоппи-дисков и EnhancedPorts. BIOS фирмы Awardподдерживает режим Plug&Play. Платаснабжена дополнительным слотом MediaBus,который может использоваться совместно со слотом РС1 для подключения комби­нированныхадаптеров, например графического, совмещенного со звуковой платой (шина MediaBusявляется неким аналогом шиныISA, только выведена на другой разъем).

 СИСТЕМНЫЕ ПЛАТЫ 486

Фирма ASUSTeK поставляет классические, очень тщательно сконструированныемодели плат для процессоров семейства. 486.Используется chipsetфирм Intelи SiS. Все платы поддерживают широкуюноменклатуру процессоров производства Intel (включаяPentium OverDrive Р24Т), AMD,Cyrix, UMC.Хотя локальная шина VLB,разработанная в свое время специально под процессоры семейства 486, сейчас активно вытесняется шиной РС1, нарынке все еще имеется большое количество качественных графических и другихадаптеров, выполненных в этом конструктиве. Поэтому разъем под шину VLB сохранен даже в системныхплатах, использующих РС1. Модель PVI-486SP3 (с шинами PCI/VLB/ISA) собрана на chipset SiS 85С496&85С497, использует BIOS фирмы Award и поддерживает до 512 KB кэш-памяти. Плата имеет полный набор встроен­ныхконтроллеров. МодельPVI-486AP4 используетchipset Intel Green PC 824.20EX PCIset (Intel Aries) и содержит только Enhanced IDE контроллер.Наконец модель VL/1-486SV2GX4на популярной микросхеме SiS 471 ориентированана шину VLB (2слота). Среди особенностей можно отметить поддержку кэш-памяти большого объема- до 1МВ. Новые версии платPVI предусматривают Plug&Play, дляболее старых возможен upgrade для BIOS.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Системная плата должнаобеспечивать достижение максимально высокой производительности как процессора иоперативной памяти, так и других частей компьютера — графических адаптеров, жестких дисков и прочих. Поэтому тестированиесистемной платы на производительность, предполага­ющее оценку быстродействияпрактически всех компонентов, дает полезную информацию не только о ней самой,но и об этих компонентах. Сопоставление результатов может помочь в выборе тогоили иного технического решения и конкретных типов комплектующих. Следует сразуоговориться, что не стоит абсолютизировать результаты какого-либо тестирования.Идеальных тестов не бывает, они в той или иной мере рассчитаны на оценку либовыделенных подсистем компьютера, либо на некоторые интегральные характеристики.В данном случае это не более чем ориентир, особенно полезный при настройкесистемы. Лучший тест -  это конкретная рабочая средаконкретного пользователя.

Анализ результатов тестированияпоказывает, что хотя при­менение новых типов памяти и дает некоторый выигрыш впроиз­водительности, он невелик. Это легко понять с учетом того, что дажестандартная кэш-память второго уровня обеспечи­вает для типовых задач доступ коперативной памяти со скоростью, достаточно близкой к максимально возможной дляданного типа процессора, так что дальнейшее ускорение дается с большим трудом ине может быть значительным. Тем не менее, применение новых типов памятиявляется вполне оправданным, так как позволяет поднять реальнуюпроизводительность при работе со многими приложениями и в мультизадачной среде.Из некоторых источников и публикаций можносделать и еще один важный вывод. Он заключается в том, что главное средствоповышения производительности всех подсистем компьютера, включая графическую и,с некоторыми оговорками, жесткие диски, —это использование более мощного процессора.

Оперативная память

Практически все компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю.

Оперативная память предназначена для хранения переменнойинформации, как она допускает изменение своегосодержимого в ходе выполнения микропро­цессоромвычислительных операций. Таким образом, этот вид памятиобеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации. Поскольку в любоймомент времени доступ может осуществляться кпроизвольно выбранной ячейке, то этот вид памятиназывают также памятью с произвольной выборкой — RAM (Random Access Memoiy). Для построения запо­минающих устройств типа RAM используют микросхемы статической идинамической памяти.

Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнениямикропроцессоров программы. Постоянная память имеет собственное наз-вание — ROM (Read Only Memory), которое указывает нато, чт'о она обеспечивает только режимы считыванияи хранения. Постоянная память обладает темпреимуществом, что может сохранягь информацию и приотключенном питании. Это свойство получило название энергонезависимость. Всемикро­схемы постоянной памяти по способу занесенияв них информации (программированию)делятся на масочные (ROM), программируемыеизготовителем, однократно программируемые пользователем (ProgrammableROM) и многократно программируемые пользователем (Erasable PROM).Последние в свою очередь подразделяются настираемые электрически и с помощью ультрафиолетового облучения. К элементам ЕРROM с электрическим стиранием информации относятся имикросхемы флэш-памяти.От обычных EPROM они отличаются высокой скоростьюдоступа и стирания записанной.информации. Вешняяпамять реализована обычно на магнитных носителях.

Оперативная память

Оперативная память составляет небольшую, но, безусловно, важнейшую часть персонального компьютера. Если от ти­папроцессора зависит количество адресуемой памяти, тобыстродействие используемой оперативной памяти во многом определяет скоростьработы процессора, и в конечном итоге влияет на производительность всейсистемы.

Практически любой персональный IBM-совместимый компьютероснащен оперативной памятью, реализованной микросхемами динамического типа спроизвольной выборкой. (DRAM, Dynamic Random AccessMemory). Каждый бит такой памяти физически представлен в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном вструктуре полупроводникового кристалла. Посколькувремя хранения заряда конденсатором ограничено(из-за «паразитных» ; утечек),то, чтобы не потерять имеющиеся данные, необход]имо периодическоевосстановление записанной информации, которое и выполняется в циклахрегенерации (refresh cycle). Это является, пожалуй, одним из основных недостатковдинамической памяти, в то время, как по критерию, увеличивающемуинформационную емкость, стоимость и энергопотребление, этот типпамяти во многих случаях предпочтительнее статической памяти (SRAM, Static RAM). Последняя в качестве элементарной ячейкипамяти использует так называемый статический триггер. Этот тип памяти обладаетвысоким быстзодействием и, как правило, используется в самых «узких». местах системы,например, для организации памяги.

Корпуса и маркировка

Элементыдинамической памяти для персональных компьютеров бываютконструктивно выполнены либо в виде отдельных микросхем в корпусах типа DIP (Dual In line Package), либо в видемодулей памяти типа SIP/SIPP (Single In line Pin Package)или типа SIMM (Single In line Mernory Module). Модули памяти представляют собой небольшиетекстолитовые платы с печатным монтажом с установленными на них микросхемами памяти в DIP-корпусах. При этом для подключения к системной  платена SIMM используется печатный («ножевой») разъем, а на модулях SIP — штыревой.

Логическая организацияпамяти

Используемый в IBM PC/XTпроцессор i8086 через свои 20 адресных линий может иметь доступ к пространству памяти всего в 1Мбайт. Но в то время, когда появились эти компьютеры, возможность увеличения доступной оперативной памяти в 10 раз (по сравнению с обычными 64 Кбайт) была просто фантастической. Отсюданаверно и появилась «волюн­таристская» цифра — 640Кбайт. Эти первые640 Кбайт адресуемогопространства в IBM-совместимых компьютерах называют обычно стандартной памятью (conventional memory).  Оставшиеся384 Кбайт были зарезервированы для системиспользованияи носят название памяти в верхних или высшихадресах (UMB,Upper Memory Blocks). Эта область памяти резервируется под размещение системного ROM BIOS (Read Only МешBasic Input Output System), видеопамяти и ROM-памяти, полнительныхадаптеров.

Дополнительная, или ехрanded-памягь

Почти на всех персональныхкомпьютерах область UMB редко оказывается заполненной полностью. Пустует,как правило,область расширения системного ROM BIOS часть видеопамяти и области под дополнительные модули ROM.На этом и базируется спецификация дополнительной памятиEMS (Expanded MemorySpecification), разработка фирмами LotusDevelopment, Intel и Microsoft (поэтому называемаяиногда LIM-спецификацией) еще в 1985 г. и позволяющая использоватьоперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц) памяти. В выделяется незанятое «окно» (page frame) в 64-Кбайт, которое разбито на 16-килобайтные страницы.Программные и аппаратныесредства позволяютотображать любой 16-килобайтный сегмент этойдополнительной expanded-иамйтив любой из выделенных 16-килобайтных страниц окна. Хотя микропроцессор всегда обращаетсяк данным, хранимым в окне (адрес 1 Мбайт), адреса этих данных могут бытьсмещены в дополнительной памяти относительно окна на несколько мегабайт.Спецификация LIM/EMS 4.0 позволяетиспользовать до  2048 логических страниц и расширитьобъем адресуемой памяти до 32 Мбайт.  Кроме этого, как и в EMS, физическиестраницы  могут быть расположены в любом месте памяти , отличный от 16 Кбайт. Таким образом могут задействоваться  области видеопамяти и UMB. Возможности спецификации позволяют, в частности, организоватьмногозадачный режим работы.

 Paсширенная, или ехрanded-памягь

Компьютеры,использующие процессор i80286 с24-разрядными адресными шинами, физически могутадресовать 16 Мбайт, а в случае процессоров i80386/486 — 4 Гбайта  памяти. Такая возможность появляется только при защищённом режимеработы процессора (protected mode), которого операционная система MS DOS не поддерживает. Расширенная память располагается выше области адресов 1Мбайт. Для работы сextended-памятью микропроцессор должен переходить из реального взащищенный режим и обратно.Микропроцессоры i80386/486 выполняютэту операцию достаточно легко, чего не скажешь о i80286. При наличиисоответствующего программного драйвера расширенную память можно эмулировать какдополнительную. Аппаратную поддержку в этом случаедолжен обеспечивать процессор не ниже i80386 иливспомогательный набор специальных микросхем.

Кэш-память

Кэш-память предназначена длясогласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких, напримеркак динамическая память с относительно быстрым микропроцессором.Использование кэш-памяти позволяет избегать циклов ожидания в его работе,которые снижают производительность всей системы.

У микропроцессора,синхронизируемого, например, тактовой частотой 33 МГц, тактовыйпериод составляет приблизительно 30 нс.Обычные современные микросхемы динамической памяти имеют время выборки от 60 до 80 нс.Отсюда, в частности, следует, что центральный процессор вынужден простаивать 2-3периода тактовой частоты (т.е. имеет 2-3цикла ожидания), пока информация из соответствующих микросхем памяти ус­тановитсяна системной шине данных компьютера. Понятно, что в это время процессор неможет выполнять никакую дру­гую работу. Такая ситуация ведет обычно к тому, чтообщая производительность системы снижается, что, разумеется, крайненежелательно.

С помощью технологии обработки,использующей кэш-па­мять, обычно делается попытка согласовать работу медленныхвнешних устройств с быстрым процессором. В переводе с английского слово «сасhе»означает не что иное, как убежище или тайник. Эти значения, очевидно, можнотолковать по-раз­ному: и как то, что кэш, по сути, является промежуточнымбуферным запоминающим устройством, и как то, что работа кэш-памяти практическипрозрачна (т.е. невидима) для пользователя. Кстати, в отечественной литературесинонимом кэш-памяти является термин «сверхоперативная память».

Соответствующий контроллеркэш-памяти должен забо­титься о том, чтобы команды и данные, которые будут необ­ходимымикропроцессору в определенный момент времени, оказывались в кэш-памяти именнок этому моменту. При не­которых обращениях к оперативной памяти соответствующиезначения заносятся в кэш. В ходе последующих операций чте­ния по тем ке адресампамяти обращения происходят только к кэш-память, без затраты процессорноговремени на ожида­ние, которое неизбежно при работе с основной динамическойпамятью. В персональных компьютерах технология использования кэш-памяти находитприменение прежде всего при обмене данными между микропроцессором и оперативнойпамятью, а также между основной памятью и внешней (накопителями на магнитныхносителях).

На кристалле микросхемыоперативной памяти SRАМ на­ходится огромное количество транзисторов. Как ужеговори­лось, принщп работы ячейки динамическойпамяти состоит в сохранении; заряда накрошечном конденсаторе, выполненном в полупроводниковой структуре кристалла.Понятно, что для того чтобы зарядить конденсатор до определенного значения,необходимо некоторое время. Чтобы конденсатор разрядился, также необходимоопределенное время. Таким образом, в ре­зультате процессов заряда и разрядаконденсатора ячейка памяти устанавливает либо в состояние 1, либо в состояние 0. Поскольку для заряда и разряда конденсатора необходимо вполнеопределенное (и немалое) время, то в этом и кроется причина   ограниченного   быстродействия   динамической памяти.

Статическая же память основана на триггерах, в которых применяютсяинтегральные транзисторы-переключатели. Такие транзисторы используют ключевойпринцип работы: они либо закрыты, либо открыты. Конечно, на переход транзисто­раиз одного состояния в другое также необходимо какое-то время, однако оносущественно меньше времени заряда-разря­да конденсатора, выполняющего рольэлемента памяти. Наряду с таким достоинством, как быстродействие по отношению кдинамической памяти, статическая память имеет и недостатки. Она потребляетбольший ток и имеет более сложную архитектуру — на одну ячейку памяти требуется больше тран­зисторов. Как следствие этого,статическая память существенно дороже динамической. Кроме того, при одинаковомкоэффициенте интеграции статическая память обладает зна­чительно меньшейинформационной емкостью.

При обмене данными возникаетпохожая проблема. Адреса данных, которые вскоре понадобятся процессору дляобработки, находятся в большинстве случаев рядом с адресами данных,обрабатываемых непосредственно в данное время. Поэтому кэш-контроллер должентакже заботиться о размещении всего блока данных в статической памяти.

Метод Write Through, называемый также методом сквоз­ной записи,предполагает наличие двух копий данных —од­ной в основной памяти, а другой — вкэш-памяти. Каждый цикл записи процессора в память идет через кэш. Это обус­ловливает,конечно, высокую загрузку системной шины, так как на каждую операциюмодификации данных приходится две операции записи. Поэтому каждое обновлениесодержимо­го кэш-памяти ощутимо сказывается на работе шины. С другой стороны,микропроцессор по-прежнему вынужден ожидать окончания записи в основную память.

Метод Buffered Write Through является разновидностью метода Write Throughи называется также методом буферизованной сквозной записи. Для того чтобыкак-то уменьшить загрузку шины, процесс записи выполняется в один или нес­колькобуферов, которые работают по принципу FIFO (First Input-First Output). Та­кимобразом, цикл записи для микропроцессора заканчивает­ся практически мгновенно(т.е. когда данные записаны в буфер), хотя информация в основной памяти еще несохранена. Сам же микропроцессор может выполнять дальнейшую обра­ботку команд.Конечно, соответствующая логика управления должна заботиться о том, чтобы своевременноопустошать за­полненные буферы. При использовании данного метода про­цессорполностью освобожден от работы с основной памятью.

При использовании метода Write Back, называемого также методомобратной записи, цикл записи микропроцессора происходит сначала в кэш-память,если там есть адрес приемни­ка. Если адреса приемника в кэш-памяти неоказывается, то информация записывается непосредственно в память. Содержимоеосновной памяти обновляется только тогда, когда из кэш-памяти в нее записывается полный блок данных, назы­ваемыйдлиной строки-кэша (cache-line).

При работе с кэш-памятьюприменяется ассоциативный принцип, когда старшие разряды адреса используются вкачестве признака, а младшие — для выбораслова. Архитекту­ра кэш-памяти определяется тем, каким образом память отоб­ражаетсяна кэш. Существуют три разновидности отображе­ния: кэш-память с прямымотображением, частично ассоциа­тивная и полностью ассоциативная. При прямомотображении каждая ячейка основной памяти может отображаться только на одну ячейкукэша, в частично ассоциативной —на две и больше (т.е., если одна ячейка кэшазанята, можно использовать другую). В случае наличия четырех входов кэш-памятьназывают 4-канальной частично ассоциативной, как, напри­мер, у i486. При полностью ассоциативном подходе вкачестве разрядов признаков используются все адресные разряды.

BIOS и CMOS RAM

Базовая система ввода-вывода BIOS(Basic Input Output System) называется так потому, что включает в себя обшир­ныйнабор программ ввода-вывода, благодаря которым опера­цио

еще рефераты
Еще работы по компьютерам и переферийным устройствам