Архитектура материнских плат для PC

Контроллер управляет  своим устройством ввода-вывода и регулирует доступ к шине для этого. Например, если программа запрашивает данные с диска, она посылает команду контроллеру диска, который затем отправляет команды поиска и другие команды на диск. После нахождения соответствующей дорожки и сектора диск начинает передавать контроллеру данные в виде потока битов. Задача контроллера состоит в том, чтобы разбить поток битов на куски и записывать каждый такой кусок в память по мере их накопления. Отдельный кусок обычно представляет собой одно или несколько слов. Если контроллер считывает данные из памяти или записывает их в память без участия центрального процессора, то говорят, что осуществляется прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, сокращенноDMA). Когда передача данных заканчивается, контроллер вызывает прерывание, вынуждая центральный процессор приостановить работу текущей программы и начать выполнение особой процедуры. Эта процедура называется программой обработки прерывания и нужна, чтобы проверить ошибки, произвести необходимые действия в случае их обнаружения и сообщить операционной системе, что процесс ввода-вывода завершен. Когда программа обработки прерывания завершена, процессор возобновляет работу программы, которая была приостановлена в момент прерывания.

Шина используется не только контроллерами ввода-вывода, но и процессором для передачи команд и данных. А что происходит, если процессор и контроллер ввода-вывода хотят получить доступ к шине одновременно? В этом случае особая микросхема, которая называется арбитром шины, решает, чья очередь первая. Обычно предпочтение отдается устройствам ввода-вывода, поскольку работу дисков и других движущихся устройств нельзя прерывать, так как это может привести к потере данных. Когда ни одно устройство ввода-вывода не функционирует, центральный процессор может полностью распоряжаться шиной для связи с памятью. Однако если какое-нибудь устройство ввода-вывода находится в действии, оно будет запрашивать доступ к шине и получать его каждый раз, когда ему это необходимо. Такой процесс называется занятием цикла памяти и замедляет работу компьютера.

И все же в мире персональных компьютеров многие заменяли процессор более усовершенствованным, но при этом хотели подсоединить свой старый принтер, сканер и модем к новой системе. Кроме того, существовала целая обширная отрасль промышленности, которая выпускала широкий спектр устройств ввода-вывода для шины IBM PC, и производители этих устройств были совершенно не заинтересованы в том, чтобы начинать все разработки заново. Компания IBM прошла этот тяжелый путь, выпустив после серии IBM PC серию PS/2. У PS/2 была новая шина с более высокой скоростью передачи данных, но большинство производителей клонов продолжали использовать старую шину PC, которая сейчас называется шиной ISA (Industry Standard Architecture — стандартная промышленная архитектура). Большинство производителей дисков и устройств ввода-вывода также продолжали выпускать контроллеры для старой модели, поэтому IBM оказалась в весьма неприятной ситуации, поскольку она в тот момент была единственным производителем персональных компьютеров, несовместимых с серией IBM. В конце концов компания была вынуждена вернуться к производству компьютеров на основе шины ISA. Отметим, что ISA также может быть сокращением от Instruction Set Architecture (архитектура набора команд), если речь идет об уровнях компьютера. А если речь идет о шинах, аббревиатура ISA означает Industry Standard Architecture (стандартная промышленная архитектура).

Тем не менее, несмотря на то, что из-за влияния рынка никаких изменений не произошло, старая шина работала слишком медленно, поэтому что-то нужно было предпринять. Данная ситуация привела к тому, что другие компании начали производить компьютеры с несколькими шинами, одна из которых была старой шиной ISA или EISA (Extended ISA — расширенная архитектура промышленного стандарта). EISA — последователь ISA, совместимый со старыми версиями. В настоящее время самой популярной из них является шина PCI (Peripheral Component Interconnect — взаимодействие периферийных компонентов). Она была разработана компанией Intel, при этом было решено сделать все патенты всеобщим достоянием, чтобы вся компьютерная промышленность (в том числе и конкуренты компании) могла перенять эту идею.

Тактовый генератор

Большинство логических элементов  компьютера разработанно таким образом, что они должны работать синхронно, то есть по определенным тактовым сигналам.

Контролер прерываний

В первых компьютерах использовалась микросхема контроллера прерываний i8259, которая имеет 8 входов для сигналов прерываний. В IBM PC/AT восьми линий прерываний стало уже недостаточно и их количество было увеличено до 15, путем каскадного включения двух микросхем контролеров  прерываний.

ISA

На базе этих двух шин  был разработан международный стандарт ISA (Industry Standard Architecture), широко использующийся в современных компьютерах. Типовая  тактовая частота — 8 Мгц. Деление  частоты остается функцией контролеров  системных шин, но поскольку произошло  дальнейшее увеличение тактовой частоты  микропроцессоры до 25,33 и 50 Мгц, коэффициент  деления был увеличен. Кроме увеличения разрядности увеличилось количество прерываний (IRQ) и каналов прямого  доступа в память (DMA) (в ISA 15 и 7 соответственно), а также функциональных и диагностических  возможностей. В тоже время сохранялась  преемственность системных шин, в том числе на уровне контактов разьемов. Благодаря этому в новых системах можно использовать разработанные ранее контролеры и карты. Теоретическая пропускная способность шины — 16 Мбайт/с, практически она ниже поскольку обмен данными по шине производится за три такта работы процессора. Для слотов расширения на материнской плате компьютеров с шиной ISA-16 устанавливается стандартная пара разьемов (или один сдвоенный разъем) с числом контактов 62+36, а на шине ISA-8 устанавливается разъемы с 64-контактами.

EISA

С появлением 32-разрядных  микропроцессоров 80386 (версия DX) фирмами Compaq, NEC и рядом других была создана 32-разрядная шина EISA (Extended ISA), полностью  совместимая c ISA. Преемственность EISA с ISA обеспечивается использованием “двухэтажного” разъема. Первый “этаж”- стандартная  шина ISA, что позволяет использовать ISA контролеры и карты, разработанные  как для ISA-16, так даже и для ISA-8. Шина EISA позволяет автоматически  производить конфигурацию и арбитраж запросов на обслуживание (bus mastering), что  выгодно ее отличает от шины ISA.

VESA

Локальной шиной (local bus) обычно называется шина, электрически выходящая  непосредственно на контакты микропроцессора, т.е. это шина процессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы  буферизации для системной шины и ее контролер, а также некоторые  другие вспомогательные схемы. Работы по созданию локальной шины велись разными фирмами параллельно, но в конце концов была создана ассоциация стандартов видео оборудования — Video Equipment Standard Association (VESA). Первая спецификация на  стандарт локальной шины появилась  в 1992 году. Много было позаимствовано из архитектуры локальной шины 80486. Были разработанны только новый протокол обработки сигналов и топология  разьемов. Достоинствами VLB является высокая  скорость обмена информации (шина может  работать в системе с процессором 80486DX-50). Но возникает зависимость  от частоты работы процессора (конструирование  плат с широким частотным диапазоном). Электрическая нагрузка не позволяет  подключать более трех плат. Кроме  того, VLB не рассчитана на использование  с процессорами, пришедшим на замену 486-му или параллельно существующими  с ними: Alpha, PowerPC и др. Поэтому с  середине 1993 года из ассоциации VESA вышел ряд производителей во главе с Intel. Эти фирмы создали специальную группу для разработки нового альтернативного стандарта, названную Peripheral Component Interconnect (PCI).

PCI

Разработка шины и производство соответствующих компонентов заняли больше времени, чем для VLB, и первые системы с шиной PCI появились только год спустя. Строго говоря шина PCI не является локальной, а относится  к классу mezzanine bus, поскольку имеет  между собой и локальной шиной  процессора специальный узел — согласующий  мост. При этом стандарт PCI предусматривает  использование контроллера, который  заботится о разделении управляющих  сигналов шины и процессора и осуществляет арбитраж по шине PCI, а также акселератор. Это делает шину процессорно независимой.

Стандарт PCI предусматривает  несколько способов повышения пропускной способности. Один из них — блочная  передача последовательных данных (например графика, дисковые файлы), что не требует  времени на установку адреса каждого  элемента. Более того, акселератор  может накапливать информацию в  буферах, что обеспечивает одновременный  с чтением данных из памяти блочный  обмен с периферийным устройством. Другой способ ускорения передачи —  мультиплексирование — предусматривает  передачу последовательных данных по адресным линиям, что удваевает пропускную способность шины. Шина PCI использует установку прерываний по уровню, что  делает ее более надежной и привлекательной (в отличие от VLB). Еще одно отличие  — PCI работает на 33 Мгц, независимо то частоты  процессора. Теоретически пропускная способность шины 132 Мбайт/с. Реальная же пропускная способность несколько  больше половины от теоретической. Стандарт PCI предусматривает и 64-разрядную  версию. Для 32-разрядной шины PCI используется 124-контактный разъем, причем в нем  предусмотрены ключи и контакты, предназначенные для оценки необходимого для работы платы расширения напряжения питания (5В или 3,3В).

Память

Всем компьютерам требуется  память нескольких видов. Вся память делится на внутреннюю и внешнюю. В компьютерных системах работа с  памятью основывается на очень простых концепциях — это сохранять один бит информации так, чтобы потом он мог быть извлечен оттуда.

В настоящее время широкое  распространение получили устройства динамической памяти базирующиеся на способности сохранять электрический  заряд (конденсаторы). С первого взгляда  конденсатор не удовлетворяет основному  требованию устройств памяти. Он не способен сохранять заряд в течении  длительного промежутка времени, но он позволяет делать это в течении  нескольких миллисекунд, что вполне достаточно, чтобы использовать это  в электронике. За это время специальные  цепи компьютера обеспечивают подзарядку конденсатора, то есть обновление информации. Из-за непрерывности этого процесса такая память называется динамической.

В современных персональных компьютерах динамическая память реализуется  на базе специальных цепей проводников, заменивших обычные конденсаторы. Большое  количество таких цепей объединяются в корпусе одного динамического  чипа. Однако подобно памяти на конденсаторах, она должна постоянно освежаться.

В то время как динамическая память, получив заряд электричества  удерживает его, так называемая статическая  память, позволяет потоку электронов циркулировать по цепи. Прикладываемое напряжение может изменить направление  движения электронов. Причем существует только два направления движения потока, что позволяет использовать данные цепи в качестве элементов  памяти. Статическая память работает наподобие выключателя, который  переключает направление электронного потока.

Кроме оперативной памяти существует еще и постоянная память(ПЗУ). Ее главное отличие от ОЗУ - невозможность  в процессе работы изменить состояние  ячеек ПЗУ. В свою очередь и  эта память делится на постоянную и репрограммируемую. Принципы ее функционирования понятны из названия.

Эволюция микросхем ОЗУ  вплотную связана с эволюцией  персональных компьютеров. Для успеха настольных компьютеров требовались  миниатюрные чипы ОЗУ. По мере увеличения емкости памяти цена скачкообразно  возрастала, но потом постоянно уменьшалась  по мере отработки технологии и роста  объемов производства.

Первые PC реализовывались  на стандартных RAM-чипах по 16 Кбит. Каждому  биту соответствовал свой собственный  адрес.

Где-то около года после  представления XT появилось ОЗУ с  большими возможностями и более  эффективное с точки зрения его  цены. Хотя новые микросхемы могли  вмещать по 64 Кбит, она были дешевле  чем 4 по 16 Кбит. Системная плата PC была создана с учетом использования  новых микросхем памяти. Через  несколько лет 64 Кбитные чипы стали  настолько широко распространены, что  стали дешевле чем 16 Кбитные микросхемы.

К 1984 году был сделан еще  один шаг по увеличению объема памяти в одном корпусе - появились 256 - Кбитные  микросхемы. И RAM чипы этого номинала были установлены на первых AT. А сегодня  микросхемы в 8 и 16 Мбайт стали обычным  явлением.

PC имел довольно простую  архитектуру памяти, по крайней  мере, если на нее смотреть  сейчас с высоты последних  достижений компьютерной индустрии.  Память PC была представлена одним  блоком, в котором каждый байт  был доступен по указанию его  адреса.

Микросхемы памяти были разбиты  на 9 банков, использующих в ранних PC 16-Кбитные, а затем и 64-Кбитные  микросхемы. Восемь микросхем выделяли по одному биту для организации каждого  байта памяти, девятая микросхема использовалась в качестве контрольного бита четности.

Когда микропроцессор 80286 стали  использовать в AT и их аналогах, возникла проблема с организацией архитектуры  памяти. Обычные микросхемы памяти не могли работать в таком быстром  темпе, в котором работал микропроцессор. Поэтому пришлось использовать статус ожидания, в случае когда процессор  требовал информацию из памяти, то есть микропроцессору приходилось зависать на один-два такта, что давало возможность  памяти обработать запрос.

Динамические микросхемы памяти маркеруются специальным  числом, говорящим об их скоростных возможностях. Указанное на корпусе  число отражает время доступа  в наносекундах без последнего нуля.

Время доступа не является единственной или наиболее важной характеристикой микросхем памяти. Более значимо такое понятие, как время цикла, которое говорит о том, как быстро можно произвести повторное обращение. В динамических микросхемах это время больше времени доступа, в статических чипах эти времена равны, что говорит о более скоростных режимах последних.

Чтобы справиться с ограничением по скорости, были использованы специальные  решения по организации памяти. Наиболее простое из них - это использование  обычной архитектуры с необходимым  числом циклов ожидания.

Хорошая альтернатива предыдущему  методу - использование кэш-памяти, что позволит избежать полного заполнения всей машины быстрой RAM памятью. Обычно программа использует память какой  либо ограниченной области. Храня нужную информацию в кэш-памяти, работа с  которой позволяет процессору обходиться без всяких циклов ожидания.

Не всякая кэш-память равнозначна. Большое значение имеет тот факт, как много информации может содержать  кэш-память. Чем больше кэш-память, тем  больше информации может быть в ней  размещено, а следовательно, тем  больше вероятность, что нужный байт будет содержаться в этой быстрой  памяти. Очевидно, сто самый лучший вариант - это когда объём кэш-памяти соответствует объему всей оперативной  памяти. В этом случае вся остальная  память становится не нужной. Крайне противоположная  ситуация - 1 байт кэш-памяти - тоже не имеет  практического значения, так как  вероятность того, что нужная информация окажется в этом байте, стремится  к нулю. Практически, диапазон используемой кэш-памяти колеблется в пределах 16-64К.