1Аппаратные средства ЭВМ. 4 (стр. 11 из 43)

Шина от CPU к основной памяти работает со скоростью, в несколько раз меньшей скорости часов внутри CPU. Или, иными словами, CPU работает со скоростью, в несколько раз превышающей скорость внешней шины. Микросхема часов, контролирующая эту скорость, расположена вне CPU, и CPU просто синхронизирует свои не слишком точные часы по сигналу внешних часов.

Стандартная линейка частот тактовых генераторов: 50, 60, 66, 100, 133 МГц.

Те же часы, что управляют CPU, также управляют модулями основной памяти и сопутствующими им микросхемами. Часто только внешняя (L2 или L3) память реально способна успевать за этими быстрыми часами. Быстрые микросхемы DRAM можно заставить работать медленнее, вставив одно или несколько состояний ожидания (wait states). Это паузы между интервалом, в течение которого CPU или внешний кэш-контроллер спрашивает что-либо у микросхемы памяти, и интервалом, в течение которого они ожидают получения ответа на свой запрос.

Многие подсистемы PC должны работать синхронно с часами, идущими с другой частотой. Например, частота перемещения электронного луча вдоль и вниз по сетке монитора в процессе развертки изображения устанавливается Пользователем (в пределах возможного, конечно). Жестким дискам нужны часы с частотой, в определенное количество раз превышающей частоту вращения их магнитных пластин. Модему тоже нужны часы — чтобы передавать и принимать данные согласно скорости соединения. Вообще, сколько различных устройств со своими возможностями и запросами (и микропроцессорами), столько и часов внутри PC. (Никакое устройство не может работать быстрее, чем позволяют его возможности, и в некоторых случаях скорость работы устройства должна поддерживаться на некотором стандартном для этого устройства, уровне, не быстрее и не медленнее.)

1.7 Набор микросхем, или chipset

В современных компьютерах, конечно, давно не используются, например, отдельные чипы контроллеров, однако все их функции реализованы в микросхемах системных и периферийных контроллеров (это уже сверхбольшие интегральные схемы), которые, тем не менее, обеспечивают со своими предшественниками полную программную совместимость. Да и вообще, системная плата современного компьютера отличается от аналогичной платы более ранней модели в первую очередь тем, что большое количество микросхем средней степени интеграции (MSI, Medium-Scale Integration), на которых были выполнены основные функциональные узлы компьютера, теперь заменены на несколько (одну—четыре) сверхбольших интегральных схем (VLSI, Very Large-Scale Integration). Такие VLSI, реализующие функции прежних микросхем MSI, называются набором микросхем, или chipset (чипсет). Преимущество применения таких наборов очевидно. Во-первых, они занимают меньше места, во-вторых, потребляют меньший ток и, в-третьих, гораздо надежнее (ведь в общем случае надежность устройства обратно пропорциональна количеству входящих в него микросхем).

Наиболее известные наборы микросхем выпускают сегодня такие компании, как Intel, AMD, UMC, SiS, хотя ими, конечно, дело не ограничивается.

В большинство наборов тем или иным образом входит периферийный контроллер, например микросхема 82С206 или ей подобная. Обычно такая микросхема функционально содержит два контроллера прерываний типа 8259, два контроллера прямого доступа к памяти типа 8237, таймер типа 8254, часы реального времени и более 100 байт CMOS RAM для хранения системной конфигурации.

Поскольку основной задачей чипсета является обеспечение бесперебойной и быстрой работы процессора с периферийными устройствами, вся его структура посвящена выполнению именно этой задачи.

1.8 Системные и локальные шины

Основным функционалом системной шины является передача информации и данных между базовым микропроцессором и остальными электронными компонентами компьютера. По этой шине осуществляется также адресация устройств и происходит обмен специальными служебными сигналами. Таким образом, упрощенно системную шину можно представить как совокупность сигнальных линий, объединенных по их назначению (данные, адреса, управление). Передачей информации по шине управляет одно из подключенных к ней устройств или специально выделенный для этого узел, называемый арбитром шины.

Системная шина IBM PC и IBM PC/XT была предназначена для одновременной передачи только 8 бит информации, так как используемый в компьютерах микропроцессор 18088 имел 8 линий данных. Кроме того, системная шина включала 20 адресных линий, которые ограничивали адресное пространство пределом в 1 Мбайт. Для работы с внешними устройствами в этой шине были предусмотрены также 4 линии аппаратных прерываний (IRQ) и 4 линии для требования внешними устройствами прямого доступа в память (DMA, Direct Memory Access). Для подключения плат расширения использовались специальные 62-контактные разъемы. Системная шина и микропроцессор синхронизировались от одного тактового генератора с частотой 4,77 МГц. Таким образом, теоретически скорость передачи данных могла достигать более 4,5 Мбайта/с.

1.8.1 Шина ISA

Появление PC/AT, использующего микропроцессор i80286 с 16 разрядной шиной данных, потребовало разработки новой системной шины ISA (Industry Standard Architecture), полностью реализующей возможности упомянутого микропроцессора. Она отличалась наличием дополнительного 36-контактного разъема для соответствующих плат расширения. За счет этого количество адресных линий было увеличено на четыре, а данных — на восемь. Теперь можно было передавать параллельно уже 16 разрядов данных, а благодаря 24 адресным линиям напрямую обращаться к 16 Мбайтам системной памяти. Количество линий аппаратных прерываний в этой шине было увеличено с 7 до 15, а каналов DMA — с 4 до 7. Надо отметить, что новая системная шина ISA полностью включала в себя возможности старой 8-разрядной шины, то есть все устройства, используемые в PC/XT, могли без проблем применяться и в PC/AT 286. Системные платы с шиной ISA уже допускали возможность синхронизации работы самой шины и микропроцессора разными тактовыми частотами, что позволяло устройствам, выполненным на платах расширения, работать медленнее, чем базовый микропроцессор. Это стало особенно актуальным, когда тактовая частота процессоров превысила 10—12 МГц. Теперь системная шина ISA стала работать асинхронно с процессором на частоте 8 МГц. Таким образом, скорость передачи могла достигать 16 Мбайт/с.

1.8.2 Шина EISA

С появлением новых микропроцессоров, таких, как i80386 и i486, стало очевидно, что одним из вполне преодолимых препятствий на пути повышения производительности компьютеров с этими микропроцессорами является системная шина ISA. Дело в том, что возможности этой шины для построения высокопроизводительных систем следующего поколения были практически исчерпаны. Новая системная шина должна была обеспечить больший возможный объем адресуемой памяти, 32-разрядную передачу данных, в том числе и в режиме DMA, улучшенную систему прерываний и арбитраж DMA, автоматическую конфигурацию системы и плат расширения. Такой шиной для IBM PC-совместимых компьютеров стала EISA (Extended Industry Standard Architecture). В EISA-разъем на системной плате компьютера помимо, разумеется, специальных EISA-плат могла вставляться либо 8-, либо 16-разрядная плата расширения, предназначенная для обыкновенной PC/AT с шиной ISA. Это обеспечивалось простым, но поистине гениальным конструктивным решением. EISA-разъемы имеют два ряда контактов, один из которых (верхний) использует сигналы шины ISA, а второй (нижний) — соответственно EISA. Контакты в соединителях EISA расположены так, что рядом с каждым сигнальным контактом находится контакт "Земля". Благодаря этому сводится к минимуму вероятность генерации электромагнитных помех, а также уменьшается восприимчивость к таким помехам.

Шина EISA позволяла адресовать 4-Гбайтное адресное пространство, доступное микропроцессорам 180386/486. Стандарт EISA поддерживал многопроцессорную архитектуру для "интеллектуальных" устройств (плат), оснащенных собственными микропроцессорами. Поэтому данные, например, от контроллеров жестких дисков, графических контроллеров и контроллеров сети могли обрабатываться независимо, не загружая при этом основной процессор. Теоретически максимальная скорость передачи по шине EISA в так называемом пакетном режиме (burst mode) могла достигать 33 Мбайт/с. В обычном (стандартном) режиме она не превосходила, разумеется, известных значений для ISA.

На шине EISA предусматривался метод централизованного управления, организованный через специальное устройство — системный арбитр. Таким образом поддерживается использование ведущих устройств на шине, однако возможно также предоставление шины запрашивающим устройствам по циклическому принципу.

Рис. 5 Модуль переключателей

Для компьютеров с шиной EISA было предусмотрено автоматическое конфигурирование системы. Каждый изготовитель плат расширения для компьютеров с шиной EISA поставлял вместе с этими платами и специальные файлы конфигурации. Информация из этих файлов использовалась на этапе подготовки системы к работе, которая заключается в разделении ресурсов компьютера между отдельными платами. Для "старых" плат адаптеров пользователь должен сам подобрать правильное положение DIP-переключателей (рис.5) и перемычек, однако сервисная программа на EISA-компьютерах позволяла отображать установленные положения соответствующих переключателей на экране монитора и дает некоторые рекомендации по правильной их установке. Помимо этого в архитектуре EISA предусматривалось выделение определенных групп адресов ввода-вывода для конкретных слотов шины — каждому разъему расширения отводится адресный диапазон 4 Кбайта, что также позволяло избежать конфликтов между отдельными платами EISA.