МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КОЛЕДЖ КРЕМЕНЧУЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ

ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО

МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ

для самостійної роботи з дисципліни «Архітектура комп’ютерів»

для студентів спеціальності 5.05010201 Обслуговування комп’ютерних систем і

мереж

Кременчук 2017 р.

2

Методичні рекомендації для самостійної роботи з дисципліни «Архітектура

комп’ютерів» для студентів спеціальності 5.05010201 Обслуговування

комп’ютерних систем і мереж

Укладач Мурчкова М.М.

Розглянуто і затверджено на засіданні циклової комісії

з комп’ютерної техніки

Протокол № __1_ від « 31 » ____08______ 2017 р.

Голова ЦК ______________________ С.І.Почтовюк

Затверджено методичною радою коледжу КрНУ

Протокол № _1_ від « 31 » __08___________ 2017 р.

Голова методичної ради ____________________ Р.В.Левченко

3

Загальні методичні вказівки

Вивчення предмету “Архітектура комп’ютерів”, включає лекції та самостійну

роботу студентів над окремими темами курсу. Самостійна робота дозволяє

поглибити знання, виробити вміння працювати з літературою, аналізувати

інформацію та коротко, стисло її записувати.

При вивченні окремих тем предмета необхідно:

Ознайомитись з переліком рекомендованої літератури;

Ретельно опрацювати матеріал кожної теми;

Законспектувати стисло опрацьований матеріал в логічній послідовності;

Відповісти на питання для самоконтролю.

4

Модуль 1. Організація комп'ютерних систем.

Тема 1. Розвиток багаторівневих машин. Винахід мікро програмування.

Винахід операційної системи.

План:

1. Апаратне забезпечення.

2. Програмне забезпечення.

3. Винахід мікропрограмування.

4. Винахід ОС.

5. Переміщення функціональності системи на рівень мікрокоду.

Література:[1, стор.24-29]

Питання для самоконтролю:

1. Що таке апаратне забезпечення персонального комп’ютера?

2. З чого складається програмне забезпечення ПК?

3. Як виникло мікропрограмування?

4. Які були принципи роботи з комп’ютерами в ті часи, коли вони тільки

з’явились?

5. Що таке операційна система?

6. Які команди називалися макросами операційної системи?

7. Що таке пакетний режим?

8. Що називається системами з розділенням часу?

9. Які програми були добавлені в мікропрограму?

10. Додаткові технічні характеристики мікропрограм?

11. Як знищилося мікропрограмування?

Розвиток багаторівневих машин

Програми, написані машинною мовою (рівень 1), можуть відразу

виконуватися електронними схемами комп'ютера (рівень 0), без застосування

інтерпретаторів і трансляторів. Ці електронні схеми разом з пам'яттю й засобами

вводу-виводу формують апаратне забезпечення. Апаратне забезпечення

складається з відчутних об'єктів — інтегральних схем, друкованих плат, кабелів,

джерел електроживлення, запам'ятовуючих пристроїв і принтерів. Абстрактні

поняття, алгоритми й команди не відносяться до апаратного забезпечення.

Програмне забезпечення, навпроти, складається з алгоритмів (докладних

послідовностей команд, які описують, як вирішити завдання) і їхніх комп'ютерних

подань, тобто програм. Програми можуть зберігатися на жорсткому диску, гнучкому

диску, компакт-диску або інших носіях, але в сутності програмне забезпечення — це

набір команд, що становлять програми, а не фізичні носії, на яких ці програми

записані. У найперших комп'ютерах границя між апаратним і програмним

забезпеченням була очевидна. Згодом, однак, відбулося значне розмивання цієї

границі, у першу чергу завдяки тому, що в процесі розвитку комп'ютерів рівні

додавалися, убиралися й зливалися. У цей час дуже складно відокремити їх друг від

друга.

5

Люба операція, яка виконується програмним забезпеченням, може бути

убудована в апаратне забезпечення (бажано після того, як вона усвідомлена). Будь-

яка команда, виконувана апаратним забезпеченням, може бути змодельована в

програмному забезпеченні. Рішення розділити функції апаратного й програмного

забезпечення засновано на таких факторах, як вартість, швидкість, надійність, а

також частота очікуваних змін. Існує кілька твердих правил, що зводяться до того,

що X повинен бути в апаратному забезпеченні, a Y повинен програмуватися. Ці

рішення змінюються залежно від тенденцій у розвитку комп'ютерних технологій.

Винахід мікропрограмування

У перших цифрових комп'ютерів в 1940-х роках було тільки 2 рівні: рівень

архітектури набору команд, на якому здійснювалося програмування, і цифровий

логічний рівень, що виконував програми. Схеми цифрового логічного рівня були

складні для виробництва й розуміння й ненадійні. В 1951 році Моріс Уілкс,

дослідник Кембріджского університету, запропонував ідею розробки трьохрівневого

комп'ютера для того, щоб спростити апаратне забезпечення. Ця машина повинна

була мати убудований незмінний інтерпретатор (мікропрограму), функція якого

полягала у виконанні програм за допомогою інтерпретації. Тому що апаратне

забезпечення повинне було тепер замість програм рівня архітектури команд

виконувати тільки мікропрограми з обмеженим набором команд, була потрібно

менша кількість електронних схем. Оскільки електронні схеми тоді робилися з

електронних ламп, таке спрощення повинне було скоротити кількість ламп й, отже,

збільшити надійність.

В 50-і роки було побудовано трохи трьохрівневих машин. В 60-х роках число

таких машин значно збільшилося. До 70-х років ідея про те, що написана програма

спочатку повинна інтерпретуватися мікропрограмою, а не виконуватися

безпосередньо електронікою, стала переважною.

Винахід операційної системи

У ті часи, коли комп'ютери тільки з'явилися, принципи роботи з ними сильно

відрізнялися від сучасних. Одним комп'ютером користувалася велика кількість

людей. Поруч із машиною лежав листок паперу, і якщо програміст хотів запустити

свою програму, він записувався на якийсь певний час, скажемо, на середу з 3 годин

ночі до 5 ранку. У призначений час програміст направлявся в кімнату, де стояла

машина, з пачкою перфокарт, які тоді служили засобом уведення, і олівцем. Кожна

перфокарта містила 80 колонок; на ній у певних місцях пробивалися отвори.

Увійшовши в кімнату, програміст чемно просив попереднього програміста

звільнити місце й приступав до роботи. Якщо він хотів запустити програму мовою

FORTRAN, йому необхідно було пройти наступні етапи:

1. Він підходив до шафи, де перебувала бібліотека програм, брав більшу

зелену стопку перфокарт із написом «Компілятор FORTRAN», поміщав їх у

пристрій, що зчитує, і натискав кнопку «Пуск».

2. Потім він поміщав стопку карток зі своєю програмою, написаної мовою

FORTRAN, у пристрій, що зчитує, і натискав кнопку «Продовжити». Програма

зчитувалася.

3. Коли комп'ютер припиняв роботу, програміст зчитував свою програму в

другий раз. Деякі компілятори вимагали тільки одного зчитування перфокарт, але в

більшості випадків необхідно було робити цю процедуру кілька разів. Щораз

потрібно було зчитувати більшу стопку перфокарт.

6

4. Зрештою трансляція завершувалася. Програміст часто ставав дуже

нервовим, тому що якщо компілятор знаходив помилку в програмі, йому доводилося

виправляти її й починати процес уведення програми заново. Якщо помилок не було,

компілятор видавав програму машинною мовою на перфокартах.

5. Тоді програміст поміщав цю програму машинною мовою в пристрій

зчитування разом з пачкою перфокарт із бібліотеки підпрограм і завантажував

обидві ці програми.

6. Починалося виконання програми. У більшості випадків вона не працювала

або зненацька зупинялася в середині. Звичайно в цьому випадку програміст починав

смикати перемикачі на пульті й дивився на лампочки.

У випадку удачі він знаходив і виправляв помилку, підходив до шафи, у якому

лежав великий зелений компілятор FORTRAN, і починав всі заново.

У випадку невдачі він робив роздруківку змісту пам'яті, що називалося

розвантаженням оперативного запам'ятовувального пристрою, і брав цю

роздруківку додому для вивчення.

Це процедура була звичайною протягом багатьох років. Програмістам

доводилося вчитися, як працювати з машиною й що потрібно робити, якщо вона

виходила з ладу, що відбувалося досить часто. Машина постійно простоювала без

роботи, поки люди носили перфокарти по кімнаті або ламали голови над тим, чому

програма не працює.

В 60-і роки людина спробувала скоротити кількість загубленого часу,

автоматизувавши роботу оператора. Програма за назвою «операційна система»

тепер утримувалася в комп'ютері увесь час. Програміст приносив пачку перфокарт

зі спеціальною програмою, що виконувалася операційною системою. Операційна

система зчитувала перфокарту *JOB і використовувала інформацію, що втримується

на ній, для обліку системних ресурсів (зірочка ставилася, щоб відрізняти

перфокарти із програмою контролю від перфокарт із даними). Потім операційна

система зчитувала перфокарту *FORTRAN, що являла собою команду для

завантаження компілятора FORTRAN з магнітної стрічки. Після цього компілятор

зчитував і компілював програму, написану мовою FORTRAN. Як тільки компілятор

закінчував роботу, операційна система зчитувала перфокарту *DATA - команду по

виконанню трансльованої програми з використанням перфокарт даних. Операційна

система була придумана для того, щоб автоматизувати роботу оператора (звідси й

назва), але це не єдине її призначення. Створення операційної системи було першим

кроком у розвитку нової віртуальної машини. Перфокарту *FORTRAN можна

розглядати як віртуальну команду до компілятора, а перфокарту *DATA - як

віртуальну команду для виконання програми. І хоча цей рівень складався всього із

двох команд, він був першим етапом у розвитку віртуальних машин.

У наступні роки операційні системи усе більше й більше ускладнювалися. До

рівня архітектури команд додавалися нові команди, пристосування й особливості, і в

підсумку сформувався новий рівень. Деякі команди нового рівня були ідентичні

командам попереднього, але інші (зокрема команди вводу-виводу) повністю

відрізнялися. Ці нові команди тоді називалися макросами операційної системи або

викликами супервізора. Зараз звичайно використається термін «системний

виклик». Перші операційні системи зчитували пачки перфокарт і роздруковували

результат на принтері. Така організація обчислень називалася пакетним режимом.

Щоб одержати результат, звичайно потрібно було чекати кілька годин.

7

При таких умовах було важко розвивати програмне забезпечення. На початку

60-х років дослідники Масачусетського технологічного інституту (МТІ) розробили

операційну систему, що давала можливість працювати з комп'ютером відразу

декільком програмістам. У цій системі до центрального комп'ютера через телефонні

лінії приєднувалися віддалені термінали.

Таким чином, центральний процесор розділявся між більшою кількістю

користувачів. Програміст міг надрукувати свою програму й одержати результати

майже відразу прямо в офісі, гаражі або будь-де ще (там, де перебував термінал). Ці

системи називалися (і зараз називаються) системами з поділом часу.

Переміщення функціональності системи на рівень мікрокоду

З 1970 року, коли мікропрограмування стало звичайним, у виробників

з'явилася можливість уводити нові машинні команди шляхом розширення

мікропрограми, тобто за допомогою програмування. Це відкриття привело до

віртуального вибуху у виробництві програм машинних команд, оскільки виробники

почали конкурувати один з одним, намагаючись випустити кращі програми. Ці

команди не представляли особливої цінності, оскільки ті ж завдання можна було

легко вирішити, використовуючи вже існуючі програми, але звичайно вони

працювали небагато швидше. Наприклад, у багатьох комп'ютерах використалася

команда INC (INCrement), що додавала до числа одиницю. Тоді вже існувала

загальна команда додавання ADD, і не було необхідності вводити нову команду, що

додає до числа одиницю. Проте команда INC працювала набагато швидше, ніж

команда ADD, тому її також включили в набір команд. Багато програм були додані в

мікропрограму по тій же причині. Серед них можна назвати:

1. Команди для множення й розподілу цілих чисел.

2. Команди для арифметичних дій над числами із плаваючою крапкою.

3. Команди для виклику й припинення дії процедур.

4. Команди для прискорення циклів.

5. Команди для роботи з рядком символів.

Як тільки виробники зрозуміли, що додавати нові команди дуже легко, вони

почали думати, які додаткові технічні характеристики можна додати до

мікропрограми. Приведемо кілька прикладів:

1. Прискорення роботи з масивами (індексна й непряма адресація).

2. Переміщення програми з одного розділу пам'яті в інший послу запуску

програми (настроювання).

3. Системи переривання, які дають сигнал процесору, як тільки закінчена

операція уведення або виводу

4. Здатність призупинити одну програму й почати іншу, використовуючи

невелике число команд (перемикання процесу).

Надалі додаткові команди й технічні характеристики вводилися також для

прискорення роботи комп'ютерів.

8

Тема 2. Розвиток комп’ютерної архітектури: механічні комп’ютери,

електронні лампи, інтегральні схеми, зверхвелика інтегральна схема.

План:

1. Механічні комп’ютери.

2. Електронні лампи.

3. Транзистори.

4. Інтегральні схеми.

5. Зверхвеликі інтегральні схеми.

Література:[1, стор.29-40]

Питання для самоконтролю:

1. Лічильна машина Блеза Паскаля.

2. Що являє собою різностна машина?

3. Що таке аналітична машина?

4. Інші обчислювальні машини.

5. Що являє собою COLOSSUS?

6. Хто та як створив електронний комп’ютер ENIAC?

7. Машина EDVAC.

8. Машина LAS.

9. Фон – неймановська обчислювальна машина.

10. З чого складається схема фон – неймановської обчислювальної машини?

11. Машина IBM – 701.

12. Хто винайшов транзистор?

13. Що являв собою перший комп’ютер, побудований на транзисторах?

14. Що таке шина?

15. Яка хронологія випуску машин фірмою IBM?

16. Що являє собою трете покоління розвитку комп’ютерної архітектури?

17. Що таке мультипрограмування?

18. Коли виникли зверхвеликі інтегральні схеми?

19. Персональний комп’ютер Apple?

20. Як впливало появлення зверхвеликих інтегральних схем на розвиток

комп’ютеної архітектури?

Розвиток комп'ютерної архітектури

У період розвитку комп'ютерних технологій були розроблені сотні різних

комп'ютерів. Багато хто з них давно забуті, але деякі сильно вплинули на сучасні

ідеї.

Нульове покоління - механічні комп'ютери (1642-1945)

Першою людиною, що створила рахункову машину, був французький учений

Блез Паскаль (1623-1662), на честь якого названа одна з мов програмування.

Паскаль сконструював цю машину в 1642 році, коли йому було всього 19 років, для

свого батька, збирача податків. Вона була механічна: із шестірнями й ручним

приводом. Рахункова машина Паскаля могла виконувати тільки операції додавання

й віднімання.

9

Через тридцять років великий німецький математик Готфрид Вільгельм

Лейбніц (1646-1716) побудував іншу механічну машину, що крім додавання й

віднімання могла виконувати операції множення й розподілу. По суті, Лейбніц три

століття назад створив подобу кишенькового калькулятора із чотирма функціями.

Ще через 150 років професор математики Кембриджського університету

Чарльз Беббідж (1792-1871), винахідник спідометра, розробив і сконструював

різницеву машину. Ця механічна машина, що, як і машина Паскаля, могла тільки

складати й віднімати, підраховувала таблиці чисел для морської навігації. У машину

був закладений тільки один алгоритм — метод кінцевих різностей з використанням

поліномів. У цієї машини був досить цікавий спосіб виводу інформації: результати

видавлювалися сталевим штампом на мідній дощечці, що передбачило більш пізні

засоби вводу-виводу — перфокарти й компакт-диски. Хоча цей пристрій працював

досить непогано, Беббіджу незабаром знудила машина, що виконувала тільки один

алгоритм. Він витратив дуже багато часу, більшу частину свого сімейного стану й

ще 17000 фунтів, виділених урядом, на розробку аналітичної машини. В

аналітичної машини було 4 компоненти: запам'ятовуючий пристрій (пам'ять),

обчислювальний пристрій, пристрій уведення (для зчитування перфокарт), пристрій

виводу (перфоратор і друкувальний пристрій). Пам'ять складалася з 1000 слів по 50

десяткових розрядів, кожне з яких містило змінні й результати. Обчислювальний

пристрій приймав операнди з пам'яті, потім виконував операції додавання,

віднімання, множення або розподілу й повертало отриманий результат назад в

пам’ять. Як і різницева машина, цей пристрій був механічним. Перевага аналітичної

машини полягала в тім, що вона могла виконувати різні завдання. Вона зчитувала

команди з перфокарт і виконувала їх. Деякі команди наказували машині взяти 2

числа з пам'яті, перенести їх в обчислювальний пристрій, зробити над ними

операцію (наприклад, скласти) і відправити результат назад у запам'ятовуючий

пристрій. Інші команди перевіряли число, а іноді робили операцію переходу

залежно від того, позитивне воно або негативне. Якщо в пристрій, що зчитує,

уводилися перфокарти з іншою програмою, то машина виконувала інший набір

операцій.

А різницева машина могла здійснювати тільки один алгоритм.

Оскільки ця аналітична машина програмувалася на асемблері, їй було

необхідно програмне забезпечення. Щоб створити це програмне забезпечення,

Беббідж найняв молоду жінку - Аду Августу Ловлейс, дочка знаменитого

британського поета Байрона. Ада Ловлейс була першим у світі програмістом. У її

честь названа сучасна мова програмування Ada.

На нещастя, Беббідж ніколи не налагоджував комп'ютер. Йому потрібні були

тисячі й тисячі шестірень, зроблених з такою точністю, що була неможлива в XIX

столітті. Але ідеї Беббіджа випередили його епоху, і навіть сьогодні більшість

сучасних комп'ютерів по будові подібні з аналітичною машиною.

Таблиця 1 – Основні етапи розвитку комп'ютерів Рік

випуску

Назва

комп'ютера

Творець Примітки

1834 Аналітична

машина

Беббідж Перша спроба побудувати цифровий комп'ютер

1936 Z1 Зус Перша релейна обчислювальна машина

1943 COLOSSUS Британський уряд Перший електронний комп'ютер

1944 Mark! Айкен Перший американський багатоцільовий комп'ютер

1946 ENIAC I Екерт/Моушлі Звідси починається історія сучасних комп'ютерів

10

1949 EDSAC Уілкс Перший комп'ютер із програмами, що зберігаються в

пам'яті

1951 Whirlwind I МТІ Перший комп'ютер реального часу

1952 IAS Фон Нейман Цей проект використовується в більшості сучасних

комп'ютерів

1960 PDP-1 DEC Перший міні-комп'ютер (продано 50 екземплярів)

1961 1401 IBM Дуже популярний маленький комп'ютер

1962 7094 IBM Дуже популярна невелика обчислювальна машина

1963 B5000 Burroughs Перша машина, розроблена для мови високого рівня

1964 360 IBM Перше сімейство комп'ютерів

1964 6600 CDC Перший суперкомп'ютер для наукових розрахунків

1965 PDP-8 DEC Перший міні-комп'ютер масового споживання

(продано 50 000 екземплярів)

1970 PDP-11 DEC Ці міні-комп'ютери домінували на комп'ютерному

ринку в 70-і роки.

1974 8080 Intel Перший універсальний 8-бітний комп'ютер на

мікросхемі

1974 CRAY-1 Cray Перший векторний супер-комп’ютер

1978 VAX DEC Перший 32-бітний супермінікомп’ютер

1981 IBM PC IBM Почалася ера сучасних персональних комп'ютерів

1985 MIPS MIPS Перший комп'ютер RISC

1987 SPARC Sun Перша робоча станція RISC на основі процесора

SPARC

Наприкінці 30-х років XX століття німець Конрад Зус сконструював кілька

автоматичних рахункових машин з використанням електромагнітних реле. Йому не

вдалося дістати грошові кошти від уряду на свої розробки, тому що почалася війна.

Зус нічого не знав про роботу Беббіджа, і його машини були знищені під час

бомбування Берліна в 1944 році, тому його робота ніяк не вплинула на майбутній

розвиток комп'ютерної техніки. Однак він був одним з піонерів у цій області.

Небагато пізніше рахункові машини були сконструйовані в Америці. Машина

Атанасова була надзвичайно розвитою для того часу. У ній використовувалася

бінарна арифметика й інформаційні ємності, які періодично обновлялися, щоб

уникнути знищення даних. Сучасна динамічна пам'ять (ОЗП) працює точно по

такому ж принципу. На нещастя, ця машина так і не стала діючою. У якомусь змісті

Атанасов був схожий на Беббіджа: мрійник, якого не влаштовували технології свого

часу.

Комп'ютер Стибітса дійсно працював, хоча й був примітивніше, ніж машина

Атанасова. Стибітс продемонстрував роботу своєї машини на конференції в

Дартмутському коледжі в 1940 році. На цій конференції був присутній Джон

Моушлі, нічим не знаменитий професор фізики з університету Пенсільванії. Пізніше

він став дуже відомим в області комп'ютерних розробок.

Поки Зус, Стибітс й Атанасов розробляли автоматичні рахункові машини,

молодий Говард Айкен із працею проектував ручні рахункові машини як частину

свого філософського дослідження в Гарварді. Після закінчення дослідження Айкен

усвідомив важливість автоматичних обчислень. Він пішов у бібліотеку, довідався

про роботу Беббіджа й вирішив створити з реле такий же комп'ютер, що Беббіджу

не вдалося створити із зубчастих коліс.

Робота над першим комп'ютером Айкена «Mark I» була закінчена в 1944 році.

Комп'ютер містив 72 слова по 23 десяткових розряду в кожному й міг виконати

будь-яку команду за 6 секунд. На пристроях вводу-виводу використовувалася

перфострічка. На той час, як Айкен закінчив роботу над комп'ютером «Mark II»,

релейні комп'ютери вже застаріли. Почалася ера електроніки.

11

Перше покоління - електронні лампи (1945-1955)

Стимулом до створення електронного комп'ютера стала Друга світова війна.

На початку війни німецькі підводні човни руйнували британські кораблі. Німецькі

адмірали посилали на підводні човни по радіо команди, а англійці могли

перехоплювати ці команди. Проблема полягала в тім, що ці радіоповідомлення були

закодовані за допомогою приладу за назвою ENIGMA, попередник якого був

спроектований винахідником-дилетантом і колишнім президентом США Томасом

Джефферсоном.

На початку війни англійцям удалося придбати ENIGMA у поляків, які, у свою

чергу, украли його в німців. Однак щоб розшифрувати закодоване послання, була

потрібно величезна кількість обчислень, і їх потрібно було зробити відразу після

того, як радіоповідомлення було перехоплено. Тому британський уряд заснував

секретну лабораторію для створення електронного комп'ютера за назвою

COLOSSUS. У створенні цієї машини брав участь знаменитий британський

математик Алан Т’юринг. COLOSSUS працював уже в 1943 році, але тому що

британський уряд повністю контролював цей проект і розглядав його як військову

таємницю протягом 30 років, COLOSSUS не міг бути основою подальшого розвитку

комп'ютерів. Ми згадали його тільки тому, що це був перший у світі електронний

цифровий комп'ютер.

Друга світова війна вплинула й на розвиток комп'ютерної техніки в США.

Армії потрібні були таблиці стрілянини, які використовувалися при націлюванні

важкої артилерії. Сотні жінок наймалися для вираховування цих таблиць на ручних

рахункових машинах. Проте цей процес вимагав багато часу, і часто траплялися

помилки.

Джон Моушлі, що був знакомий з роботами Атанасова й Стибітса, розумів, що

армія зацікавлена в створенні механічних рахункових машин. Він зажадав від армії

фінансування робіт зі створення електронного комп'ютера.

Вимога була задоволена в 1943 році, і Моушлі зі своїм студентом, Дж.

Преспером Екертом, почали конструювати електронний комп'ютер, що вони назвали

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — електронний цифровий

інтегратор і калькулятор). Він складався з 18 000 електровакуумних ламп й 1500

реле. ENIAC важив 30 тонн і споживав 140 кіловат електроенергії. У машини було

20 регістрів, кожний з яких міг містити 10-розрядне десяткове число. (Десятковий

регістр — це пам'ять дуже маленького обсягу, що може вміщати число до якої-

небудь певної максимальної кількості розрядів, щось начебто одометра, що

запам'ятовує кілометраж пройденого автомобілем шляхи.) В ENIAC було

встановлено 6000 багатоканальних перемикачів і безліч кабелів бути протягнено до

розеток. Робота над машиною була закінчена в 1946 році, коли вона вже була не

потрібна. Але оскільки війна закінчилася, Моушлі й Екерту дозволили організувати

школу, де вони розповідали про свою роботу. Із цієї школи почався розвиток

інтересу до створення більших цифрових комп'ютерів. Після появи школи й інші

дослідники узялися за конструювання електронних обчислювальних машин.

Першим робочим комп'ютером був EDS АС (1949 рік). Цю машину сконструював

Моріс Уілкс у Кембриджському університеті. Далі JOHNIAC — у корпорації Rand,

ILLIAC — в Університеті Іллінойсу, MANIAC — у лабораторії Лос-Аламоса й

WEIZAC — в Інституті Вайцмана в Ізраїлі. Екерт і Моушлі незабаром почали

роботу над машиною EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer — електронна

12

дискретна параметрична машина). На нещастя, цей проект закрився, коли вони

пішли з університету, щоб заснувати комп'ютерну корпорацію у Філадельфії. Після

ряду злиттів ця компанія перетворилася в Unisys Corporation. Екерт і Моушлі хотіли

одержати патент на винахід цифрової обчислювальної машини. Після декількох

років судового позову було винесене рішення, що патент недійсний, тому що

цифрову обчислювальну машину винайшов Атанасов, хоча він і не запатентував

свій винахід.

У той час як Екерт і Моушлі працювали над машиною EDVAC, один з

учасників проекту ENIAC, Джон фон Нейман, поїхав в Інститут спеціальних

досліджень у Принстоні, щоб сконструювати свою власну версію EDVAC, машину

IAS1. Фон Нейман був генієм у тих же областях, що й Леонардо да Вінчі. Він знав

багато мов, був фахівцем з фізики й математики і мав феноменальну пам'ять; він

пам'ятав усе, що коли-небудь, чув, бачив або читав. Він міг дослівно процитувати по

пам'яті тексти книг, які читав кілька років назад. Коли фон Нейман став цікавитися

обчислювальними машинами, він уже був самим знаменитим математиком у світі.

Фон Нейман незабаром усвідомив, що створення комп'ютерів з більшою

кількістю перемикачів і кабелів вимагає тривалого часу й дуже утомливо. Він

прийшов до думки, що програма повинна бути представлена в пам'яті комп'ютера в

цифровій формі, разом з даними. Він також відзначив, що десяткова арифметика,

використовувана в машині ENIAC, де кожен розряд представлявся 10 електронними

лампами (1 включена й 9 виключені), повинна бути замінена бінарною

арифметикою.

Основний проект, що він описав спочатку, відома зараз як фон-неймановська

обчислювальна машина. Він був використаний в EDS АС, першій машині із

програмою в пам'яті, і навіть зараз, більш ніж через піввіку, є основою більшості

сучасних цифрових комп'ютерів. Цей задум і машина IAS зробили дуже великий

вплив на подальший розвиток комп'ютерної техніки.

Машина фон Неймана складалася з п'яти основних частин: пам'яті,

арифметико-логічного пристрою, пристрою керування, а також пристроїв вводу-

виводу. Пам'ять включала 4096 слів, кожне слово містило 40 бітів, біт - це 0 або 1.

Кожне слово містило або 2 команди по 20 бітів, або ціле число зі знаком на 40 бітів.

8 бітів указували на тип команди, а інші 12 бітів визначали одне з 4096 слів.

Усередині арифметико-логічного пристрою перебував особливий внутрішній

регістр в 40 бітів, так званий акумулятор. Типова команда додавала слово з пам'яті

до акумулятора або зберігала вміст акумулятора в пам'яті. Ця машина не виконувала

арифметичні операції із плаваючою крапкою, тому що фон Нейман розумів, що

будь-який знаючий математик був здатний тримати плаваючу кому в голові.

Приблизно в той же час, коли фон Нейман працював над машиною IAS,

дослідники МТІ розробляли свій комп'ютер Whirlwind I. На відміну від IAS, ENIАС

й інші машини того ж типу зі словами великої довжини, машина Whirlwind I містила

слова по 16 бітів і була призначена для роботи в реальному часі. Цей проект привів

до винаходу пам'яті на магнітному сердечнику (винахідник Джей Форрестер), а

потім і першого серійного міні-комп'ютера.

В 1953 році компанія IBM побудувала комп'ютер IBM-701, через багато років

після того, як компанія Екерта й Моушлі зі своїм комп'ютером UNIVAC стала

номером один на комп'ютерному ринку.

13

В IBM-701 було 2048 слів по 36 бітів, кожне слово містило дві команди. Він

став першим комп'ютером, що лідирував на ринку протягом десяти років. Через три

роки з'явився IBM-704, у якого було 4 Кбайт пам'яті на магнітних сердечниках,

команди по 36 бітів і процесор із плаваючою крапкою. В 1958 році компанія IBM

почала роботу над останнім комп'ютером на електронних лампах, IBM-709, що по

суті являв собою ускладнену версію IBM-704.

Друге покоління - транзистори (1955-1965)

Транзистор був винайдений співробітниками лабораторії Bell Laboratories

Джоном Бардином, Уолтером Браттейном і Вільямом Шоклі, за що в 1956 році вони

одержали Нобелівську премію в області фізики. Протягом десяти років транзистори

зробили революцію у виробництві комп'ютерів, і до кінця 50-х років комп'ютери на

вакуумних лампах застаріли. Перший комп'ютер на транзисторах був побудований у

лабораторії МТІ. Він містив слова з 16 бітів, як й Whirlwind I. Комп'ютер називався

ТХ-0 (Transistorized experimental computer 0 - експериментальна транзисторна

обчислювальна машина 0) і призначався тільки для тестування машини ТХ-2.

Машина ТХ-2 не мала великого значення, але один з інженерів із цієї

лабораторії, Кеннет Ольсен, в 1957 році заснував компанію DEC (Digital Equipment

Corporation - корпорація по виробництву цифрових апаратур), щоб робити серійну

машину, подібну із ТХ-0. Ця машина, PDP-1, з'явилася тільки через чотири роки

головним чином тому, що капіталісти, що фінансують DEC, вважали виробництво

комп'ютерів невигідним. Тому компанія DEC продавала в основному невеликі

електронні плати.

PDP-1 з'явився тільки в 1961 році. У нього було 4 Кбайт слів по 18 бітів і час

циклу 5 мікросекунд. Цей параметр був у два рази менше, ніж в IBM-7090,

транзисторного аналога IBM-709. PDP-1 був найшвидшим комп'ютером у світі в той

час. PDP-1 коштував $120000, a IBM-7090 коштували мільйони. Компанія DEC

продала десятки комп'ютерів PDP-1, і так з'явилася комп'ютерна промисловість.

Одну з перших машин моделі PDP-1 віддали в МТІ, де вона відразу

привернула увагу деяких молодих дослідників, що подавали більші надії. Одним з

нововведень PDP-1 був дисплей з розміром 512 на 512 пікселів, на якому можна

було малювати крапки. Незабаром студенти МТІ склали спеціальну програму для

PDP-1, щоб грати в «Війну мирів» - першу у світі комп'ютерну гру.

Через кілька років DEC розробив модель PDP-8, 12-бітний комп'ютер. PDP-8

коштував набагато дешевше, ніж PDP-1 ($16000). Головне нововведення - одна

шина (Omnibus). Шина - це набір паралельно з'єднаних проводів для зв'язку

компонентів комп'ютера. Це нововведення сильно відрізняло PDP-8 від IAS. Така

структура з тих пір стала використовуватися у всіх комп'ютерах. Компанія DEC

продала 50 000 комп'ютерів моделі PDP-8 і стала лідером на ринку міні-комп'ютерів.

З винаходом транзисторів компанія IBM побудувала транзисторну версію

IBM-709 - IBM-7090, а пізніше - IBM-7094. У неї час циклу становив 2

мікросекунди, а пам'ять складалася з 32 слів по 16 бітів. IBM-7090 й IBM-7094 були

останніми комп'ютерами типу ENIAC, але вони широко використовувалися для

наукових розрахунків в 60-х роках минулого століття.

Компанія IBM також випускала комп'ютери IBM-1401 для комерційних

розрахунків. Ця машина могла зчитувати й записувати магнітні стрічки й

перфокарти й роздруковувати результат так само швидко, як й IBM-7094, але при

14

цьому коштувала дешевше. Для наукових обчислень вона не підходила, але зате

була дуже зручна для ведення ділових записів.

В IBM-1401 не було регістрів і фіксованої довжини слова. Пам'ять містила 4

Кбайт по 8 бітів (4 Кбайт). Кожен байт містив символ в 6 бітів, адміністративний біт

і біт для вказівки кінця слова. У команди MOVE, наприклад, є вихідна адреса й

адреса пункту призначення. Ця команда переміщає байти з першої адреси в другий,

поки біт кінця слова не прийме значення 1.

В 1964 році компанія CDC (Control Data Corporation) випустила машину 6600,

що працювала майже на порядок швидше, ніж IBM-7094. Цей комп'ютер для

складних розрахунків користувався великою популярністю, і компанія CDC пішла в

гору. Секрет настільки високої швидкості роботи полягав у тім, що усередині ЦП

(центрального процесора) перебувала машина з високим ступенем паралелізму.

У неї було кілька функціональних пристроїв для додавання, множення й

розподіли, і всі вони могли працювати одночасно. Для того щоб машина швидко

працювала, потрібно було скласти гарну програму, але приклавши деякі зусилля,

можна було зробити так, щоб машина виконувала 10 команд одночасно. Усередині

машини 6600 було убудовано кілька маленьких комп'ютерів. ЦП, таким чином,

робив тільки підрахунок чисел, а інші функції (керування роботою машини, а також

введення й вивід інформації) виконували маленькі комп'ютери. Деякі принципи

пристрою 6600 використовуються й у сучасних комп'ютерах.

Розроблювач комп'ютера 6600 Сеймур Крей був легендарною особистістю, як

і фон Нейман. Він присвятив все своє життя створенню дуже потужних комп'ютерів,

які зараз називають суперкомп'ютерами. Серед них можна назвати CDC-6600, CDC-

7600 і Сгау-1.

Ще один комп'ютер - Burroughs B5000. Розроблювачі машин PDP-1, ІВМ-7094

й CDC-6600 займалися тільки апаратним забезпеченням, намагаючись знизити його

вартість (DEC) або змусити працювати швидше (IBM й CDC). Програмне

забезпечення не мінялося. Виробники В5000 пішли другим шляхом. Вони розробили

машину з наміром програмувати її мовою Algol 60 (попередник мови Pascal),

сконструювавши апаратне забезпечення так, щоб спростити завдання компілятора.

Так з'явилася ідея, що програмне забезпечення також потрібно враховувати при

розробці комп'ютера. Але незабаром ця ідея була забута.

Третє покоління - інтегральні схеми (1965-1980)

Винахід кремнієвої інтегральної схеми в 1958 році (винахідник - Роберт Нойс)

дало можливість поміщати десятки транзисторів на одну невелику мікросхему.

Комп'ютери на інтегральних схемах були меншого розміру, працювали швидше й

коштували дешевше, ніж їхні попередники на транзисторах.

До 1964 року компанія IBM лідирувала на комп'ютерному ринку, але існувала

одна велика проблема: комп'ютери IBM-7094 й IBM-1401, які вона випускала, були

несумісні один з одним. Один з них призначався для складних розрахунків, у ньому

використовувалася двійкова арифметика на регістрах по 36 бітів, а в другому

використовувалася десяткова система числення й слова різної довжини. У багатьох

покупців були обидва комп'ютери, і їм не подобалося, що вони зовсім несумісні.

Коли прийшов час замінити ці дві серії комп'ютерів, компанія IBM зробила рішучий

крок. Вона випустила серію комп'ютерів на транзисторах, System/360, які були

призначені й для наукових, і для комерційних розрахунків. System/360 містила

багато нововведень. Це було ціле сімейство комп'ютерів з тією самою мовою

15

(асемблером). Кожна нова модель була більше по розміру й по потужності, чим

попередня. Компанія могла замінити IBM-1401 на IBM-360 (модель 30), a IBM-7094

- на IBM-360 (модель 75). Модель 75 була більше по розміру, працювала швидше й

коштувала дорожче, але програми, написані для однієї з них, могли

використовуватися для іншої. На практиці програми, написані для маленької моделі,

виконувалися великою моделлю без особливих ускладнень. Але у випадку переносу

програмного забезпечення з великої машини на маленьку могло не вистачити

пам'яті. І все-таки створення такої серії комп'ютерів було великим досягненням. Ідея

створення сімейств комп'ютерів незабаром стала дуже популярною, і протягом

декількох років більшість комп’ютерних компаній випустило цілі серії подібних

машин з різною вартістю й функціями.

Ще одне нововведення в IBM-360 - мультипрограмування. У пам'яті

комп'ютера могло перебувати одночасно кілька програм, і поки одна програма

чекала, коли закінчиться процес вводу-виводу, інша виконувалася. IBM-360 була

першою машиною, що могла повністю імітувати роботу інших комп'ютерів.

Маленькі моделі могли імітувати IBM-1401, а більші - IBM-7094, тому програмісти

могли залишати свої старі програми без змін і використати їх у роботі з IBM-360.

Деякі моделі IBM-360 виконували програми, написані для IBM-1401, набагато

швидше, ніж сама IBM-1401, тому не було ніякого змісту в переробленні програм.

Комп'ютери серії IBM-360 могли імітувати роботу інших комп'ютерів, тому

що вони створювалися з використанням мікропрограмування. Потрібно було всього

лише написати три мікропрограми: одну - для системи команд IBM-360, іншу - для

системи команд IBM-1401 і третю - для системи команд IBM-7094. Вимога

сумісності була однією з головних причин використання мікропрограмування.

IMB-360 вдалося вирішити дилему між двійковою й десятковою системою: у

цього комп'ютера було 16 регістрів по 32 біта для бінарної арифметики, але пам'ять

складалася з байтів, як в IBM-1401. У ній використовувалися такі ж команди для

переміщення записів різного розміру з однієї частини пам'яті в іншу, як й в IBM-

1401. Обсяг пам'яті в IBM-360 становив 224

байтів (16 Мбайт). У ті часи такий обсяг

пам'яті здавався величезним. Серія IBM-360 пізніше змінилася серією IBM-370,

потім IBM-4300, IBM-3080, IBM-3090. У всіх цих комп'ютерів була подібна

архітектура. До середини 80-х років 16 Мбайт пам'яті стало недостатньо, і компанії

IBM довелося частково відмовитися від сумісності, щоб перейти на систему адрес в

32 біта, необхідну для пам'яті обсягом в 224

байтів. Можна було б припустити, що

оскільки в машин були слова в 32 біти й регістри, у них цілком могли б бути й

адреси в 32 біта. Але в той час ніхто не міг навіть уявити собі комп'ютер з обсягом

пам'яті 16 Мбайт. Обвинувачувати IBM у відсутності передбачення - однаково що

обвинувачувати сучасних виробників персональних комп'ютерів у тім, що адреси в

них усього по 32 біта.

Мир міні-комп'ютерів зробив великий крок уперед у третім поколінні разом з

виробництвом серії комп'ютерів PDP-11, послідовників PDP-8 зі словами по 16 бітів.

У багатьох відносинах PDP-11 був молодшим братом IBM-360, a PDP-1 - молодшим

братом IBM-7094. І в IBM-360, і в PDP-11 були регістри, слова, пам'ять із байтами, і

в обох серіях були комп'ютери різної вартості й з різними функціями. PDP-1 широко

використовувався, особливо в університетах, і компанія DEC продовжувала

лідирувати серед виробників мінікомп’ютерів.

16

Четверте покоління - надвеликі інтегральні схеми (1980-?)

Поява надвеликих інтегральних схем (НВІС) в 80-х роках дозволила

поміщати на одну плату спочатку десятки тисяч, потім сотні тисяч й, нарешті,

мільйони транзисторів. Це привело до створення комп'ютерів меншого розміру й з

більш високою швидкістю роботи. До появи PDP-1 комп'ютери були настільки

великими і дорогими, що компаніям й університетам доводилося мати спеціальні

відділи (обчислювальні центри). До 80-м років ціни впали так сильно, що

можливість здобувати комп'ютери з'явилася не тільки в організацій, але й в окремих

людей. Почалася ера персональних комп'ютерів.

Персональні комп'ютери використовувалися зовсім для інших цілей. Вони

застосовувалися для обробки слів, а також для різних діалогових прикладних

програм, з якими більші комп'ютери не могли працювати. Перші персональні

комп'ютери продавалися у вигляді комплектів. Кожен комплект містив друковану

плату, набір інтегральних схем, що звичайно включав схему Intel 8080, кілька

кабелів, джерело живлення й іноді 8-дюймовий дисковід. Скласти із цих частин

комп'ютер покупець повинен був сам. Програмне забезпечення до комп'ютера не

додавалося. Покупцеві доводилося самому писати програмне забезпечення. Пізніше

з'явилася операційна система СР/М, написана Гару Кілдаллом для Intel 8080. Ця

діюча операційна система містилася на дискету, вона містила в собі систему

керування файлами й інтерпретатор для виконання користувальницьких команд, які

набиралися із клавіатури.

Ще один персональний комп'ютер, Apple (а пізніше й Apple II), був

розроблений Стівом Джобсом і Стівом Возняком. Він став надзвичайно популярний

серед окремих покупців, а також широко використовувався в школах, і це зробило

компанію Apple серйозним конкурентом IBM.

Спостерігаючи за тим, чим займаються інші компанії, компанія IBM, що

лідирувала тоді на комп'ютерному ринку, теж вирішила зайнятися виробництвом

персональних комп'ютерів. Але замість того щоб конструювати комп'ютер з нуля,

що зайняло б занадто багато часу, компанія IBM надала одному зі своїх працівників,

Філіпу Естріджу, більшу суму грошей, наказала йому відправитися куди-небудь

подалі від бюрократів, що втручаються в усі справи головного керування компанії,

що перебуває в Нью-Йорку, і не повертатися, поки не буде сконструйований діючий

персональний комп'ютер. Естрідж відкрив підприємство досить далеко від

головного управління компанії (у Флориді), взяв Intel 8088 як центральний процесор

і створив персональний комп'ютер із серійних компонентів. Цей комп'ютер (IBM

PC) з'явився в 1981 році.

Але компанія IBM зробила одну річ, про яку вона пізніше пошкодувала.

Замість того щоб тримати проект машини в секреті (або принаймні відгородити себе

патентами), як вона звичайно робила, компанія опублікувала повні проекти,

включаючи всі електронні схеми, у книзі вартістю $49. Ця книга була опублікована

для того, щоб інші компанії могли робити змінні плати для IBM PC, що підвищило б

сумісність і популярність цього комп'ютера. На нещастя для IBM, як тільки проект

IBM PC став широко відомий, оскільки всі складові частини комп'ютера можна було

легко придбати, багато компаній почали робити клони PC і часто продавали їх

набагато дешевше, ніж IBM. Так почалося бурхливе виробництво персональних

комп'ютерів. Хоча деякі компанії (такі як Commodore, Apple, Amiga, Atari) робили

персональні комп'ютери з використанням своїх процесорів, а не Intel, потенціал

17

виробництва IBM PC був настільки великий, що іншим компаніям доводилося

пробиватися з важкістю. Вижити вдалося тільки деяким з них, і то тому, що вони

спеціалізувалися у вузьких областях, наприклад у виробництві робочих станцій або

суперкомп'ютерів.

Перша версія IBM PC була оснащена операційною системою MS-DOS, що

випускала тоді ще малюсінька корпорація Microsoft. IBM й Microsoft спільно

розробили наступну за MS-DOS операційну систему OS/2, характерною рисою якої

був графічний інтерфейс, подібний з інтерфейсом Apple Macintosh. Тим часом

компанія Microsoft також розробила власну операційну систему Windows, що

працювала на основі MS-DOS, на випадок, якщо OS/2 не буде мати попиту. OS/2

дійсно не користувалася попитом, a Microsoft успішно продовжувала випускати

операційну систему Windows, що послужило причиною грандіозного розбрату між

IBM й Microsoft. Легенда про те, як малюсінька компанія Intel і компанія Microsoft,

що була ще менше, ніж Intel, умудрилися скинути IBM, одну із самих великих,

самих багатих і самих впливових корпорацій у світовій історії, докладно

викладається в бизнесшколах по усім світі.

18

Тема 3. Типи комп’ютерів. Закон Мура. Спектр комп’ютерів.

План:

1. Технологічні та економічні аспекти.

2. Широкий спектр комп’ютерів.

Література:[1, стор.41-45]

Питання для самоконтролю:

1. Від чого залежить об’єм пам’яті та потужність процесорів?

2. Що являє собою закон Мура?

3. Що таке ефективний цикл?

4. Як можна розвивати комп’ютерні технології?

5. Які існують типи сучасних комп’ютерів?

6. Що таке мережі робочих станцій або кластери робочих станцій?

Типи комп'ютерів

Комп'ютерна промисловість рухається вперед як ніяка інша. Головна рушійна

сила - здатність виробників поміщати з кожним роком усе більше й більше

транзисторів на мікросхему. Чим більше транзисторів, тим більше обсяг пам'яті й

могутніше процесори.

Ступінь технологічного прогресу можна спостерігати, використовуючи закон

Мура, названий на честь одного із засновників і глави компанії Intel Гордона Мура,

що відкрив його в 1965 році. Коли Мур готовив доповідь для промислової групи, то

помітив, що кожне нове покоління мікросхем з'являється через три роки після

попереднього. Оскільки в кожного нового покоління комп'ютерів було в 4 рази

більше пам'яті, чим у попереднього, він зрозумів, що число транзисторів на

мікросхемі зростає на постійну величину, і, таким чином, цей ріст можна

пророкувати на роки вперед. Закон Мура говорить, що число транзисторів на одній

мікросхемі подвоюється кожні 18 місяців, тобто збільшується на 60% щороку.

Звичайно, закон Мура - це взагалі не закон, а просто емпіричне спостереження

про те, з якою швидкістю фізики й інженери-технологи розвивають комп'ютерні

технології, і пророкування, що з такою швидкістю вони будуть працювати й у

майбутньому. Багато фахівців уважають, що закон Мура діє й в XXI столітті,

можливо, до 2020 року. Імовірно, транзистори незабаром будуть складатися всього

лише з декількох атомів, хоча досягнення квантової комп'ютерної техніки, може

бути, дозволять використати для розміщення 1 біта спин одного електрона.

Закон Мура пов'язаний з тим, що деякі економісти називають ефективним

циклом. Досягнення в комп'ютерних технологіях (збільшення кількості транзисторів

на одній мікросхемі) приводять до продукції кращої якості й більше низьким цінам.

Низькі ціни ведуть до появи нових прикладних програм. Нові прикладні програми

приводять до виникнення нових комп'ютерних ринків і нових компаній. Існування

всіх цих компаній веде до конкуренції між ними, що, у свою чергу, створює

економічний попит на кращі технології. Коло замикається.

Ще один фактор розвитку комп'ютерних технологій - перший натановский

закон програмного забезпечення, названий на честь Натана Мирвольда, головного

адміністратора компанії Microsoft. Цей закон говорить: «Програмне забезпечення -

19

це газ. Воно поширюється й повністю заповнює резервуар, у якому перебуває» В 80-

і роки електронна обробка текстів здійснювалася програмою troff. Troff займає

кілька десятків кілобайтів пам'яті. Сучасні електронні редактори займають десятки

мегабайтів. У майбутньому, безсумнівно, вони будуть займати десятки гігабайтів.

Програмне забезпечення продовжує розвиватися й створює постійний попит на

процесори, що працюють із більш високою швидкістю, на більший обсяг пам'яті, на

більшу продуктивність пристроїв вводу-виводу.

З кожним роком відбувається стрімке збільшення кількості транзисторів на

одній мікросхемі. Досягнення в розвитку інших частин комп'ютера настільки ж

великі. Наприклад, в IBM PC/XT, що появились в 1982 році, обсяг жорсткого диска

становив усього 10 Мбайт, набагато менше, ніж у більшості сучасних настільних

комп'ютерів. Підрахувати, наскільки швидко відбувається вдосконалювання

жорсткого диска, набагато складніше, оскільки отут є кілька параметрів (обсяг,

швидкість передачі даних, ціна й т. д), але вимір кожного із цих параметрів покаже,

що показники зростають, принаймні, на 50% у рік.

Великі досягнення спостерігаються також й у сфері телекомунікацій і

створення мереж. Менше ніж за два десятиліття пройдено шлях від модемів, що

передають інформацію зі швидкістю 300 біт/с, до аналогових модемів, що працюють

зі швидкістю 56 Кбіт/с, телефонним лініям ISDN, де швидкість передачі інформації

2x64 Кбіт/с, оптико-волоконним мережам, де швидкість уже більше чим 1 Гбіт/с.

Оптико-волоконні трансатлантичні телефонні кабелі (наприклад, ТАТ-12/13)

коштують біля $700 млн, діють протягом 10 років і можуть передавати 300 000

дзвінків одночасно, тому вартість 10-хвилинного міжконтинентального зв'язку

становить менш 1 цента Лабораторні дослідження підтвердили, що можливі системи

зв'язку, що працюють зі швидкістю 1 терабіт/с (1012 біт/с) на відстані більше 100 км

без підсилювачів, Навряд чи потрібно згадувати про розвиток мережі Інтернет.

Широкий спектр комп'ютерів

Ричард Хаммінг, що був дослідником з Bell Laboratories, помітив, що кількісна

зміна величини на порядок веде до якісної зміни. Якщо мова йде про комп'ютери, те

отут за три десятиліття кількісні показники збільшилися не в 10, а в 1 000 000 разів.

Розвивати комп'ютерні технології можна двома шляхами: або створювати

комп'ютери все більшої й більшої потужності при постійній ціні, або випускати той

самий комп'ютер, з кожним роком знижуючи ціну. Комп'ютерна промисловість

використовує обоє цих шляхів, створюючи широкий спектр різноманітних

комп'ютерів. Дуже приблизна класифікація сучасних комп'ютерів представлена в

табл.2.

Таблиця 2 – Типи сучасних комп'ютерів. Зазначені ціни приблизні Тип Ціна ($) Сфера застосування

«Одноразові» комп'ютери 1 Вітальні листівки

Убудовані комп'ютери 10 Годинники, машини, різні прилади

Ігрові комп'ютери 100 Домашні комп'ютерні ігри

Персональні комп'ютери 1000 Настільні й портативні комп'ютери

Сервери 10 000 Мережні сервери

Робочі станції 100 000 Міні-суперкомп’ютеры

Більші комп'ютери 1 000 000 Обробка пакетних даних у банку

Суперкомп'ютери 10 000 000 Пророкування погоди на тривалий строк

У самому верхньому рядку перебувають мікросхеми, які приклеюються на

внутрішню сторону вітальних листівок для програвання мелодій «Happy Birthday»,

весільного маршу або чого-небудь подібного.

20

Другий рядок - комп'ютери, які містяться усередину телефонів, телевізорів,

мікрохвильових печей, CD-плейєрів, іграшок, ляльок і т.п. Через кілька років у всіх

електричних приладах будуть перебувати убудовані комп'ютери, кількість яких буде

вимірятися в мільярдах. Такі комп'ютери складаються із процесора, пам'яті менш 1

Мбайт і пристроїв вводу-виводу, і все це на одній маленькій мікросхемі, що коштує

всього кілька доларів.

Наступний рядок - ігрові комп'ютери. Це звичайні комп'ютери з особливою

графікою, але з обмеженим програмним забезпеченням і майже повною відсутністю

відкритості, тобто можливості перепрограмування. Приблизно рівні їм за вартістю

електронні записні книжки та інші кишенькові комп'ютери, а також мережні

комп'ютери й web-термінали. Всі вони містять процесор, кілька мегабайтів пам'яті,

який-небудь дисплей (може бути, навіть телевізійний) і більше нічого. Тому вони

такі дешеві.

Далі йдуть персональні комп'ютери. Саме вони асоціюються в більшості

людей зі словом «комп'ютер». Персональні комп'ютери бувають двох видів:

настільні й ноутбуки. Вони звичайно містять кілька гігабайтів пам'яті, жорсткий

диск із даними на кілька сотень гігабайтів, CD-ROM, модем, звукову карту й інші

периферійні пристрої. Вони постачені складними операційними системами, мають

можливість нарощування, при роботі з ними використовується широкий спектр

програмного забезпечення. Комп'ютери із процесором Intel звичайно називаються

«персональними комп'ютерами», а комп'ютери з іншими процесорами - «робочими

станціями», хоча особливої різниці між ними немає. Персональні комп'ютери й

робочі станції часто використовуються як мережні сервери як для локальних мереж

(звичайно в межах однієї організації), так і для Інтернету. У цих комп'ютерів

звичайно один або кілька процесорів, кілька гігабайтів пам'яті й багато Гбайт на

диску. Такі комп'ютери здатні працювати в мережі з дуже високою швидкістю.

Деякі з них можуть обробляти тисячі вступних повідомлень одночасно.

Крім невеликих серверів з декількома процесорами існують системи, які

називаються мережами робочих станцій (NOW - Networks of Workstations) або

кластерами робочих станцій (COW - Clusters of Workstations). Вони складаються зі

звичайних персональних комп'ютерів або робочих станцій, зв'язаних у мережу, по

якій інформація передається зі швидкістю 1 Гбіт/с, і спеціального програмного

забезпечення, що дозволяє всім машинам одночасно працювати над одним

завданням. Такі системи широко застосовуються в науці й техніку. Кластери

робочих станцій можуть містити в собі від декількох комп'ютерів до декількох

тисяч. Завдяки низькій ціні компонентів окремі організації можуть здобувати такі

машини, які по ефективності є міні-суперкомп’ютерами.

А тепер про більші комп'ютери розміром з кімнату, що нагадує комп'ютери

60-х років. У більшості випадків ці системи - прямі нащадки більших комп'ютерів

серії IBM-360. Звичайно вони працюють ненабагато швидше, ніж потужні сервери,

але в них вище швидкість процесів вводу-виводу й володіють вони досить більшим

простором на диску - 1 терабайт і більше (1 терабайт=1012байт). Такі системи

коштують дуже дорого й вимагають великих вкладень у програмне забезпечення,

дані й персонал, що обслуговує ці комп'ютери. Багато компаній уважають, що

дешевше заплатити кілька мільйонів доларів один раз за таку систему, чим навіть

думати про те, що потрібно буде заново програмувати всі прикладні програми для

маленьких комп'ютерів. Саме цей клас комп'ютерів привів до проблеми 2000 року.

21

Проблема виникла через те, що в 60-і й 70-і роки програмісти, що пишуть програми

мовою COBOL, представляли рік двозначним десятковим числом з метою економії

пам'яті. Вони не змогли передбачати, що їхнє програмне забезпечення буде

використовуватися через три або чотири десятиліття. Багато компаній повторили ту

ж помилку, додавши до числа року тільки два десяткових розряди.

Слідом за більшими комп'ютерами йдуть дійсні суперкомп'ютери. Їхні

процесори працюють із дуже високою швидкістю, обсяг пам'яті в них становить

безліч гігабайтів, диски й мережі також працюють дуже швидко. В останні роки

багато суперкомп'ютерів стали дуже схожі, вони майже не відрізняються від

кластерів робочих станцій, але в них більше складових і вони працюють швидше.

Суперкомп'ютери використовуються для рішення різних наукових і технічних

завдань, які вимагають складних обчислень, наприклад таких, як моделювання

галактик, що зіштовхуються, розробка нових ліків, моделювання потоку повітря

навколо крила аероплана.

22

Тема 4. Сімейства комп’ютерів: Pentium, UltraSPARC, PicoJava.

План:

1. Pentium.

2. UltraSPARC.

3. PicoJava.

Література:[1, стор.42-52]

Питання для самоконтролю:

1. Ким була заснована корпорація Intel?

2. Як виник процесор 4004?

3. Як виник процесор 8008?

4. Коли з’явився процесор 8086?

5. Чим відрізняються процесори 8086 і 8088?

6. Коли був розроблений процесор 80286?

7. Чим відрізнявся процесор 80386 від процесора 80286?

8. Для чого використовується кеш – пам’ять?

9. Коли з’явився процесор 80486?

10. Процесор Pentium.

11. Відмінність Pentium Pro від Pentium.

12. Процесор Pentium II.

13. Для чого потрібна система команд ММХ?

14. Як змінювалась тактова частота сімейства процесорів Intel?

15. Що таке сумісність процесорів?

16. Як виникла компанія Sun Microsystems?

17. Коли виник процесор SPARC?

18. Що таке IU?

19. Що являє собою віртуальна машина JVM?

20. Що таке JIT – компілятори?

21. Що таке мікросхема PicoJava II?

22. Що містить PicoJava II?

Сімейства комп'ютерів

Pentium

В 1968 році Роберт Нойс, винахідник кремнієвої інтегральної схеми, Гордон

Мур, автор відомого закону Мура, і Артур Рок, капіталіст із Сан-Франциско,

заснували корпорацію Intel для виробництва комп'ютерних мікросхем. За перший

рік свого існування корпорація продала мікросхем усього на $3000, але потім обсяг

продажів компанії помітно збільшився. Наприкінці 60-х років калькулятори являли

собою великі електромеханічні машини розміром із сучасний лазерний принтер і

важили близько 20 кг. У вересні 1969 року японська компанія Busicom звернулася

до корпорації Intel із проханням випустити 12 несерійних мікросхем для електронної

обчислювальної машини. Інженер компанії Intel Тед Хофф, призначений на

виконання цього проекту, вирішив, що можна помістити 4-бітний універсальний

процесор на одну мікросхему, що буде виконувати ті ж функції й при цьому

23

виявиться простіше й дешевше. Так в 1970 році з'явився перший процесор на одній

мікросхемі, процесор 4004 на 2300 транзисторах.

Ні Intel, ні Busicom не мали ні найменшого поняття, яке грандіозне відкриття

вони зробили. Коли компанія Intel вирішила, що варто спробувати використати

процесор 4004 в інших розробках, вона запропонувала купити усі права на нову

мікросхему в компанії Busicom за $60000, тобто за суму, що Busicom заплатила Intel

за розробку цієї мікросхеми. Busicom відразу прийняла пропозицію Intel, і Intel

почала роботу над 8-бітною версією мікросхеми 8008, випущеної в 1972 році.

Компанія Intel не очікувала великого попиту на мікросхему 8008, тому вона

випустила невелику кількість цієї продукції. На превеликий подив, нова мікросхема

викликала великий інтерес, тому Intel почала розробку ще одного процесора, у

якому межа в 16 Кбайт пам'яті (як у процесора 8008), що нав'язується кількістю

зовнішніх виводів мікросхеми, була переборена. Так з'явився невеликий

універсальний процесор 8080, випущений в 1974 році. Як й PDP-8, він зробив

революцію на комп'ютерному ринку й відразу став масовим продуктом: тільки

компанія DEC продала тисячі PDP-8, a Intel - мільйони процесорів 8080.

В 1978 році з'явився процесор 8086 - 16-бітний процесор на одній мікросхемі.

Процесор 8086 був багато в чому схожий на 8080, але не був повністю сумісний з

ним. Потім з'явився процесор 8088 з такою же архітектурою, як й в 8086. Він

виконував ті ж програми, що й 8086, але замість 16-бітної шини в нього була 8-

бітна, через що процесор працював повільніше, але коштував дешевше, ніж 8086.

Коли IBM вибрала процесор 8088 для IBM PC, ця мікросхема стала еталоном у

виробництві персональних комп'ютерів. Ні 8088, ні 8086 не могли звертатися до

більше 1 Мбайт пам'яті. До початку 80-х років це стало серйозною проблемою, тому

компанія Intel розробила модель 80286, сумісну з 8086. Основний набір команд

залишився в сутності таким же, як у процесорів 8086 й 8088, але пам'ять була

влаштована небагато по-іншому, хоча й могла працювати як і раніше через вимогу

сумісності з попередніми мікросхемами. Процесор 80286 використовувався в IBM

PC/AT й у моделях PS/2. Він, як й 8088, користувався великим попитом.

Наступним кроком був 32-бітний процесор 80386, випущений в 1985 році. Як

й 80286, він був більш-менш сумісний з усіма старими версіями. Через чотири роки

з'явився процесор 80486. Він працював швидше, ніж 80386, міг виконувати операції

із плаваючою крапкою й мав 8 Кбайт кеш-пам'яті. Кэш - пам'ять використовується

для того, щоб тримати найбільш часто використовувані слова усередині

центрального процесора й уникати тривалого доступу до основної (оперативної)

пам'яті. Іноді кеш-пам'ять перебуває не усередині центрального процесора, а поруч

із ним. 80486 містив убудовані засоби підтримки багатопроцесорного режиму, що

давало виробникам можливість конструювати системи з декількома процесорами.

У цей момент Intel, програвши судовий позов із приводу порушення правил

найменування товарів, з'ясувала, що номера (наприклад, 80486) не можуть бути

торговельною маркою, тому наступне покоління комп'ютерів одержало назву

Pentium. На відміну від 80486, у якого був один внутрішній конвеєр, Pentium мав

два, що дозволяло працювати йому майже у два рази швидше.

Коли з'явилося наступне покоління комп'ютерів, ті, хто розраховував на назву

Sexium, були розчаровані. Назва Pentium стало так добре відома, що його вирішили

залишити, і нову мікросхему назвали Pentium Pro. Незважаючи на настільки

незначну зміну назви, цей процесор дуже сильно відрізнявся від попередніх. У нього

24

була зовсім інша внутрішня організація, і він міг виконувати до п'яти команд

одночасно. Ще одне нововведення в Pentium Pro - дворівнева кеш-пам'ять. Процесор

містив 8 Кбайт пам'яті для часто використовуваних команд і ще 8 Кбайт для часто

використовуваних даних. У корпусі Pentium Pro поруч із процесором (але не на

самій мікросхемі) перебувала інша кеш-пам'ять в 256 Кбайт. Насправді різниця у

вартості самих мікропроцесорів була незначною. Але комп'ютери, що збирали на

базі мікропроцесора 8088, були дешевше, ніж якби їх будували на базі

мікропроцесора 8086.

Слідом за Pentium Pro з'явився процесор Pentium II, власне кажучи такий же,

як і його попередник, але з особливою системою команд для мультимедіа-задач

(ММХ - multimedia extensions). Ця система команд призначалася для прискорення

обчислень, необхідних при відтворенні зображення й звуку. При наявності ММХ

спеціальні співпроцесори були не потрібні. Дані команди були в наявності й у

більше пізніх версіях Pentium, але їх не було в Pentium Pro. Таким чином, комп'ютер

Pentium II сполучав у собі функції Pentium Pro з мультимедіа-командами.

На початку 1998 року Intel запустив нову лінію продукції за назвою Celeron.

Celeron мав меншу продуктивність, чим Pentium II, але зате коштував дешевше. У

червні 1998 року компанія Intel випустила спеціальну версію Pentium II - Хеоn. Він

мав кеш-пам'ять більшого обсягу, його внутрішня шина працювала швидше, були

вдосконалені засоби підтримки багатопроцесорного режиму, але у всім іншому він

залишився звичайним Pentium II.

Всі мікросхеми Intel сумісні зі своїми попередниками аж до процесора 8086.

Інакше кажучи, Pentium II може виконувати програми, написані для процесора 8086.

Сумісність завжди була одним з головних вимог при розробці нових комп'ютерів,

щоб покупці могли продовжувати працювати зі старим програмним забезпеченням і

не витрачати гроші на нове. Звичайно, Pentium II у багато разів складніше, ніж 8086,

тому він може виконувати багато функцій, які не здатний виконувати процесор

8086. Всі ці поступові доробки в кожній новій версії привели до того, що

архітектура Pentium II не так проста, як могла б бути, якби розроблювачам

процесора Pentium II надали 7,5 млн транзисторів і команд, щоб почати все заново.

Цікаво, що хоча закон Мура раніше асоціювалася із числом бітів у пам'яті

комп'ютера, він рівною мірою застосовується й стосовно процесорів. Якщо напроти

дати випуску кожної мікросхеми поставити число транзисторів на цій мікросхемі ми

побачимо, що закон Мура діє й тут.

UltraSPARC

В 70-х роках у багатьох університетах була дуже популярна операційна

система UNIX, але персональні комп'ютери не підходили для цієї операційної

системи, тому аматорам UNIX доводилося працювати на міні-комп'ютерах з поділом

часу, таких як PDP-11 й VAX. Енді Бехтольсхайм, аспірант Стенфордського

університету, був дуже розстроєний тим, що йому потрібно відвідувати

комп'ютерний центр, щоб працювати з UNIX. В 1981 році він розв'язав цю

проблему, самостійно побудувавши персональну робочу станцію UNIX зі

стандартних частин, наявних у продажі, і назвав її SUN-1 (Stanford University

Network - мережа Стенфордського університету). На Бехтольсхайма незабаром

звернув увагу Винод Косла, 27-літній індієць, що палко бажав рокам до тридцяти

стать мільйонером і піти від справ. Косла запропонував Бехтольсхайму організувати

компанію по виробництву робочих станцій Sun. Він найняв Скота Мак-Нілі іншого

25

аспіранта Стенфордського університету, щоб той очолив виробництво. Для

написання програмного забезпечення вони найняли Білла Джоя, головного творця

системи UNIX. В 1982 році вони вчотирьох заснували компанію Sun Microsystems.

Перший комп'ютер компанії, Sun-1, був оснащений процесором Motorola 68020 і мав

великий успіх, як і наступні моделі Sun-2 й Sun-З, які також були сконструйовані з

використанням мікропроцесорів Motorola. Ці машини були набагато могутніше, ніж

інші персональні комп'ютери того часу, і споконвічно були призначені для роботи в

мережі. Кожна робоча станція Sun була оснащена мережним адаптером Ethernet і

програмним забезпеченням TCP/IP для зв'язку з мережею ARPANET, попередницею

Інтернету.

В 1987 році компанія Sun, що на той час продавала робочих станцій на

півмільярда доларів у рік, вирішила розробити свій власний процесор, заснований на

новому революційному проекті каліфорнійського університету в Берклі (RISC II).

Цей процесор називався SPARC (Scalable Processor ARCitecture — нарощувана

архітектура процесора). Він був використаний при виробництві робочої станції

Sun-4. Через якийсь час всі робочі станції компанії Sun стали вироблятися на основі

цього процесора. На відміну від багатьох інших комп'ютерних компаній, Sun

вирішила не займатися виробництвом процесорів SPARC. Замість цього вона надала

патент на їхнє виготовлення декільком підприємствам, сподіваючись, що

конкуренція між ними спричинить підвищення якості продукції й зниження цін. Ці

підприємства випустили кілька різних мікросхем, заснованих на різних технологіях,

що працюють із різною швидкістю й відрізняються один від одного за вартістю.

Мікросхеми називалися MicroSPARC, HyperSPARK, SuperSPARK й TurboSPARK.

Мало чим відрізняючись друг від друга, всі вони були сумісні й могли виконувати ті

самі програми, які не доводилося змінювати. Компанія Sun завжди хотіла, щоб різні

підприємства поставляли для SPARK складові частини й системи. Потрібно було

побудувати цілу індустрію, тільки в цьому випадку можна було конкурувати з

компанією Intel, що лідирує на ринку персональних комп'ютерів. Щоб завоювати

довіру компаній, які були зацікавлені у виробництві процесорів SPARC, але не

хотіли вкладати кошти в продукцію, що буде придушувати Intel, компанія Sun

створила промисловий консорціум SPARC International для керівництва розвитком

майбутніх версій архітектури SPARC. Важливо розрізняти архітектуру SPARC, що

являє собою набір команд, і властиво виконання цих команд.

Перший SPARC був 32-бітним і працював із частотою 36 МГц. Центральний

процесор називався IU (Integer Unit — процесор цілочисленої арифметики) і був

досить посереднім. У нього було тільки три основних формати команд й у цілому

всього 55 команд. З появою процесора із плаваючою крапкою додалося ще 14

команд. Відзначимо, що компанія Intel початку з 8- і 16-бітних мікросхем (моделі

8088, 8086, 80286), а вже потім перейшла на 32-бітні (модель 80386), a Sun, на

відміну від Intel, відразу почала з 32-бітних.

Грандіозний перелом у розвитку SPARC відбувся в 1995 році, коли була

розроблена 64-бітна версія (версія 9) з адресами й регістрами по 64 біт. Першою

робочою станцією з такою архітектурою стала UltraSPARC I, що вийшла у світ в

1995 році. Він був повністю сумісний з 32-бітними версіями SPARC, хоча сам був

64-бітним.

У той час як попередні машини працювали із символьними й числовими

даними, UltraSPARC із самого початку був призначений для роботи із

26

зображеннями, аудио, відео й мультимедіа взагалі. Серед нововведень, крім 64-

бітної архітектури, з'явилися 23 нові команди, у тому числі команди для впакування

й розпакування пікселів з 64-бітних слів, масштабування й обертання зображень,

переміщення блоків, а також для компресії й декомпресії відео в реальному часі. Ці

команди називалися VIS (Visual Instruction Set) і призначалися для підтримки

мультимедіа. Вони були аналогічні командам ММХ.

UltraSPARC призначався для web-серверів з десятками процесорів і фізичною

пам'яттю до 2 Тбайт (терабайт, 1Тбайт = 1012 байтів). Проте деякі версії

UltraSPARC можуть використовуватися й у ноутбуках.

За UltraSPARC I пішли UltraSPARC II й UltraSPARC III. Ці моделі

відрізнялися друг від друга по швидкості, і в кожної з них з'являлися якісь нові

особливості.

PicoJava

Мова програмування С придумав один із працівників компанії Bell

Laboratories Деннис Рітчі. Ця мова призначалася для роботи в операційній системі

UNIX. Через велику популярність UNIX С незабаром стала домінуючою мовою в

системному програмуванні. Через кілька років Б’ярн Строуструп, теж з компанії

Bell Laboratories, додав до С деякі особливості з об’єктно-орієнтованого

програмування, і з'явилася мова C++, що також стала дуже популярною.

У середині 90-х років дослідники в Sun Microsystems думали, як зробити так,

щоб користувачі могли викликати двійкові програми через Інтернет і завантажувати

їх як частину web-сторінок. Їм подобався C++, але він не був надійним у тому

розумінні, що програма, послана на деякий комп'ютер, могла завдати шкоди цьому

комп'ютеру. Тоді вони вирішили на основі C++ створити нову мову програмування

Java, з яким не було б подібних проблем. Java – об’єктно-орієнтована мова, що

застосовується при рішенні різних прикладних завдань.

Оскільки Java — усього лише мова програмування, можна написати

компілятор, що буде перетворювати його для Pentium, SPARC або будь-якого

іншого комп'ютера. Такі компілятори існують. Однак ця мова була створена в першу

чергу для того, щоб пересилати програми між комп'ютерами по Інтернету й щоб

користувачам не доводилося змінювати їх. Але якщо програма мовою Java

компілювалася для SPARC, то коли вона пересилалася по Інтернету на Pentium,

запустити там цю програму було вже не можна. Щоб розв'язати цю проблему,

компанія Sun придумала нову віртуальну машину JVM ( Java Virtual Machine —

віртуальна машина Java). Пам'ять у цієї машини складалася з 32-бітних слів,

машина підтримувала 226 команд. Більшість команд були простими, але виконання

деяких досить складних команд вимагало великої кількості циклів звертання до

пам'яті.

В компанії Sun розробили компілятор, що перетворить програми мовою Java

на рівень JVM, і інтерпретатор JVM для виконання цих програм. Цей інтерпретатор

був написаний мовою С і, виходить, міг використовуватися практично на будь-

якому комп'ютері. Отже, щоб комп'ютер міг виконувати двійкові програми мовою

Java, потрібно було всього лише дістати інтерпретатор JVM для відповідного

комп'ютера (наприклад, для Pentium II із системою Windows 98 або для SPARC із

системою UNIX) разом з певними програмами підтримки й бібліотеками. Крім того,

більшість браузерів в Інтернеті містять інтерпретатор JVM, що дозволяє легко

27

запускати аплети (невеликі двійкові програми на Java, зв'язані зі сторінками World

Wide Web). Більшість цих аплетів підтримують анімацію й звук.

Інтерпретація програм JVM (і будь-яких інших програм) відбувається

повільно. Альтернативний підхід — спочатку скомпілювати аплет або іншу

програму JVM для вашої власної машини, а потім запустити скомпільовану

програму. Така стратегія вимагає наявності компілятора з JVM на машинну мову

усередині браузера й можливості активізувати його, коли необхідно. Ці компілятори

називаються JIT-компіляторами (Just In Time — «саме вчасно»), і вони широко

поширені. Однак ця система створює деяку затримку між одержанням JVM-

програми і її виконанням, оскільки JVM-програма компілюється на машинну мову.

Крім програмного забезпечення JVM (JVM-інтерпретаторів й JIT-

компіляторів) Sun й інші компанії розробили мікросхеми JVM - процесори, які

відразу виконують двійкові програми JVM без якої-небудь інтерпретації й

компіляції. Picojava I й picojava II були розроблені для ринку убудованих систем. На

цьому ринку потрібні потужні й дуже дешеві процесори (ціна нижче $50), що

вбудовують усередину пластикових карток, телевізорів, телефонів й інших

пристроїв, особливо таких, які забезпечують зв'язок із зовнішнім миром.

Підприємства, що мають патент на виробництво мікросхем компанії Sun, могли

робити власні мікросхеми на основі проекту picojava, у тім або іншому ступені

змінюючи їх, включаючи й забираючи процесор із плаваючою крапкою,

перетворюючи розмір кеш-пам'яті й т.п.

Цінність мікросхеми Java полягає в тому, що вона здатна міняти функції в

процесі роботи.

Picojava II - не фізична мікросхема, а проект, що є основою для ряду

мікросхем, наприклад Sun Microjava 701 й інших. Ці мікросхеми виробляються

підприємствами, що одержали патент Sun.

Picojava II містить два факультативних процесори: кеш-пам'ять і процесор із

плаваючою крапкою, які кожен виробник може включати або не включати в

розробку.

28

Тема 5. Процесори. Структура центрального процесора. Виконання

команд. RISC та CISC.

План:

1. Процесори.

2. Пристрій центрального процесора.

3. Виконання команд.

4. RISC та CISC.

5. Принципи розробки сучасних комп’ютерів.

Література:[1, стор.56-65]

Питання для самоконтролю:

1. Що таке центральний процесор?

2. Що таке шина?

3. Що таке лічильник команд?

4. Що таке регістр команд?

5. Намалюйте схему пристрою комп’ютера з одним центральним процесором

та двома пристроями вводу – виводу.

6. Що таке тракт даних та з чого він складається?

7. Які операції виконує АЛП?

8. Що таке цикл тракту даних?

9. Які ви знаєте кроки виконання команд центрального процесора?

10. Яка програма називається інтерпретатором?

11. Що таке архітектура?

12. Які переваги мають комп’ютери з інтерпретованими командами?

13. Що таке мікрокоманди?

14. Що таке MIPS?

15. Що таке RISC?

16. Що таке CISC?

17. В чому відмінність RISC та CISC?

18. Які ви знаєте принципи RISC?

Процесори

На Рисунок показаний пристрій звичайного комп'ютера. Центральний

процесор - це мозок комп'ютера. Його завдання - виконувати програми, що

перебувають в основній пам'яті. Він викликає команди з пам'яті, визначає їхній тип,

а потім виконує їх одну за одною. Компоненти з'єднані шиною, що представляє

собою набір паралельно зв'язаних проводів, по яких передаються адреси, дані,

сигнали керування. Шини можуть бути зовнішніми (поєднувати процесор з

пам'яттю й пристроями вводу-виводу) і внутрішніми.

Процесор складається з декількох частин. Блок керування відповідає за виклик

команд із пам'яті й визначення їхнього типу. Арифметико-логічний пристрій

виконує арифметичні операції (наприклад, додавання) і логічні операції (наприклад,

логічне І).

Усередині центрального процесора перебуває пам'ять для зберігання

проміжних результатів і деяких команд керування. Ця пам'ять складається з

29

декількох регістрів, кожний з яких виконує певну функцію. Звичайно всі регістри

однакового розміру. Кожен регістр містить одне число, що обмежується розміром

регістра. Регістри зчитуються й записуються дуже швидко, оскільки вони

перебувають усередині центрального процесора.

Найважливіший регістр - лічильник команд, що вказує, яку команду потрібно

виконувати далі. Назва «лічильник команд» не відповідає дійсності, оскільки він

нічого не рахує, але цей термін вживається повсюдно.

Рисунок 1 – Схема пристрою комп'ютера з одним центральним процесором і

двома пристроями вводу-виводу.

Ще є регістр команд, у якому перебуває команда, яка виконується в цей

момент. У більшості комп'ютерів є й інші регістри, одні з них багатофункціональні,

інші виконують тільки які-небудь специфічні функції.

Пристрій центрального процесора

Внутрішній пристрій тракту даних типового фон-неймановського процесора:

Рисунок 2 – Пристрій центрального процесора.

Тракт даних складається з регістрів (звичайно від 1 до 32), АЛП

(арифметико-логічного пристрою) і декількох з'єднуючих шин. Вміст регістрів

надходить у вхідні регістри АЛП, позначені буквами А и В. У них перебувають

вхідні дані АЛП, поки АЛП робить обчислення. Тракт даних - важлива складова

частина всіх комп'ютерів. АЛП виконує додавання, вирахування й інші прості

операції над вхідними даними й поміщає результат у вихідний регістр. Цей вихідний

регістр може міститися назад в один з регістрів. Він може бути збережений у

Блок

керування

АЛП

Регістри

Основна пам’ять

Диск

Шина

Принтер

Пристрої вводу-виводу

30

пам'яті, якщо це необхідно. Відзначимо, що вхідні й вихідні регістри є не у всіх

комп'ютерів.

Більшість команд можна розділити на дві групи: команди типу регістр-пам'ять

і типу регістр-регістр. Команди першого типу викликають слова з пам'яті,

поміщають їх у регістри, де вони використовуються в якості вхідних даних АЛП.

(«Слова» - це такі елементи даних, які переміщуються між пам'яттю й регістрами.)

Словом може бути ціле число. Інші команди цього типу поміщають регістри назад в

пам’ять. Насправді розмір слова звичайно відповідає розрядності регістра даних.

Команди другого типу викликають два операнда з регістрів, поміщають їх у

вхідні регістри АЛП, виконують над ними яку-небудь арифметичну або логічну

операцію й переносять результат назад в один з регістрів. Цей процес називається

циклом тракту даних. У якомусь ступені він визначає, що може робити машина. Чим

швидше відбувається цикл тракту даних, тим швидше комп'ютер працює.

Виконання команд

Центральний процесор виконує кожну команду за кілька кроків:

1) викликає наступну команду з пам'яті й переносить її в регістр команд;

2) міняє положення лічильника команд, що тепер повинен указувати на

наступну команду;

3) визначає тип викликаної команди;

4) якщо команда використовує слово з пам'яті, визначає, де перебуває це

слово;

5) переносить слово, якщо це необхідно, у регістр центрального процесора;

6) виконує команду;

7) переходить до кроку 1, щоб почати виконання наступної команди.

Така послідовність кроків (вибірка-декодування-виконання) є основою

роботи всіх комп'ютерів.

Опис роботи центрального процесора можна представити у вигляді програми

англійською мовою. Сама можливість написати програму, що імітує роботу

центрального процесора, показує, що програма не обов'язково повинна

виконуватися реальним процесором, що ставиться до апаратного забезпечення.

Навпроти, викликати з пам'яті, визначати тип команд і виконувати ці команди може

інша програма. Така програма називається інтерпретатором. Написання програм-

інтерпретаторів, які імітують роботу процесора, широко використовується при

розробці комп'ютерних систем. Після того як виробники вибрали машинну мову (Я)

для нового комп'ютера, вони повинні вирішити, чи будувати їм процесор, що буде

виконувати програми мовою Я, або написати спеціальну програму для інтерпретації

програм мовою Я. Якщо вони вирішують написати інтерпретатор, вони повинні

створити апаратне забезпечення для виконання цього інтерпретатора. Можливі

також гібридні конструкції, коли частина команд виконується апаратним

забезпеченням, а частина інтерпретується. Інтерпретатор розбиває команди на

маленькі кроки. Таким чином, машина з інтерпретатором може бути набагато

простіше по будові й дешевше, ніж процесор, що виконує програми без

інтерпретації. Така економія особливо важлива, якщо комп'ютер містить велика

кількість складних команд із різними опціями. По суті, економія виникає із самої

заміни апаратного забезпечення програмним забезпеченням (інтерпретатором).

Перші комп'ютери містили невелику кількість команд, і ці команди були

простими. Але пошуки могутніших комп'ютерів привели, крім усього іншого, до

31

появи більш складних команд. Незабаром виробники зрозуміли, що при наявності

складних команд програми виконуються швидше, хоча виконання окремих команд

займає більше часу. Як приклади складних команд можна назвати виконання

операцій із плаваючою крапкою, забезпечення прямого доступу до елементів масиву

й т.п. Якщо виявлялося, що дві певні команди часто виконувалися послідовно одна

за іншою, то вводилася нова команда, що замінює роботу цих двох.

Складні команди були краще, тому що деякі операції іноді перекривалися.

Якісь операції могли виконуватися паралельно, для цього використовувалися різні

частини апаратного забезпечення. Для дорогих комп'ютерів з високою

продуктивністю вартість цього додаткового апаратного забезпечення була цілком

оправдана. Таким чином, у дорогих комп'ютерів було набагато більше команд, чим у

дешевих. Однак розвиток програмного забезпечення й вимоги сумісності команд

привели до того, що складні команди стали використовуватися й у дешевих

комп'ютерах, хоча там у главу кута ставилася вартість, а не швидкість роботи.

До кінця 50-х років компанія IBM, що лідирувала тоді на комп'ютерному

ринку, вирішила, що виробництво сімейства комп'ютерів, кожний з яких виконує ті

самі команди, має багато переваг і для самої компанії, і для покупців. Щоб описати

цей рівень сумісності, компанія IBM увела термін архітектура. Нове сімейство

комп'ютерів повинне було мати одну загальну архітектуру й багато різних розробок,

що розрізняються за ціною й швидкістю, які могли виконувати ту саму програму.

Але як побудувати дешевий комп'ютер, що буде виконувати всі складні команди,

призначені для високоефективних дорогих машин? Рішенням цієї проблеми стала

інтерпретація. Ця технологія, уперше запропонована Уілксом в 1951 році, дозволяла

розробляти прості дешеві комп'ютери, які, проте, могли виконувати велика кількість

команд. У результаті IBM створила архітектуру System/360, сімейство сумісних

комп'ютерів, різних за ціною й продуктивністю. Апаратне забезпечення без

інтерпретації використовувалося тільки в найдорожчих моделях.

Прості комп'ютери з інтерпретованими командами мали деякі інші переваги.

Найбільш важливими серед них були:

1) можливість фіксувати неправильно виконані команди або навіть

заповнювати недоліки апаратного забезпечення;

2) можливість додавати нові команди при мінімальних витратах, навіть після

покупки комп'ютера;

3) структурована організація, що дозволяла розробляти, перевіряти й

документувати складні команди.

В 70-і роки комп'ютерний ринок швидко розростався, нові комп'ютери могли

виконувати усе більше й більше функцій. Попит на дешеві комп'ютери провокував

створення комп'ютерів з використанням інтерпретаторів. Можливість розробляти

апаратне забезпечення й інтерпретатор для певного набору команд вилилася в

створення дешевих процесорів. Напівпровідникові технології швидко розвивалися,

переваги низької вартості переважали над можливостями більш високої

продуктивності, і використання інтерпретаторів при розробці комп'ютерів стало

широко застосоване. Інтерпретація використовувалася практично у всіх

комп'ютерах, випущених в 70-і роки, від мінікомп’ютерів до самих більших машин.

До кінця 70-х років інтерпретатори стали застосовуватися практично у всіх

моделях, крім самих дорогих машин з дуже високою продуктивністю (наприклад,

Сгау-1 і комп'ютерів серії Control Data Cyber). Використання інтерпретаторів

32

виключало високу вартість складних команд, і виробники могли вводити усе більш

й більш складні команди, особливо різні способи визначення використовуваних

операндів. Ця тенденція досягла піка свого розвитку в розробці комп'ютера VAX

(виробник Digital Equipment Corporation), у якого було кілька сотень команд і більше

200 способів визначення операндів у кожній команді. На нещастя, архітектура VAX

із самого початку розроблялася з використанням інтерпретатора, а продуктивності

приділялося мало уваги. Це привело до появи великої кількості команд

другорядного значення, які важко було виконувати відразу без інтерпретації. Даний

недогляд став фатальним як для VAX, так і для його виробника (компанії DEC).

Compaq купив DEC в 1998 році.

Хоча найперші 8-бітні мікропроцесори були дуже простими й містили

невеликий набір команд, до кінця 70-х років навіть вони стали розроблятися з

використанням інтерпретаторів. У цей період основною проблемою для виробників

стала зростаюча складність мікропроцесорів. Головна перевага інтерпретації

полягало в тім, що можна було розробити простий процесор, а вся складність

зводилася до створення інтерпретатора. Таким чином, розробка складного

апаратного забезпечення заміщалася розробкою складного програмного

забезпечення.

Успіх Motorola 68000 з більшим набором інтерпретованих команд й

одночасний провал Zilog Z8000, у якого був настільки ж великий набір команд, але

не було інтерпретатора, продемонстрували всі переваги використання

інтерпретаторів при розробці нових машин. Успіх Motorola 68000 був трохи

несподіваним, з огляду на те, що Z80 (попередник Zilog Z8000) користувався

більшою популярністю, чим Motorola 6800 (попередник Motorola 68000). Звичайно,

важливу роль тут грали й інші фактори, наприклад те, що Motorola багато років

займалася виробництвом мікросхем, a Exxon (власник Zilog) довгий час був

нафтовою компанією. Ще один фактор на користь інтерпретації — існування

швидких постійних запам'ятовувальних пристроїв (так званих командних ПЗП) для

зберігання інтерпретаторів. Припустимо, що для виконання звичайної

інтерпретованої команди Motorola 68000 інтерпретаторові потрібно виконати 10

команд, які називаються мікрокомандами, по 100 нс кожна, і зробити 2 звертання

до оперативної пам'яті по 500 нс кожне. Загальний час виконання команди складе,

отже, 2000 нс, усього лише у два рази більше, ніж у найкращому разі могло б

зайняти безпосереднє виконання цієї команди без інтерпретації. А якби не було

спеціального швидкодіючого постійного запам'ятовувального пристрою, виконання

цієї команди зайняло б цілих 6000 нс. Таким чином, важливість наявності

командних ПЗП очевидна.

RISC й CISC

Наприкінці 70-х років проводилося багато експериментів з дуже складними

командами, поява яких стало можливим завдяки інтерпретації. Виробники

намагалися зменшити прірву тим часом, що комп'ютери здатні робити, і тим, що

вимагають мови високого рівня. Навряд чи хто-небудь тоді думав про розробку

більш простих машин, так само як зараз мало хто займається розробкою менш

потужних операційних систем, мереж, редакторів і т.д.

У компанії IBM група розробників на чолі із Джоном Коком протистояла цій

тенденції; вони спробували втілити ідеї Сеймура Крея, створивши

експериментальний високоефективний міні-комп'ютер 801. Хоча IBM не займалася

33

збутом цієї машини, а результати експерименту були опубліковані тільки через

кілька років, звістка швидко рознеслася по світу, і інші виробники теж зайнялися

розробкою подібних архітектур.

В 1980 році група розробників в університеті Берклі на чолі з Девідом

Паттерсоном і Карло Секвіном почала розробку процесорів VLSI без використання

інтерпретації. Для позначення цього поняття вони придумали термін RISC і назвали

новий процесор RISC I, слідом за яким незабаром був випущений RISC II. Небагато

пізніше, в 1981 році, Джон Хеннесі в Стенфорді розробив і випустив іншу

мікросхему, що він назвав MIPS. Ці дві мікросхеми розвилися в комерційно важливі

продукти SPARC й MIPS відповідно.

Нові процесори істотно відрізнялися від комерційних процесорів того часу.

Оскільки вони не були сумісні з існуючою продукцією, розроблювачі вправі були

включати туди нові набори команд, які могли б збільшити загальну продуктивність

системи. Тому що основна увага приділялася простим командам, які могли швидко

виконуватися, розроблювачі незабаром усвідомили, що ключем до високої

продуктивності комп'ютера була розробка команд, до виконання яких можна

швидко приступати. Скільки часу займає виконання однієї команди, було не так

важливо, як те, скільки команд може бути почате в секунду.

У той час як розроблялися ці прості процесори, загальна увага залучала

відносно невелику кількість команд (звичайно їх було близько 50). Для порівняння:

число команд в DEC VAX і більших IBM у той час становило від 200 до 300. RISC -

це скорочення від Reduced Instruction Set Computer - комп'ютер зі скороченим

набором команд. RISC протиставлявся CISC (Complex Instruction Set Computer -

комп'ютер з повним набором команд).

Як приклад CISC можна привести VAX, що домінував у той час у наукових

комп'ютерних центрах. На сьогоднішній день мало хто вважає, що головне

розходження RISC й CISC складається в кількості команд, але назва зберігається

дотепер. Із цього моменту почалася грандіозна ідеологічна війна між

прихильниками RISC і розроблювачами VAX, Intel і більших IBM. На їхню думку,

найкращий спосіб розробки комп'ютерів - включення туди невеликої кількості

простих команд, кожна з яких виконується за один цикл тракту даних, тобто бере

два регістри, робить над ними яку-небудь арифметичну або логічну операцію

(наприклад, додавання або логічне И) і поміщає результат назад у регістр. Як

аргумент вони затверджували, що навіть якщо RISC повинна виконувати 4 або 5

команд замість однієї, котру виконує CISC, притому що команди RISC виконуються

в 10 разів швидше (оскільки вони не інтерпретуються), він виграє у швидкості. Слід

також зазначити, що до цього часу швидкість роботи основної пам'яті наблизилася

до швидкості спеціальних керуючих постійних запам'ятовувальних пристроїв, тому

недоліки інтерпретації були наявними, що підвищувало популярність комп'ютерів

RISC.

З огляду на переваги продуктивності RISC, можна було б припустити, що такі

комп'ютери, як Alpha компанії DEC, стали домінувати над комп'ютерами CISC

(Pentium і т.д.) на ринку. Однак нічого подібного не відбулося. Виникає питання:

чому? По-перше, комп'ютери RISC були несумісні з іншими моделями, а багато

компаній вклали мільярди доларів у програмне забезпечення для продукції Intel. По-

друге, як не дивно, компанія Intel зуміла втілити ті ж ідеї в архітектурі CISC.

Процесори Intel, починаючи з 486-го, містять ядро RISC, що виконує найпростіші (і

34

звичайно найпоширеніші) команди за один цикл тракту даних, а за звичайною

технологією CISC інтерпретуються більш складні команди. У результаті звичайні

команди виконуються швидко, а більше складні й рідкі - повільно. Хоча при такому

«гібридному» підході робота відбувається не так швидко, як в RISC, дана

архітектура має ряд переваг, оскільки дозволяє використати старе програмне

забезпечення без змін.

Принципи розробки сучасних комп'ютерів

Пройшло вже більше двадцяти років з тих пір, як були сконструйовані перші

комп'ютери RISC, однак деякі принципи розробки можна перейняти, з огляду на

сучасний стан технологій апаратного забезпечення. Якщо відбувається дуже різка

зміна в технологіях, міняються всі умови. Тому розроблювачі завжди повинні

враховувати можливі технологічні зміни, які можуть вплинути на баланс між

компонентами комп'ютера.

Існує ряд принципів розробки, які іноді називають принципами RISC, яким

по можливості намагаються випливати виробники універсальних процесорів. Через

деякі зовнішні обмеження, наприклад вимоги сумісності з іншими машинами,

доводиться час від часу іти на компроміс, але ці принципи - ціль, до якої прагне

більшість розробників.

Всі команди безпосередньо виконуються апаратним забезпеченням. Всі

звичайні команди безпосередньо виконуються апаратним забезпеченням. Вони не

інтерпретуються мікрокомандами. Усунення рівня інтерпретації забезпечує високу

швидкість виконання більшості команд. У комп'ютерах типу CISC більш складні

команди можуть розбиватися на кілька частин, які потім виконуються як

послідовність мікрокоманд. Ця додаткова операція знижує швидкість роботи

машини, але вона може бути застосовна для рідко, що зустрічаються команд.

Комп'ютер повинен починати виконання великої кількості команд. У

сучасних комп'ютерах використовується багато різних способів для збільшення

продуктивності, головний з яких — можливість звертатися до як можна більшої

кількості команд у секунду. Процесор 500-MIPS здатний приступати до виконання

500 млн команд у секунду, і при цьому не має значення, скільки часу займає саме

виконання цих команд (MIPS — це скорочення від Millions of Instructions Per

Second — «мільйони команд у секунду».) Цей принцип припускає, що паралелізм

може відігравати головну роль у поліпшенні продуктивності, оскільки приступати

до великої кількості команд за короткий проміжок часу можна тільки в тому

випадку, якщо одночасно може виконуватися кілька команд. Хоча команди деякої

програми завжди розташовані в певному порядку, комп'ютер може приступати до

їхнього виконання й в іншому порядку (тому що необхідні ресурси пам'яті можуть

бути зайняті) і, крім того, може закінчувати їхнє виконання не в тім порядку, у

якому вони розташовані в програмі.

Звичайно, якщо команда 1 установлює регістр, а команда 2 використовує цей

регістр, потрібно діяти з особливою обережністю, щоб команда 2 не зчитувала

регістр доти, поки він не буде містити потрібне значення. Щоб не допустити

подібних помилок, необхідно вводити велику кількість відповідних записів в

пам’ять, але продуктивність однаково стає вище завдяки можливості виконувати

кілька команд одночасно.

Команди повинні легко декодуватися. Межа кількості викликуваних команд у

секунду залежить від процесу декодування окремих команд. Декодування команд

35

здійснюється для того, щоб визначити, які ресурси їм необхідні і які дії потрібно

виконати. Корисні будь-які засоби, які сприяють спрощенню цього процесу.

Наприклад, використовуються регулярні команди з фіксованою довжиною й з

невеликою кількістю полів. Чим менше різних форматів команд, тим краще.

До пам'яті повинні звертатися тільки команди завантаження й збереження.

Один з найпростіших способів розбивання операцій на окремі кроки - зажадати, щоб

операнди для більшості команд бралися з регістрів і поверталися туди ж. Операція

переміщення операндів з пам'яті в регістри може здійснюватися в різних командах.

Оскільки доступ до пам'яті займає багато часу, а подібна затримка небажана, роботу

цих команд можуть виконувати інші команди, якщо вони не роблять нічого, крім

пересування операндів між регістрами й пам'яттю. Із цього спостереження слідує,

що до пам'яті повинні звертатися тільки команди завантаження й збереження

(LOAD й STORE).

Повинна бути велика кількість регістрів. Оскільки доступ до пам'яті

відбувається досить повільно, у комп'ютері повинно бути багато регістрів

(принаймні 32). Якщо слово один раз викликано з пам'яті, при наявності великої

кількості регістрів воно може втримуватися в регістрі доти, поки буде не потрібно.

Повернення слова з регістра в пам’ять й нове завантаження цього ж слова в регістр

небажані. Кращий спосіб уникнути зайвих переміщень - наявність достатньої

кількості регістрів.

36

Тема 6. Коди символів. ASCII. UNICODE.

План:

1. Коди символів.

2. ASCII.

3. UNICODE.

Література:[1, стор.129-133]

Питання для самоконтролю:

1. Що таке код символу?

2. Що таке ASCII - код?

3. З чого складається символ ASCII - коду?

4. Чим відрізняються ASCII та UNICODE коди?

5. Що таке Latin – 1?

6. Що таке кодова сторінка?

7. Що таке вказівник коду?

8. Скільки біт містять UNICODE символи?

9. Скільки зон має алфавіт в UNICODE?

Коди символів

У кожного комп'ютера є набір символів, що він використовує. Як мінімум цей

набір включає 26 заголовних й 26 малих літер, цифри від 0 до 9, а також деякі

спеціальні символи: пробіл, крапка, кома, мінус, символ повернення каретки й т.д.

Для того щоб передавати ці символи в комп'ютер, кожному з них

приписується номер: наприклад, а=1, Ь=2,..., z=26, +=27, -=28. Відображення

символів у цілі числа називається кодом символів. Важливо відзначити, що зв'язані

між собою комп'ютери повинні мати той самий код, інакше вони не зможуть

обмінюватися інформацією. Із цієї причини були розроблені стандарти.

ASCII

Один широко розповсюджений код називається ASCII (American Standard

Code for Information Interchange — американський стандартний код для обміну

інформацією) Кожен символ ASCII-коду містить 7 бітів, таким чином, усього може

бути 128 символів (табл 2.5) Коди від 0 до 1F (у шістнадцятеричній системі

числення) відповідають керуючим символам, які не друкуються. Багато

недрукованих символів ASCII призначені для передачі даних. Наприклад, послання

може складатися із символу початку заголовка SOH (Start of Header), самого

заголовка, символу початку тексту STX (Start of Text), самого тексту, символу кінця

тексту ЕТХ (End of Text) і, нарешті, символу кінця передачі EOT (End of

Transmission). Однак на практиці послання, що відправляють по телефонних лініях і

мережам, форматуються по-іншому, так що недруковані символи передачі ASCII

практично не використовуються. Друковані символи ASCII наочні. Вони включають

букви верхнього й нижнього регістрів, цифри, знаки пунктуації й деякі математичні

символи.

Таблиця 3 – Таблиця кодів ASCII Число Команда Значення Число Команда Значення

0 NUL Null (Порожній покажчик) 10 DLE Data Link Escape (Вихід із системи передачі)

1 SOH Start of Heading {Початок 11 DC1 Device Control 1 (Керування

37

заголовка) пристроєм)

2 STX Start of Text (Початок тексту) 12 DC2 Device Control 2 (Керування пристроєм)

3 ЕТХ End of Text (Кінець тексту) 13 DC3 Device Control 3 (Керування пристроєм)

4 EOT End of Transmission (Кінець передачі)

14 DC4 Device Control 4 (Керування пристроєм)

5 ENQ ENQunty (Запит) 15 NAK Negative AcKnolidgement (Непідтвердження прийому)

6 АСК ACKnoligement (Підтвердження прийому)

16 SYN SYNcronous idle (Простій)

7 BEL Bell (Символ дзвінка) 17 ЕТВ End of Transmission Block (Кінець блоку передачі)

8 BS Backspace (Відступ назад) 18 CAN CANcel (Скасування)

9 НТ Horizontal Tab (Горизонтальна табуляція)

19 ЇМ End of Medium (Кінець носія)

А LF Line Feed (Переклад рядка) 1А SUB SUBstitute (Підрядковий індекс)

В VT Vertical Tab (Вертикальна табуляція)

1У ESC ESCape (Вихід)

Процес вводу-виводу Число Команда Значення Число Команда Значення С FF From Feed (Переклад

сторінки) 1С FS File Separator (Роздільник файлів)

D CR Carnage Return (Повернення каретки)

1D GS Group Separator (Роздільник групи)

Е SO Shift Out Перемикання на додатковий регістр)

1Е RS Record Separator (Роздільник запису)

F SI Shift In (Перемикання на стандартний регістр)

1F US Unit Separator (Роздільник модуля)

Число Символ Число Символ Число Символ Число Символ Число Символ Число Символ

20 (пробіл) 30 0 40 @ 50 Р 60 • 70 Р

21 I 31 1 41 А 51 Q 61 а 71 q

22 • 32 2 42 В 52 R 62 Ь 72 г

23 # 33 3 43 С 53 S 63 с 73 S

24 Ф 34 4 44 D 54 Т 64 d 74 t

25 % 35 5 45 Е 55 и 65 е 75 и

26 & 36 6 46 F 56 V 66 f 76 V

27 • 37 7 47 G 57 W 67 g 77 W

28 ( 38 8 48 Н 58 X 68 h 78 X

29 ) 39 9 49 I 59 Y 69 i 79 У

2А • ЗА ; 4А J 5А Z 6А J 7A Z

2У + ЗВ ; 4У К 5У [ 6У k 7B {

2С - ЗС < 4С L 5С \ 6С I 7С I

2D / 3D = 4D М 5D ] 6D m 7D }

2Е ЗЕ > 4Е N 5Е - 6Е n 7Е ~

2F 3F 9 4F О 5F _ 6F о 7F DEL

UNICODE

Комп'ютерна промисловість розвивалася переважно в США, що привело до

появи коду ASCII. Цей код підходить для англійської мови, але не дуже зручний для

інших мов. У французькій мові є надрядкові знаки, у німецькому - умляути і т.д. У

деяких європейських мовах є кілька букв, яких немає в ASCII. Деякі мови мають

зовсім інший алфавіт (наприклад, російський або арабський), а в деяких взагалі

немає алфавіту (наприклад, китайський). Комп'ютери поширилися по всьому світу, і

постачальники програмного забезпечення хочуть реалізовувати свою продукцію не

тільки в англомовних, але й у тих країнах, де більшість користувачів не говорять

англійською мовою й де потрібний інший набір символів.

Першою спробою розширення ASCII був IS 646, що додавав до ASCII ще 128

символів, у результаті чого вийшов 8-бітний код за назвою Latin-1. Додані були в

основному латинські букви зі штрихами й діакритичними знаками. Наступною

спробою був IS 8859, що ввів поняття кодова сторінка. Кодова сторінка - набір з

256 символів для певної мови або групи мов. IS 8859-1 - це Latin-1. IS 8859-2

включає слов'янські мови з латинським алфавітом (наприклад, чеський, польський й

угорський). IS 8859-3 містить символи турецького, мальтійського, есперанто й

галісійскої мов і т.д. Головним недоліком такого підходу є те, що програмне

забезпечення повинне стежити, з якою саме кодовою сторінкою воно має справу в

38

цей момент, і при цьому неможливо змішувати мови. До того ж ця система не

охоплює японську і китайську мови.

Група комп'ютерних компаній розв'язала цю проблему, створивши нову

систему за назвою UNICODE, і оголосила цю систему міжнародним стандартом (IS

10646). UNICODE підтримується деякими мовами програмування (наприклад, Java),

деякими операційними системами (наприклад, Windows NT) і багатьма додатками.

Імовірно, ця система буде поширюватися по усім світі.

Основна ідея UNICODE — приписувати кожному символу єдине постійне 16-

бітне значення, що називається покажчиком коду. Багатобайтні символи й escape-

послідовності не використовуються. Оскільки кожен символ складається з 16 бітів,

писати програмне забезпечення набагато простіше. Тому що символи UNICODE

складаються з 16 бітів, усього виходить 65 536 кодових покажчиків. Оскільки у всіх

мовах миру в цілому близько 200 000 символів, кодові покажчики є дуже вбогим

ресурсом, якому потрібно розподіляти з великою обережністю. Біля половини кодів

уже розподілено, і консорціум, що розробив UNICODE, постійно розглядає

пропозиції на розподіл частини, що залишилася. Щоб прискорити прийняття

UNICODE, консорціум використав Latin-1 як коди від 0 до 255, легко перетворюючи

ASCII в UNICODE.

Щоб уникнути зайвої розтрати кодів кожен діакритичний знак має свій

власний код. А сполучення діакритичних знаків з буквами - завдання програмного

забезпечення.

Вся сукупність кодів розділена на блоки, кожен блок містить 16 кодів. Кожен

алфавіт в UNICODE має ряд послідовних зон. Приведемо деякі приклади (у дужках

зазначене число задіяних кодів): латинь (336), грецький (144), російський (256),

вірменський (96), іврит (112). Відзначимо, що кожному із цих мов приписано більше

кодів, чим у ньому є букв. Це було зроблено тому, що в багатьох мовах у кожної

букви є кілька варіантів. Наприклад, кожна буква в англійській мові представлена у

двох варіантах: там є рядкові й заголовні букви. У деяких мовах букви мають три

або більше форми, вибір яких залежить від того, де перебуває буква: на початку,

кінці або середині слова.

Крім того, деякі коди були приписані діакритичним знакам (112), знакам

пунктуації (112), підрядковим і надрядковим знакам (48), знакам валют (48),

математичним символам (256), геометричним фігурам (96) і малюнкам (192).

Потім ідуть символи для китайської, японської й корейської мов. Спочатку

йдуть 1024 фонетичних символів, потім ієрогліфи, використовувані в китайській й

японській мовах (20 992), а потім склади корейської мови (11 156).

Щоб користувачі могли створювати нові символи для особливих цілей, існує

ще 6400 кодів. Хоча UNICODE розв'язав багато проблем, пов'язаних з

інтернаціоналізацією, він все-таки не міг вирішити абсолютно всі проблеми.

Наприклад, латинський алфавіт упорядкований, а ієрогліфи - ні, тому програма для

англійської мови може розташувати слова «cat» і «dog» за алфавітом, зрівнявши

значення кодів перших букв, а програмі для японської мови потрібні додаткові

таблиці, щоб можна було обчислювати, у якому порядку розташовані символи в

словнику.

Ще одна проблема полягає в тому, що постійно з'являються нові слова. 50

років тому ніхто не говорив про аплети, кіберпросторі, гігабайтах, лазерах, модемах,

«смайликах» або відеоплівках. З появою нових слів в англійській мові нові коди не

39

потрібні. А от у японському потрібні. Крім нових термінів, необхідно також додати

принаймні 20 000 нових власних імен і географічних назв (в основному китайські).

Шрифт Брайля, яким користуються сліпі, імовірно, теж повинен бути задіяний.

Представники різних професійних кіл також зацікавлені в наявності яких-небудь

особливих символів. Консорціум по створенню UNICODE розглядає всі нові

пропозиції й виносить по них рішення.

UNICODE використовує той самий код для символів, які виглядають майже

однаково, але мають кілька значень або пишуться небагато по-різному в китайській

й японській мовах.

Справа ускладнюється тим, що повний японський словник містить 50 000

ієрогліфічних знаків (не вважаючи власних імен), тому при наявності 20 992 кодів

доводиться робити вибір і чимсь жертвувати. Далеко не всі японці вважають, що

консорціум комп'ютерних компаній, навіть якщо деякі з них японські, є ідеальним

форумом, щоб приймати рішення, чим саме потрібно жертвувати.

40

Модуль 2. Шини та інтерфейси вводу – виводу.

Тема 1. Мікросхеми процесорів. Виводи мікросхем ЦП.

План:

1. Мікросхеми процесорів.

2. Виводи мікросхем ЦП.

Література:[1, стор.177-179]

Питання для самоконтролю:

1. Що таке цокольовка процесора?

2. З чого складається мікросхема процесора?

3. На які три типи можна розділити виводи мікросхеми центрального процесора?

4. Як визвати команду?

5. Які параметри визначають продуктивність процесора?

6. Категорії виводів керування.

7. Намалюйте схему цокольовки типового центрального процесора.

8. Що таке виводи переривання?

9. Виводи розв’язання конфліктів.

10. Для чого потрібні спеціальні виводи для передачі сигналів?

Оскільки вже відома деяка інформація про МІС, СІС і мікросхеми пам'яті, то

можна скласти всі складові частини разом і вивчати цілі системи. У цьому модулі

спочатку будуть розглянуті процесори на цифровому логічному рівні, включаючи

цокольовку (тобто значення сигналів на різних виводах). Оскільки центральні

процесори тісно пов'язані із шинами, які вони використовують, також будуть коротко

викладені основні принципи розробки шин.

Мікросхеми процесорів Всі сучасні процесори містяться на одній мікросхемі. Це робить цілком

визначеним їхню взаємодію з іншими частинами системи. Кожна мікросхема процесора

містить набір виводів, через які відбувається обмін інформацією із зовнішнім світом.

Одні виводи передають сигнали від центрального процесора, інші приймають сигнали

від інших компонентів, треті роблять і те й інше. Вивчивши функції всіх виводів, можна

довідатися, як процесор взаємодіє з пам'яттю й пристроями вводу-виводу на цифровому

логічному рівні.

Виводи мікросхеми центрального процесора можна підрозділити на три типи; адресні,

інформаційні й керуючі. Ці виводи пов'язані з відповідними виводами на мікросхемах

пам'яті й мікросхемах пристроїв вводу-виводу через набір паралельних проводів (так

названу шину). Щоб викликати команду, центральний процесор спочатку посилає в

пам’ять адреси цієї команди по адресних виводах. Потім він запускає одну або кілька

ліній керування, щоб повідомити пам'яті, що йому потрібно, наприклад, прочитати

слово. Пам'ять видає відповідь, поміщаючи необхідне слово на інформаційні виводи

процесора й посилаючи сигнал про те, що це зроблено. Коли центральний процесор

одержує даний сигнал, він приймає слово й виконує викликану команду.

41

Команда може вимагати читання або запису слів, що містять дані. У цьому випадку

весь процес повторюється для кожного додаткового слова. Важливо розуміти, що

центральний процесор обмінюється інформацією з пам'яттю й пристроями вводу-

виводу, подаючи сигнали на виводи й приймаючи сигнали на входи. Іншого способу

обміну інформацією не існує.

Число адресних виводів і число інформаційних виводів — два ключових параметри, які

визначають продуктивність процесора. Мікросхема, що містить m адресних виводів,

може звертатися до 2m коміркам пам'яті. Звичайно m дорівнює 16, 20, 32 або 64.

Мікросхема, що містить n інформаційних виводів, може зчитувати або записувати n-

бітне слово за одну операцію. Звичайно n дорівнює 8,16,32,36 або 64. Центральному

процесору з 8 інформаційними виводами знадобиться 4 операції, щоб уважати 32-бітне

слово, тоді як процесор, що має 32 інформаційних виводу, може зробити ту ж роботу в

одну. Отже, мікросхема з 32 інформаційними виводами працює набагато швидше, але й

коштує набагато дорожче.

Крім адресних й інформаційних виводів кожен процесор містить виводи керування.

Виводи керування регулюють і синхронізують потік даних до процесора й від нього, а

також виконують інші різноманітні функції. Всі процесори містять виводи для

живлення (звичайно +3,3 V або +5 V), «землі» і синхронізуючого сигналу (меандру).

Інші виводи відрізняються від процесора до процесора. Проте виводи керування можна

розділити на кілька основних категорій:

1. Керування шиною.

2. Переривання.

3. Арбітраж шини.

4. Стан.

5. Різне.

Схема типового центрального процесора, у якому використовуються ці типи сигналів,

зображена на рисунку 3.

Рисунок 3 – Цокольовка типового центрального процесора. Стрілочки вказують

вхідні й вихідні сигнали. Короткі діагональні лінії вказують на наявність декількох

виводів. Для конкретних процесорів буде дане число цих виводів.

Виводи керування шиною більшою частиною являють собою виходи із

центрального процесора в шину (і отже, входи в мікросхеми пам'яті й мікросхеми

пристроїв вводу-виводу). Вони повідомляють, що процесор хоче зчитати інформацію з

пам'яті, або записати інформацію в пам’ять, або зробити що-небудь ще.

42

Виводи переривання - це входи із пристроїв вводу-виводу в процесор. У більшості систем

процесор може дати сигнал пристрою вводу-виводу почати операцію, а потім перейти до

якої-небудь іншої дії, поки пристрій вводу-виводу виконує свою роботу. Коли пристрій

вводу-виводу закінчує свою роботу, контролер вводу-виводу посилає сигнал на один з

виводів переривання, щоб перервати роботу процесора й змусити його обслуговувати

пристрій вводу-виводу (наприклад, перевіряти помилки вводу-виводу). Деякі процесори

містять вихідний вивід, щоб підтверджувати одержання сигналу переривання.

Виводи вирішення конфліктів у шині потрібні для того, щоб регулювати потік

інформації в шині, тобто не допускати таких ситуацій, коли два пристрої намагаються

скористатися шиною одночасно. З метою вирішення конфліктів центральний процесор

вважається пристроєм.

Деякі центральні процесори можуть працювати із різними співпроцесорами

(наприклад, із графічними процесорами, процесорами із плаваючою крапкою й т.п.).

Щоб забезпечити обмін інформації між процесором і співпроцесором, потрібні

спеціальні виводи для передачі сигналів.

Крім цих виводів у деяких процесорів є різні додаткові виводи. Одні з них

видають або приймають інформацію про стан, інші потрібні для перезавантаження

комп'ютера, а треті - для забезпечення сумісності зі старими мікросхемами пристроїв

вводу-виводу.

43

Тема 2. Шини. Системна шина. Ширина шини.

План:

1. Системна шина.

2. Ширина шини.

Література:[1, стор.179-183]

Питання для самоконтролю:

1. Що таке шина?

2. Що таке системна шина?

3. ЗЩ чого складається системна шина?

4. Що таке протокол шини?

5. Намалюйте схему комп’ютерної системи з кількома шинами.

6. Що таке пристрій, що задає?

7. Що таке підлеглий пристрій?

8. Що таке драйвер шини?

9. Що таке приймач шини?

10. Що таке приймо – передавач шини?

11. Що таке відкритий колектор?

12. Що таке монтажне „ИЛИ”?

13. Як відбувалось розширення адресної шини?

14. Що таке перекос шини?

15. Для чого потрібна мультиплексна шина?

Шини Шина - це група провідників, що з'єднують різні пристрої. Шини можна

розділити на групи відповідно до виконуваних функцій. Вони можуть бути

внутрішніми стосовно процесора й служити для передачі даних в АЛП й з АЛП, а

можуть бути зовнішніми стосовно процесора й зв'язувати процесор з пам'яттю або

пристроями вводу-виводу. Кожен тип шини має певні властивості, і до кожного з них

пред'являються певні вимоги.

Перші персональні комп'ютери мали одну зовнішню шину, що називалася

системною шиною. Вона складалася з декількох мідних проводів (від 50 до 100), які

вбудовувалися в материнську плату. На материнській платі перебували роз’єми на

однакових відстанях друг від друга для мікросхем пам'яті й пристроїв вводу-виводу.

Сучасні персональні комп'ютери звичайно містять спеціальну шину між центральним

процесором і пам'яттю й принаймні ще одну шину для пристроїв вводу-виводу. На

Рисунок зображена система з однією шиною пам'яті й однією шиною вводу-виводу.

У літературі шини звичайно зображуються у вигляді жирних стрілок, як показано

на цьому малюнку. Різниця між жирною й нежирною стрілкою невелика. Коли всі біти

одного типу, наприклад адресні або інформаційні, малюється звичайна стрілка. Коли

включаються адресні лінії, лінії даних і керування, використовується жирна стрілка.

Хоча розроблювачі процесорів можуть використати будь-який тип шини для мікросхеми,

повинні бути уведені чіткі правила про те, як працює шина, і всі пристрої, пов'язані із

шиною, повинні підкорятися цим правилам, щоб плати, які випускаються третіми

особами, підходили до системної шини. Ці правила називаються протоколом шини.

44

Крім того, повинні існувати певні технічні вимоги, щоб плати від третіх виробників

підходили до каркасу для друкованих плат і мали роз’єми, що відповідають

материнській платі механічно й з погляду потужностей, синхронізації й т.д.

Рисунок 4 – Комп'ютерна система з декількома шинами

Існує ряд широко використовуваних у комп'ютерному світі шин. Приведемо

кілька прикладів: Omnibus (PDP-8), Unibus (PDP-11), IBM PC (PC/XT), ISA (PC/AT),

EISA (80386), MicroChannel (PC/2), PCI (різні персональні комп'ютери), SCSI (різні

персональні комп'ютери й робочі станції), Nubus (Macintosh), Universal Serial Bus

(сучасні персональні комп'ютери), FireWire (побутова електроніка), VME (устаткування

в кабінетах фізики) і Сатас (фізика високих енергій). Може бути, усе стало б набагато

простіше, якби всі шини, крім однієї, зникли з поверхні Землі (або крім двох). На жаль,

стандартизація в цій області здається малоймовірної, і вже вкладено занадто багато

засобів в усі ці несумісні системи.

Деякі пристрої, пов'язані із шиною, є активними й можуть ініціювати передачу

інформації із шини, тоді як інші є пасивними й чекають запитів. Активний пристрій

називається пристроєм, що задає, пасивний - підлеглим пристроєм. Коли центральний

процесор потребує від контролера диска зчитати або записати блок інформації,

центральний процесор діє як задаючий пристрій, а контролер диска - як підлеглий

пристрій. Контролер диска може діяти як задаючий пристрій, коли він командує пам'яті

прийняти слова, які зчитав з диска. Кілька типових комбінацій задаючого й підлеглого

пристроїв зазначені в табл. 4 . Пам'ять ні за яких умов не може бути пристроєм, що задає.

Задаючий пристрій Підлеглий пристрій Приклад

Центральний процесор Пам'ять Виклик команд і даних

Центральний процесор Пристрій вводу-виводу Ініціалізація передачі даних

Центральний процесор Співпроцесор Передача команди від

процесора до співпроцесора

Пристрій вводу-виводу Пам'ять ПДП (прямій доступ до

пам'яті)

Співпроцесор Центральний процесор Виклик співпроцесором

операндів із центрального

процесора

Двійкові сигнали, які видають пристрої комп'ютера, часто недостатньо

інтенсивні, щоб активізувати шину, особливо якщо вона досить довга і якщо до неї

приєднано багато пристроїв. Із цієї причини більшість задаючих пристроїв шини

звичайно пов'язані з нею через мікросхему, що називається драйвером шини, тобто

двійковим підсилювачем. Подібним образом більшість підлеглих пристроїв пов'язані із

45

шиною приймачем шини. Для пристроїв, які можуть бути й задаючими, і підлеглими

пристроями, використовується прийомопередатчик шини. Ці мікросхеми взаємодії із

шиною часто є пристроями із трьома станами, що дає їм можливість від'єднуватися,

коли вони не потрібні. Іноді вони підключаються через відкритий колектор, що дає

подібний ефект. Коли один або кілька пристроїв на відкритому колекторі вимагають

доступу до шини в той саме час, результатом є булева операція АБО над всіма цими

сигналами. Така угода називається монтажним АБО. У більшості шин одні лінії є

пристроями із трьома станами, а інші, котрим потрібна властивість монтажного АБО, -

відкритим колектором.

Як і процесор, шина має адресні лінії, інформаційні лінії й лінії керування. Проте

між виводами процесора й сигналами шини може й не бути взаємно однозначної

відповідності. Наприклад, деякі процесори містять три виводи, які видають сигнал

читання з пам'яті або запису в пам’ять, або читання пристрою вводу-виводу, або запису

на пристрій вводу-виводу, або якої-небудь іншої операції. Звичайна шина може містити

одну лінію для читання з пам'яті, другу лінію для запису в пам’ять, третю - для читання

пристрою вводу-виводу, четверту - для запису на пристрій вводу-виводу й т.д.

Мікросхема-декодер повинна тоді зв'язувати даний процесор з такою шиною, щоб

перетворювати 3-бітний кодований сигнал в окремі сигнали, які можуть управляти

лініями шини.

Принциповими питаннями в розробці є ширина шини, синхронізація шини,

арбітраж шини й функціонування шини. Всі ці параметри істотно впливають на

швидкість і пропускну здатність шини.

Ширина шини Ширина шини — самий очевидний параметр при розробці. Чим більше адресних

ліній містить шина, тим до більшого обсягу пам'яті може звертатися процесор. Якщо

шина містить n адресних ліній, тоді процесор може використати її для звертання до 2n

різних комірок пам'яті. Для пам'яті великої ємності необхідно багато адресних ліній.

Це звучить досить просто.

Проблема полягає в тім, що для широких шин потрібно більше проводів, чим для

вузьких. Вони займають більше фізичного простору (наприклад, на материнській

платі), і для них потрібні роз’єми більшого розміру. Всі ці фактори роблять шину

дорогою. Отже, необхідний компроміс між максимальним розміром пам'яті й вартістю

системи. Система із шиною, що містить 64 адресні лінії, і пам'яттю в 232

байт буде

коштувати дорожче, ніж система із шиною, що містить 32 адресні лінії, і такою же

пам'яттю в 232

байт. Подальше розширення не безкоштовне.

Багато розробників систем недальновидні, що приводить до неприємних

наслідків. Перша модель IBM PC містила процесор 8088 й 20-бітну адресну шину

(рас., а). Шина дозволяла звертатися до 1 Мбайт пам'яті.

Рисунок 5 – Розширення адресної шини із часом.

46

Коли з'явився наступний процесор (80286), Intel вирішила збільшити адресний

простір до 16 Мбайт, тому довелося додати ще 4 лінії (не порушуючи споконвічні 20 із

причин сумісності з більше старими версіями), як показано на Рисунок , б. На жаль,

довелося також додати лінії керування для нових адресних ліній. Коли з'явився

процесор 80386, було додано ще 8 адресних ліній й, природно, кілька ліній керування,

як показано на Рисунок , в. У результаті вийшла шина EISA. Однак було б краще, якби

із самого початку було 32 лінії.

Із часом збільшується не тільки число адресних ліній, але й число інформаційних

ліній. Хоча це відбувається по трохи іншій причині. Можна збільшити пропускну

здатність шини двома способами: скоротити час циклу шини (зробити більшу

кількість передач у секунду) або збільшити ширину шини даних (тобто збільшити

кількість бітів за одну передачу). Можна підвищити швидкість роботи шини, але

зробити це досить складно, оскільки сигнали на різних лініях передаються з різною

швидкістю (це явище називається перекосом шини). Чим швидше працює шина, тим

більше перекіс.

При збільшенні швидкості роботи шини виникає ще одна проблема: у цьому

випадку вона не буде сумісною з більш старими версіями. Старі плати, розроблені для

більш повільної шини, не можуть працювати з новою. Така ситуація невигідна для

власників і виробників старих плат. Тому звичайно для збільшення продуктивності

просто додаються нові лінії, як показано на Рисунок . У цьому теж є свої недоліки. IBM

PC і його послідовники, наприклад, почали з 8 інформаційних ліній, потім перейшли

до 16, а потім до 32, і все це в одній і тій же шині.

Щоб обійти цю проблему, розробники іноді віддають перевагу мультиплексній

шині. У цій шині немає поділу на адресні й інформаційні лінії. У ній може бути,

наприклад, 32 лінії й для адрес, і для даних. Спочатку ці лінії використовуються для

адрес. Потім вони використовуються для даних. Щоб записати інформацію в пам’ять,

потрібно спочатку передавати в пам’ять адреси, а потім дані. У випадку з окремими

лініями адреси й дані можуть передаватися разом. Об'єднання ліній скорочує ширину й

вартість шини, але система працює при цьому повільніше. Тому розробникам

доводиться зважувати всі за й проти, перш ніж зробити вибір.

47

Тема 3. Синхронізація шини. Синхронні шини.

План:

1. Синхронні шини.

Література:[1, стор.183-188]

Питання для самоконтролю:

1. На які категорії можна розділити шини?

2. Що містить синхронна шина?

3. Що таке цикл шини?

4. Чим відрізняється асинхронна шина від синхронної?

5. Як працює синхронна шина?

6. Поясніть процес зчитування на часовій діаграмі.

7. Які умови синхронізації?

Синхронізація шини Шини можна розділити на дві категорії залежно від їхньої синхронізації.

Синхронна шина містить лінію, що запускається кварцовим генератором. Сигнал на цій

лінії являє собою меандр із частотою звичайно від 5 до 100 МГц. Будь-яка дія шини

займає ціле число так званих циклів шини. Асинхронна шина не містить генератора,

що задає. Цикли шини можуть бути будь-якої необхідної довжини й необов'язково

однакові стосовно всіх пар пристроїв.

Синхронні шини Як приклад того, як працює синхронна шина, розглянемо тимчасову діаграму на

рисунку 6. У цьому прикладі буде використатися генератор, що задає, на 40 МГц, що дає

цикл шини в 25 нс. Хоча може здатися, що шина працює повільно в порівнянні із

процесорами на 500 МГц і вище, не багато сучасних шин працюють швидше. Наприклад,

шина ISA (вона убудована в усі персональні комп'ютери із процесором Intel) працює із

частотою 8,33 МГц, і навіть популярна шина PCI - із частотою 33 МГц або 66 МГц.

Причини такої низької швидкості сучасних шин були дані вище: такі технічні

проблеми, як перекіс шини й вимога сумісності.

У прикладі передбачається, що зчитування інформація з пам'яті займає 40 нс із

того моменту, як адреса стала постійним. Як видно, знадобиться три цикли шини, щоб

зчитати одне слово. Перший цикл починається на наростаючому фронті відрізка Т1, а

третій закінчується на наростаючому фронті відрізка Т3, як показано на Рисунок .

Відзначимо, що жоден з наростаючих і задніх фронтів не намальований вертикально,

тому що жоден електричний сигнал не може змінювати своє значення за нульовий час.

У прикладі передбачається, що для зміни сигналу потрібно 1 нс. Генератор і лінії

ADDRESS, DATA, MREQ, RD, WAIT показані в тім же масштабі часу.

48

Рисунок 6 – Часова діаграма процесу зчитування на синхронній шині.

Початок Т1 визначається наростаючим фронтом генератора. За частину часу Т1

центральний процесор поміщає адресу потрібного слово на адресні лінії. Оскільки

адреса являє собою не одне значення (на відміну від генератора), не можна показати

його у вигляді однієї лінії на схемі. Замість цього показано його у вигляді двох ліній з

перетинаннями там, де ця адреса міняється. Сірі кольори на схемі показують, що в цей

момент не важливо, яке значення прийняв сигнал. Використовуючи ту ж угоду, видно,

що зміст ліній даних не має значення до відрізка Т3.

Після того як в адресних ліній з'являється можливість набути нового значення,

установлюються сигнали MREQ й RD. Перший указує, що здійснюється доступ до

пам'яті, а не до пристрою вводу-виводу, а другий — що здійснюється читання, а не

запис. Оскільки зчитування інформації з пам'яті займає 40 нс після того, як адреса стала

постійною (частина першого циклу), пам'ять не може передати необхідні дані за період

Т2. Щоб центральний процесор не очікував надходження даних, пам'ять установлює

лінію WAIT на початку відрізка Т2. Ця дія вводить періоди очікування (додаткові цикли

шини), доти, поки пам'ять не скине сигнал WAIT. У прикладі вводиться один період

очікування (Т1), оскільки пам'ять працює занадто повільно. На початку Тз, коли є

впевненість у тім, що пам'ять одержить дані протягом поточного циклу, сигнал WAIТ

скидається.

Під час першої половини Т3 пам'ять поміщає дані на інформаційні лінії. На

задньому фронті Т3 центральний процесор стробує (тобто зчитує) інформаційні лінії,

зберігаючи їхні значення у внутрішньому регістрі. Зчитавши дані, центральний процесор

скидає сигнали MREQ й RD. Якщо буде потреба на наступному наростаючому фронті

може початися ще один цикл пам'яті.

Далі проясняється значення восьми символів на тимчасовій діаграмі (див. рис.6 і

табл.5). TAD, наприклад, — це часовий інтервал між наростаючим фронтом Т1 й

установкою адресних ліній. Відповідно до вимог синхронізації TAD < 11 нс. Виходить,

виробник процесора гарантує, що під час будь-якого циклу зчитування центральний

процесор буде видавати необхідні адреси в межах 11 нс від середини наростаючого

фронту Т1.

49

Таблиця 5 – Деякі часові характеристики процесу зчитування на синхронній шині

Символ Значення Мінімум,

нс

Максимум,

нс

ТAD Затримка видачі адреси

ТML Проміжок між стабілізацією адреси й установкою

сигналу MREQ

TM Проміжок між заднім фронтом синхронізуючого

сигналу в циклі Т1 й установкою сигналу MREQ

TLR Проміжок між заднім фронтом синхронізуючого

сигналу в циклі Т1 й установкою сигналу RD

TDS Період передачі даних до заднього фронту

синхронізуючого сигналу

TMH Проміжок між заднім фронтом синхронізуючого

сигналу в циклі Т3 і скиданням сигналу MREQ

TRH Проміжок між заднім фронтом синхронізуючого

сигналу в циклі Т3 і скиданням сигналу RD

TDH Період продовження передачі даних з моменту

скидання сигналу RD

Умови синхронізації також вимагають, щоб дані надходили на інформаційні лінії

принаймні за 5 нс (TDS) до заднього фронту Т3, щоб дати даним час установитися до

того, як процесор стробує їх. Сполучення обмежень на ТAD й TDS означає, що в

найгіршому разі в розпорядженні пам'яті буде тільки 62,5-11-5=46,5 нc з моменту появи

адреси й до моменту, коли потрібно видавати дані. Оскільки досить 40 нc, пам'ять

навіть у самому гіршому випадку може завжди відповісти за період Т3. Якщо пам'яті для

зчитування потрібно 50 нс, то необхідно ввести другий період очікування, і тоді пам'ять

відповість протягом Т3.

Потреби синхронізації гарантують, що адреса буде встановлена принаймні за 6 нс до

того, як з'явиться сигнал MREQ. Цей час може бути важливий в тому випадку, якщо

MREQ запускає вибір елемента пам'яті, оскільки деякі типи пам'яті вимагають деякого

часу на установку адреси до вибору елемента пам'яті. Ясно, що розробникові системи не

слід вибирати мікросхему пам'яті, на установку якої потрібно 10 нс.

Обмеження на ТМ й TRL означають, що WREQ. і RD будуть установлені в межах 8 нс від

заднього фронту. У найгіршому разі в мікросхеми пам'яті після установки MREQ, і RD

залишиться всього 25+25-8-5=37 нс на передачу даних по шині. Це обмеження

додатково стосовно інтервАЛП в 40 нс і не залежить від нього.

ТМН і ТRH визначають, скільки часу потрібно на скасування сигналів MREQ й RD після

того, як дані стробовані. Нарешті, ТDH визначає, скільки часу пам'ять повинна тримати

дані на шині після зняття сигналу RD. У прикладі при даному процесорі пам'ять може

видалити дані із шини, як тільки скидається сигнал RD; при інших процесорах, однак,

дані можуть зберігатися ще якийсь час.

Необхідно підкреслити, що приклад являє собою сильно спрощену версію реальних

тимчасових обмежень. У дійсності повинно визначатися набагато більше таких

обмежень. Проте цей приклад наочно демонструє, як працює синхронна шина.

Cигнали керування можуть задаватися або за допомогою низької, або за допомогою

високої напруги. Що є більше зручним у кожному конкретному випадку, повинен

вирішувати розробник, хоча, власне кажучи, вибір довільний.

50

51

Тема 4. Синхронізація шини. Асинхронні шини.

План:

1. Асинхронні шини.

Література:[1, стор.183-188]

Питання для самоконтролю:

1. Для чого були розроблені асинхронні шини?

2. Чим відрізняється асинхронна шина від синхронної?

3. Коли підлеглий пристрій починає свою роботу?

4. Що означає сигнал SSYN?

5. Як працює асинхронна шина?

6. Що таке повне квітірування?

7. В чому переваги асинхронної шини?

Асинхронні шини Хоча досить зручно використовувати синхронні шини завдяки дискретним

тимчасовим інтервалам, тут все-таки є деякі проблеми. Наприклад, якщо процесор і

пам'ять здатні закінчити передачу за 3,1 цикли, вони змушені продовжити її до 4,0

циклів, оскільки неповні цикли заборонені.

Ще гірше те, що якщо один раз був обраний певний цикл шини й відповідно до

його були розроблені пам'ять і карти вводу-виводу, то в майбутньому важко робити

технологічні вдосконалення. Наприклад, припустимо, що через кілька років після

випуску системи, зображеної на Рисунок , з'явилася нова пам'ять із часом доступу не

40, а 20 нс. Це позбавило б від періоду очікування й збільшило швидкість роботи

машини. Тепер представимо, що з'явилася пам'ять із часом доступу 10 нс. При цьому

поліпшення продуктивності вже не буде, оскільки в даній розробці мінімальний час

для читання - 2 цикли.

Якщо синхронна шина з'єднує ряд пристроїв, одні з яких працюють швидко, а

інші повільно, шина підбудовується під самий повільний пристрій, а більш швидкі не

можуть використати свій повний потенціал.

Рисунок 7 – Робота асинхронної шини

Із цієї причини були розроблені асинхронні шини, тобто шини без генератора, що

задає, як показано на Рисунок . Тут нічого не прив’язується до генератора. Коли

52

пристрій, що задає, установлює адрес, MREQ, RD і будь-який інший необхідний

сигнал, він видає спеціальний сигнал, який називається MSYN (Master

SYNchronization). Коли підлеглий пристрій одержує цей сигнал, він починає

виконувати свою роботу настільки швидко, наскільки це можливо. Коли робота

закінчена, пристрій видає сигнал SSYN (Slave SYNchronization).

Сигнал SSYN означає для пристрою, що задає, що дані доступні. Він фіксує їх, а

потім відключає адресні лінії разом з MREQ, RD й MSYN. Скасування сигналу MSYN

означає для підлеглого пристрою, що цикл закінчений, тому пристрій скасовує сигнал:

SSYN, і все повертається до первісного стану, коли всі сигнали скасовані.

Стрілочки на тимчасових діаграмах асинхронних шин (а іноді й синхронних

шин) показують причину й наслідок якої-небудь дії (Рисунок ). Установка сигналу

MSYN приводить до запуску інформаційних ліній, а також до установки сигналу SSYN.

Установка сигналу SSYN, у свою чергу, викликає відключення адресних ліній, MREQ

RD й MSYN. Нарешті, відключення MSYN викликає відключення SSYN, і на цьому

процес зчитування закінчується.

Набір таких взаємообумовлених сигналів називається повним квітируванням.

Тут, по суті, спостерігається 4 події;

1. Установка сигналу MSYN.

2. Установка сигналу SSYN у відповідь на сигнал MSYN.

3. Скасування сигналу MSYN у відповідь на сигнал SSYN.

4. Скасування сигналу SSYN у відповідь на скасування сигналу MSYN.

Варто усвідомити, що взаємозумовленість сигналів не залежить від

синхронізації. Кожна подія викликається попередньою подією, а не імпульсами

генератора. Якщо якась пара двох пристроїв (задающого й підлеглого) працює повільно,

це ніяк не вплине на наступну пару пристроїв, що працюють набагато швидше.

Переваги асинхронної шини очевидні, але в дійсності більшість шин є

синхронними. Справа в тому, що синхронну систему побудувати простіше, ніж

асинхронну. Центральний процесор просто видає сигнали, а пам'ять просто реагує на

них. Тут немає ніякого причинно-наслідкового зв'язку, але якщо компоненти обрані

вдало, усе буде працювати й без квітирування. Крім того, у розробку синхронних шин

зроблено дуже багато вкладень.

53

Тема 5. Централізований та децентралізований арбітраж шини. Принцип

роботи шини.

План:

1. Арбітраж шини.

2. Централізований арбітраж шини.

3. Децентралізований арбітраж шини.

4. Принцип роботи шини.

Література:[1, стор.188-193]

Питання для самоконтролю:

1. Що таке арбітраж шини?

2. Які можуть бути механізми арбітражу?

3. Що таке система послідовного опитування?

4. Намалюйте схему однорівневого арбітражу шини з використанням системи

послідовного опитування.

5. Намалюйте схему дворівневого централізованого арбітражу.

6. Поясніть принцип децентралізованого арбітражу?

7. Як відбувається передача блока даних?

8. Які існують інші види циклів шини?

9. Для чого потрібен стандартний контролер переривань?

10. Що таке таблиця векторів переривань?

Централізований та децентралізований арбітраж шини.

Механізми арбітражу можуть бути централізованими або децентралізованими.

Розглянемо спочатку централізований арбітраж. Простий приклад

централізованого арбітражу показаний на рисунку 8, а. В даному прикладі один

арбітр шини визначає, чия черга наступна. Часто буває, що арбітр вбудований в

мікросхему процесора, але іноді потрібна окрема мікросхема. Шина містить одну

лінію запиту (монтажне АБО), яка може запускатися одним або декількома

пристроями у будь-який час. Арбітр не може визначити, скільки пристроїв

запитують шину. Він може визначати тільки наявність або відсутність запитів.

Коли арбітр бачить запит шини, він запускає лінію представлення шини. Ця

лінія послідовно зв'язує всі пристрої вводу-виводу (як в ялинковій гірлянді). Коли

фізично найближчий до арбітра пристрій сприймає сигнал представлення шини, він

перевіряє, чи немає запиту шини. Якщо запит є, пристрій користується шиною, але

не поширює сигнал представлення далі по лінії. Якщо запиту немає, пристрій

передає сигнал представлення шини наступному пристрою. Цей пристрій теж

перевіряє, чи є запит, і діє відповідним чином залежно від наявності або відсутності

запиту. Передача сигналу представлення шини продовжується до тих пір, поки

який-небудь пристрій не скористається наданою шиною. Така система називається

системою послідовного опитування. При цьому пріоритети пристроїв залежать від

того, наскільки близько вони знаходяться до арбітра.

54

Рисунок 8 – Однорівневий централізований арбітраж шини з використанням

системи послідовного опитування (а): дворівневий централізований арбітраж (б).

Якщо одночасно запитується декілька рівнів пріоритету, арбітр надає шину

найвищому рівню. Серед пристроїв однакового пріоритету використовується

система послідовного опитування.

Деякі арбітри містять третю лінію, яка запускається, як тільки пристрій

приймає сигнал представлення шини, і бере шину в своє розпорядження. Як тільки

запускається ця лінія підтвердження прийому, лінії запиту представлення шини

можуть бути відключені. В результаті інші пристрої можуть запитувати шину, поки

перший пристрій використовує її. Цей пристрій може почати роботу, як тільки

відключається лінія підтвердження прийому. З цієї миті починається наступний

арбітраж.

Децентралізований арбітраж шини. Наприклад, комп'ютер може містити 16 пріоритетних ліній запиту шини. Коли

пристрою потрібна шина, він запускає свою лінію запиту. Всі пристрої

контролюють всі лінії запиту, тому в кінці кожного циклу шини кожний пристрій

може визначити, чи володіє він в даний момент вищим пріоритетом і, отже, чи

дозволено лінії користуватися шиною в наступному циклі.

При іншому типі децентралізованого арбітражу використовується тільки три

лінії незалежно від того, скільки пристроїв є в наявності (рисунок 9). Перша лінія —

монтажне АБО. Вона використовується для запиту шини. Друга лінія називається

BUSY. Вона запускається поточним задаючим пристроєм шини. Третя лінія

використовується для арбітражу шини. Вона послідовно сполучає всі пристрої.

Початок ланцюга пов'язаний з джерелом живлення з напругою 5 В.

55

Рисунок 9 – Децентралізований арбітраж шини.

Коли шина не потрібна жодному з пристроїв, лінія арбітра передає сигнал всім

пристроям. Щоб отримати доступ до шини, пристрій спочатку перевіряє, чи вільна

шина, і чи встановлений сигнал арбітра IN. Якщо сигнал IN не встановлений,

пристрій не може стати задаючим пристроєм шини. В цьому випадку він скидає

сигнал OUT. Якщо сигнал IN встановлений, пристрій також скидає сигнал OUT,

внаслідок чого наступний пристрій не одержує сигнал IN і, у свою чергу, скидає

сигнал OUT. Отже, всі наступні по ланцюгу пристрої не одержують сигнал IN і

скидають сигнал OUT. В результаті залишається тільки один пристрій, у якого

сигнал IN встановлений, а сигнал OUT скинений. Він стає задаючим пристроєм

шини, запускає лінію BUSY і сигнал OUT і починає передачу даних.

Принципи роботи шини.

Існує декілька типів циклів шини.

Звичайно за раз передається одне слово. При використанні кеш-пам'яті бажано

відразу викликати весь рядок кеш-пам'яті (тобто 16 послідовних 32-бітових слів).

Часто передача блоками може бути більш ефективна, ніж послідовна передача

інформації. Коли починається читання блоку, задаючий пристрій повідомляє

підлеглий пристрій, скільки слів потрібно передати (наприклад, поміщаючи загальне

число слів на інформаційні лінії в період Т1). Замість того щоб видати у відповідь

одне слово, задаючий пристрій видає одне слово протягом кожного циклу до тих

пір, поки не буде передана необхідна кількість слів. На рисунку 10 зображена схема,

в якій з'явився додатковий сигнал BLOCK, який указує, що запрошується передача

блоку. В даному прикладі прочитування блоку з 4 слів займає 6 циклів замість 12.

Рисунок 10 – Передача блока даних.

Існують також інші типи циклів шини. Наприклад, якщо йдеться про системи

з двома або декількома центральними процесорами на одній шині, потрібно бути

упевненим, що в конкретний момент тільки один центральний процесор може

використовувати певну структуру даних в пам'яті. Щоб упорядкувати цей процес, в

56

пам'яті повинна міститися змінна, яка приймає значення 0, коли центральний

процесор використовує структуру даних, і 1, коли структура даних не

використовується. Якщо центральному процесору потрібно отримати доступ до

структури даних, він повинен рахувати змінну, і якщо вона рівна 0, надати їй

значення 1. Проблема полягає в тому, що два центральні процесори можуть

рахувати змінну на послідовних циклах шини. Якщо кожний процесор бачить, що

змінна рівна 0, а потім кожний процесор змінює значення змінної на 1, неначе

тільки він один використовує цю структуру даних, то така послідовність подій веде

до хаосу.

Щоб запобігти такій ситуації, в багатопроцесорних системах передбачений

спеціальний цикл шини, який дає можливість будь-якому процесору рахувати слово

з пам'яті, перевірити і змінити його, а потім записати назад в пам'ять; весь цей

процес відбувається без звільнення шини. Такий цикл не дає можливості іншим

центральним процесорам використовувати шину і, отже, заважати роботі першого

процесора.

Ще один важливий цикл шини — цикл для здійснення переривань. Коли

центральний процесор командує пристрою вводу-виводу провести якусь дію, він

чекає переривання після завершення роботи. Для сигналу переривання потрібна

шина.

Оскільки може скластися ситуація, коли декілька пристроїв одночасно хочуть

провести переривання, тут мають місце ті ж проблеми дозволу конфліктних

ситуацій, що і в звичайних циклах шини. Щоб уникнути таких проблем, потрібно

кожному пристрою приписати певний пріоритет і використати централізований

арбітр для розподілу пріоритетів.

57

Тема 6. Шини PCI, PCI Express. Арбітраж та сигнали шини PCI. Шина

AGP.

План:

1. Шина PCI.

2. Шина PCI Express.

3. Арбітраж шини PCI.

4. Сигнали шини PCI.

5. Транзакція шини PCI.

6. Шина AGP.

Література:[1, стор.207-215, 5, стор.60, 69-73]

Питання для самоконтролю:

1. Як виникла шина PCI?

2. Якою була перша шина PCI?

3. Що є ключовими компонентами архітектури комп’ютера з шиною PCI?

4. Чим відрізняються плати PCI?

5. Як функціонують поєднані адресні та інформаційні виводи?

6. Який арбітраж використовується в шині PCI?

7. Поясніть, як працює централізований арбітр?

8. На які групи підрозділяються сигнали шини PCI?

9. Охарактеризуйте обов’язкові сигнали шини PCI?

10. Охарактеризуйте факультативні сигнали шини PCI?

11. Поясніть принцип транзакції шини PCI?

12. Як виникла шина PCI Express?

13. Які можливості представляє конфігурація платформи з використанням шини

PCI Express?

14. Що являє собою структура шини PCI Express?

15. Порівняйте топології шин PCI та PCI Express.

16. Які ви знаєте відмінності шин PCI та AGP?

17. Що являє собою архітектура комп’ютера з шиною AGP?

18. Які основні режими роботи має шина AGP?

Шини PCI, PCI Express.

PCI (Peripheral Component Interconnect – взаємодія периферійних

компонентів). Шина PCI працює з частотою 66 МГц, здатна передавати 64 бита за

цикл, а її загальна пропускна спроможність складає 528 Мбайт\с.

Ключовими компонентами даної архітектури є мости між шинами. Міст PCI

пов'язує центральний процесор, пам'ять і шину PCI з шиною ISA, а також підтримує

один або два диски IDE.

Шина між центральним процесором і пам'яттю має високу пропускну

спроможність.

Плати розрізняються по споживаній потужності, розрядності і синхронізації.

Існує два типу плат: 32- бітові і 64-бітові плати. 32- бітові плати містять 120 виводів;

64-бітові плати містять ті ж 120 виводів плюс 64 додаткових виводу. Шина PCI, що

58

підтримує 64-бітові плати, може підтримувати і 32-бітові плати, але зворотне не

вірно.

Шини PCI є синхронними. Всі транзакції в шині PCI здійснюється між

задаючим і підлеглим пристроями. Щоб не збільшувати число виводів на платі,

адресні і інформаційні лінії об'єднуються.

Об'єднані адресні і інформаційні виводи функціонують таким чином. При

операції зчитування під час циклу 1 задаючий пристрій передає адресу на шину. Під

час циклу 2 задаючий пристрій видаляє адреси і шина реверсує так, щоб підлеглий

пристрій міг її використовувати. Під час циклу 3 підлеглий пристрій видає

запрошувані дані. При операціях запису шині не потрібно перемикатися, оскільки

задаючий пристрій поміщає на неї і адресу, і дані. Проте мінімальна транзакція

займає три цикли. Якщо підлеглий пристрій не може дати відповідь протягом трьох

циклів, то вводиться режим очікування. Допускаються пересилки блоків

необмеженого розміру, а також деякі інші типи циклів шини.

Арбітраж шини PCI.

Щоб передати по шині PCI який-небудь сигнал, пристрій спочатку повинен

дістати до неї доступ. Шина PCI керується централізованим арбітром. В більшості

випадків арбітр шини вбудовується в один з мостів між шинами. Від кожного

пристрою PCI до арбітра тягнуться дві спеціальні лінії. Одна з них (REQ#)

використовується для запиту шини, а друга (GNT#) - для отримання дозволу на

доступ до шини.

Щоб зробити запит на доступ до шини, пристрій PCI (у тому числі і

центральний процесор) встановлює сигнал REQ# і чекає, поки арбітр не видасть

сигнал GNT#. Якщо арбітр видав сигнал GNT#, то пристрій може використовувати

шину в наступному циклі. Алгоритм, яким керується арбітр, не залежить від

технічних характеристик шини PCI. Допустимий арбітраж по кругу, по пріоритету і

інші схеми арбітражу.

Шина надається для однієї транзакції, хоча тривалість цієї транзакції

теоретично довільна. Якщо пристрою потрібно зробити другу транзакцію і не один

інший пристрій не запрошує шину, він може зайняти шину знову, хоча зазвичай між

транзакціями потрібно вставляти порожній цикл. Проте при особливих обставинах

(за відсутності конкуренції на доступ до шини) пристрій може здійснювати

послідовні транзакції без порожніх циклів між ними. Якщо задаючий пристрій

здійснює дуже тривалу передачу, а який-небудь інший пристрій видає запит на

доступ до шини, арбітр може скинути лінію GNT#. Передбачається, що задаючий

пристрій повинен звільнити шину в наступному циклі. Така система дозволяє

здійснювати дуже довгі передачі (що вельми раціонально) відсутність конкуренції

на доступ до шини, проте вона при цьому швидко реагує на запити шини, що

поступають від інших пристроїв.

Сигнали шини PCI

Шина PCI містить ряд обов'язкових сигналів і ряд факультативних сигналів.

Виводи, що залишилися, використовуються для живлення, «землі» і різноманітних

зв'язаних сигналів.

Сигнал CLK запускає шина. Більшість сигналів співпадають з ним в часі. У

шині PCI транзакція починається на задньому фронті сигналу CLK, тобто не на

початку циклу, а у середині.

59

Сигнали AD (їх 32) потрібні для адрес і даних (для передач по 32 бита).

Зазвичай адреса встановлюється під час першого циклу, а дані - під час третього.

Сигнал PAR- це біт парності для сигналу AD.

Сигнал С/BE# виконує дві функції. Під час першого циклу він містить

команду (рахувати одне слово, рахувати блок і т. п.). Під час другого циклу він

містить масив з 4 бітів, який показує, які байти 32-бітового слова дійсні.

Використовуючи сигнал C/BE#, можна прочитувати 1,2 або 3 байти із слова, а також

все слово цілком.

Сигнал FRAME# встановлюється задаючим пристроєм, щоб почати

транзакцію. Цей сигнал повідомляє підлеглий пристрій, що адреса і команди в даний

момент дійсні. При читанні одночасно з сигналом FRAME# встановлюється сигнал

IRDY#. Він повідомляє, що задаючий пристрій готовий прийняти дані. При записі

сигнал IRDY# встановлюється пізніше, коли дані знаходяться вже в шині.

Сигнал IDSEL пов'язаний з тим що у кожного пристрою PCI повинен бути

простір конфігурацій на 256 байтів, яке інші пристрої можуть прочитувати

(встановивши сигнал IDSEL). Це простір конфігурацій містить характеристики

пристрою.

Сигнал DEVSEL# означає, що підлеглий пристрій розпізнав свою адресу на

лініях AD і готовий брати участь в транзакції. Якщо сигнал DEVSEL# не поступає в

перебігу певного проміжку часу, задаючий пристрій припускає, що підлеглий

пристрій, до якого направлено звернення, або відсутній, або несправний.

Сигнал – TRDY#. Його підлеглий пристрій встановлює при читанні, щоб

повідомити, дані знаходяться на лініях AD, і при записі, щоб повідомити, що він

готовий прийняти дані.

Сигнал STOP#, встановлюється підлеглим пристроєм, якщо відбулася яка-

небудь неполадка і потрібно перервати поточну транзакцію.

Сигнал PERR#, використовується для повідомленні про помилку парності в

даних в попередньому циклі. Для читання цей сигнал встановлюється задаючим

пристроєм, для запису - підлеглим пристроєм. Необхідні дії повинен робити

пристрій, що одержав цей сигнал.

Сигнал SERR# потрібний для повідомлення про адресні і системні помилки.

Сигнали REQ# і GNT# призначені для арбітражу шини. Вони

встановлюються не тим пристроєм, який є задаючим в даний момент, а тим якому

потрібно стати задаючим.

Сигнал RST#, використовується для перезавантаження системи, яке

відбувається, або якщо який-небудь системний пристрій виявить фатальною

помилку. Після установки цього сигналу комп'ютер перезавантажується.

Факультативні сигнали:

Сигнали REQ64# і ACK64# дозволяють задаючому пристрою попросити

дозволу здійснити 64-бітову транзакцію, а підлеглому пристрою прийняти цю

транзакцію.

Сигнали AD, PAR64 і C/BE# є розширеннями відповідних 32-бітових

сигналів.

Сигнал LOCK дозволяє блокувати шину для паралельних транзакцій.

Сигнали INTx потрібні для запиту переривань. Плата PCI може містити до

чотирьох логічних пристроїв, кожне з яких має власну лінію запиту переривання.

Сигнали JTAG призначені для процедури тестування.

60

Сигнал M66EN зв'язується або з джерелом живлення, або з «землею», що

визначає тактову частоту. Вона не повинна мінятися під час роботи системи.

Транзакція шини PCI

Під час циклу Т1 на задньому фронті синхронізуючого сигналу задаючий

пристрій поміщає адресу на лінії AD і команду на лінії C/BE#. Потім задаючий

пристрій встановлює сигнал FRAME#, щоб почати транзакцію.

Під час циклу Т2 задаючий пристрій перемикає шину, щоб підлеглий пристрій

міг скористатися нею під час циклу Т3. Задаючий пристрій також змінює сигнал

C/BE#, щоб вказати, які байти в слові йому потрібно зчитати.

Під час циклу Т3 підлеглий пристрій встановлює сигнал DEVSEL#. Цей

сигнал повідомляє задаючий пристрій, що підлеглий пристрій одержав адресу і

збирається відповісти. Підлеглий пристрій також поміщає дані на лінії AD і видає

сигнал TRDY#, який повідомляє задаючий пристрій про дану дію. Якщо підлеглий

пристрій не може відповісти швидко, воно знімає сигнал DEVSEL#, який

повідомляє про його присутність, але при цьому не встановлює сигнал TRDY# до

тих пір, поки не зможе передати дані. При такій процедурі вводиться один або

декілька періодів очікування.

У циклі Т5 той же самий задаючий пристрій ініціює процес запису. Спочатку

він, як завжди, поміщає адресу і команду на шину. У наступному циклі він видає

дані. Оскільки лініями AD керує один і той же пристрій, цикл реверсування передачі

не потрібний. У циклі Т7 пам'ять приймає дані.

Рисунок 11 – Приклади 32 - бітних транзакцій в шині PCI

Шина AGP (Accelerated Graphic Port).

Відмінності AGP від PCI:

1. Шина здатна передавати два блоки даних за один 66 МГц цикл;

2. Усунена мультиплексність ліній адрес та даних;

3. Конвеєризація операцій читання/запису.

61

Рисунок 12 – Архітектура комп’ютера з шиною AGP.

Шина AGP має два режими роботи: Execute і DMA. В режимі DMA основною

пам’яттю є пам’ять карти. Текстури зберігаються в системній пам’яті, але перед

використанням копіюються в локальну пам’ять карти. Обмін ведеться великими

послідовними пакетами. В режимі Execute локальна і системна пам’ять для відео

карти логічно рівноправні. Текстури не копіюються в локальну пам’ять, а

вибираються безпосередньо з системної.

Процесор

Зовнішній

кеш

Контролер

пам’яті/шини ОЗП

Локальна шина PCI

Контролер

SCSI

Слот

вводу/виводу

Мережевий

адаптер

Графічний

акселератор

Локальний

фрейм-буфер

Шина AGP Шина

процесора

(швидкодіюч

а)

62

Тема 7. Шини USB та FireWire. Структура USB. Фізичний інтерфейс.

Протокол ІЕЕЕ 1394.

План:

1. Шина USB.

2. Структура USB.

3. Фізичний інтерфейс.

4. Типи передачі даних.

5. Системне конфігурування.

6. Пристрої USB – функції та хаби.

7. Шина ІЕЕЕ 1394 - FireWire.

8. Структура та взаємодія пристроїв шини.

9. Протокол ІЕЕЕ 1394.

Література:[1, стор.215-219, 5, стор.73-80,4. стор. 106-113]

Питання для самоконтролю:

1. Що таке послідовні шини?

2. Якими критеріями визначається шина USB?

3. Які ви знаєте переваги USB?

4. Поміж якими пристроями забезпечується одночасний обмін даними?

5. Що таке пристрій USB?

6. Що таке функції USB?

7. Який пристрій керує роботою всієї системи?

8. Як відбувається фізичне з’єднання?

9. Які ви знаєте приклади функцій?

10. Що таке хаб?

11. Що таке порти хабу?

12. Чим відрізняються зростаючий та спадаючі порти?

13. На які рівні розділяється система USB?

14. Які існують елементи структури USB?

15. Які режими передачі має шина USB?

16. Які існують типи передачі даних?

17. Що таке керуючі посилки?

18. Що таке сумісні передачі?

19. Що таке переривання?

20. Що називається ізохронними передачами?

21. Які існують варіанти синхронізації пристроїв та контролера?

22. Що таке системне конфігурування?

23. Як виконується процедура нумерації?

24. Що таке динамічне підключення та відключення?

25. Що називається конфігуруванням пристроїв?

26. Що таке повторювач?

27. Які існують стани портів?

28. Які ви знаєте переваги шини FireWire над іншими шинами?

29. Які існують категорії стандарту 1394?

30. Що називається кабельною шиною?

63

31. Які існують частоти передачі сигналів шини FireWire?

32. Які ви знаєте сервіси керування шиною?

Шини USB та FireWire. Структура USB. Фізичний інтерфейс. Протокол

ІЕЕЕ 1394.

Послідовні шини дозволяють об'єднувати безліч пристроїв, використовуючи

всього 1-2 пари дротів. При цьому досягається пропускна спроможність від 100

Кбіт/с для шини ACCESS.Bus до 400 Мбіт/с у FireWire. Функціональні можливості

цих шин набагато ширше, ніж у традиційних інтерфейсів локальних мереж — USB і

FireWire здатні передавати ізохронний трафік аудіо- і відеоданих.

Шина USB

USB (Universal Serial Bus — універсальна послідовна шина) є промисловим

стандартом розширення архітектури PC, орієнтованим на інтеграцію з телефонією і

пристроями побутової електроніки. Версія 1.0 була опублікована в січні 1996 року.

Архітектура USB визначається наступними критеріями:

Легко реалізовуване розширення периферії PC.

Дешеве рішення, що підтримує швидкість передачі до 12 Мбіт/с.

Повна підтримка в реальному часі передачі аудіо-і (стислих) відеоданих.

Гнучкість протоколу змішаної передачі ізохронних даних і асинхронних

повідомлень.

Інтеграція з пристроями, що випускаються. Доступність в PC всіх

конфігурацій і розмірів.

Забезпечення стандартного інтерфейсу, здатного швидко завоювати

ринок.

Створення нових класів пристроїв, які розширюють PC.

З погляду кінцевого користувача, привабливі наступні риси USB:

*Простота кабельної системи і підключень.

*Приховування подробиць електричного підключення від кінцевого

користувача.

Периферійні пристрої, які самоідентифікуються, автоматичний зв'язок

пристроїв з драйверами і конфігурування.

Можливість динамічного підключення і конфігурування ПП.

З середини 1996 року випускаються PC з вбудованим контролером USB, який

реалізовується чіпсетом.

Структура USB

USB забезпечує одночасний обмін даними між хост-комп'ютером і безліччю

периферійних пристроїв (ПП). Розподіл пропускної спроможності шини між ПП

планується хостом і реалізується їм за допомогою посилки маркерів. Шина дозволяє

підключати, конфігурувати, використовувати і відключати пристрої під час роботи

хоста і самих пристроїв.

Пристрої (Device) USB можуть бути хабами, функціями або їх комбінацією.

Хаб (Hub) забезпечує додаткові точки підключення пристроїв до шини. Функції

(Function) USB надають системі додаткові можливості, наприклад підключення

ISDN, цифровий джойстик, акустичні колонки з цифровим інтерфейсом і т.п. Багато

пристроїв, що підключаються до USB, мають в своєму складі і хаб, і функції.

64

Роботою всієї системи USB управляє хост-контролер (Host Controller), що є

програмно апаратною підсистемою хост-комп'ютера.

Фізичне з'єднання пристроїв здійснюється по топології багатоярусної зірки.

Центром кожної зірки є хаб, кожний кабельний сегмент сполучає дві точки -хаб з

іншим хабом або з функцією. В системі є один (і лише один) хост-контролер,

розташований у вершині піраміди пристроїв і хабів.

Функції є пристроями, здатними передавати або приймати дані або

управляючу інформацію по шині.

Кожна функція надає конфігураційну інформацію, що описує можливості ПП і

вимоги до ресурсів. Перед використанням функція повинна бути зконфігурована

хостом - їй повинна бути виділена смуга в каналі і вибрані опції конфігурації.

Прикладами функцій є:

- Вказівники - миша, планшет, світлове перо.

- Пристрої введення - клавіатура або сканер.

- Пристрій виведення - принтер, звукові колонки (цифрові).

-Телефонний адаптер ISDN.

Хаб - ключовий елемент системи РnР в архітектурі USB. Хаб є кабельним

концентратором. Точки підключення називаються портами хаба. Кожний хаб

перетворить одну точку підключення в їх множину. Архітектура допускає з'єднання

декількох хабів.

У кожного хаба є один висхідний порт (Upstream Port), призначений для

підключення до хосту або хабу верхнього рівня. Інші порти є нисхідними

(Downstream Ports), які призначені для підключення функцій або хабів нижнього

рівня.

Система USB розділяється на три рівні з певними правилами взаємодії.

Пристрій USB містить інтерфейсну частину, частину пристрою і функціональну

частину. Хост теж ділиться на три частини -інтерфейсну, системну і ПЗ пристрою.

Кожна частина відповідає тільки за певне коло

Фізичний інтерфейс

Стандарт USB визначає електричні і механічні специфікації шини.

Інформаційні сигнали і напруга живлення 5В передаються по

чотирьохдротяному кабелю. Використовується диференціальний спосіб передачі

сигналів D+ і D- по двох дротах. Рівні сигналів передавачів в статичному режимі

повинні бути нижчими 0,3 В (низький рівень) або вищими 2,8 В (високий рівень).

Приймачі витримують вхідну напругу в межах - 0,5...+3,8 В.

Шина має два режими передачі. Повна швидкість передачі сигналів USB

складає 12 Мбіт/с, низька - 1,5 Мбіт/с. Для повної швидкості використовується

екранована кручена пара завдовжки сегменту до 5 м, для низької некручений

неекранований кабель до 3 м.

Кабель також має лінії VBus і GND для передачі напруги живлення 5В до

пристроїв.

Смуга пропускання шини ділиться між всіма встановленими каналами.

Стійкість до помилок забезпечують наступні властивості USB:

Висока якість сигналів, що досягається завдяки диференціальним

приймачам/передавачам і екранованим кабелям.

Захист полів управління і даних CRC-кодами.

Виявлення підключення і відключення пристроїв і конфігурування

65

ресурсів на системному рівні.

Самовідновлення протоколу з тайм-аутом при втраті пакетів.

Управління потоком для забезпечення ізохронності і управління

апаратними буферами.

Незалежність функцій від невдалих обмінів з іншими функціями.

Типи передачі даних

USB підтримує як однонаправлені, так і двонаправлені режими зв'язку.

Передача даних проводиться між ПЗ хоста і кінцевою точкою пристрою. Пристрій

може мати декілька кінцевих точок, зв'язок з кожною з них (канал) встановлюється

незалежно.

Архітектура USB допускає чотири базові типи передачі даних:

Управляючі посилки (Control Transfers), що використовуються для

конфігурування під час підключення і в процесі роботи для управління пристроями.

Протокол забезпечує гарантовану доставку даних. Довжина поля даних управляючої

посилки не перевищує 64 байт на повній швидкості і 8 байт на низькій.

Суцільні передачі (Bulk Data Transfers) порівняно великих пакетів без

жорстких вимог до часу доставки. Передачі займають всю вільну смугу пропускання

шини. Пакети мають поле даних розміром 8, 16, 32 або 64 байт. Пріоритет цих

передач найнижчий, вони можуть припинятися при великому завантаженні шини.

Допускаються тільки на повній швидкості передачі.

Переривання (Interrupt) - короткі (до 64 байт на повній швидкості, до 8

байт на низькій) передачі типу символів або координат, що вводяться. Переривання

мають спонтанний характер і повинні обслуговуватися не повільніше, ніж того

вимагає пристрій. Межа часу обслуговування встановлюється в діапазоні 1-255 мс

для повної швидкості і 10-255 мс - для низької.

Ізохронні передачі (Isochronous Transfers) -безперервні передачі в

реальному часі, які займають заздалегідь узгоджену частину пропускної

спроможності шини і мають задану затримку доставки. У разі виявлення помилки

ізохронні дані передаються без повтору - недійсні пакети ігноруються.

Шина IEEE 1394-FireWire

Стандарт для високопродуктивної послідовної шини (High Performance Serial

Bus), що отримав офіційну назву IEEE 1394, був прийнятий в 1995 році. Метою було

створення шини, яка б не поступалася сучасним стандартним паралельним шинам,

при істотному здешевленні і підвищенні зручності підключення (за рахунок

переходу на послідовний інтерфейс). Стандарт заснований на шині FireWire,

використовується Apple Computer як дешева альтернатива SCSI в комп'ютерах

Macintosh і PowerMac. Назва Fire Wire ("вогненний дріт") тепер застосовується і до

реалізацій IEEE 1394, вона співіснує з коротким позначенням 1394.

Переваги FireWire перед іншими послідовними шинами:

1. Багатофункціональність: шина забезпечує цифровий зв'язок до 63

пристроїв без застосування додаткової апаратури (хабів). Пристрої - цифрові

камкодери, сканери, принтери, камери для відеоконференцій, дискові накопичувачі -

можуть обмінюватися даними не тільки з PC, але і між собою. FireWire за

ініціативою VESA позиціонується і для "домашніх мереж".

2. Висока швидкість обміну і ізохронні передачі дозволяють навіть на

початковому рівні (100 Мбіт/с) передавати одночасно два канали відео (30 кадрів в

секунду) широкомовної якості і стереоаудіосигнал.

66

3. Низька ціна компонентів і кабелю.

4. Легкість установки і використання. FireWire розширює систему РnР.

Пристрої автоматично розпізнаються і конфігуруються при включенні/відключенні.

Живлення від шини (струм до 1,5 А) дозволяє ПП спілкуватися з системою навіть

при відключенні їх живлення. Управляти шиною і іншими пристроями можуть не

тільки PC, але і інші "інтелектуальні пристрої", наприклад VCR.

Структура і взаємодія пристроїв шини

Стандарт 1394 визначає дві категорії шин: кабельні шини і крос-шини

(Backplane). Під крос-шинами звичайно маються на увазі паралельні інтерфейси,

об'єднуючі внутрішні підсистеми пристрою, підключеного до кабелю 1394.

На відміну від USB, керованої одним хост-контролером, стандарт 1394

допускає з'єднання рівноправних пристроїв в мережу. Мережа може складатися з

безлічі шин, сполучених мостами. В межах однієї шини пристрої об'єднуються

сполучними кабелями без застосування додаткових пристроїв. Мости є

спеціальними інтелектуальними пристроями. Інтерфейсна карта шини FireWire для

PC є мостом PCI -1394.

Кабельна шина є мережею, що складається з вузлів і кабельних мостів. Гнучка

топологія дозволяє будувати мережі, що поєднують деревовидну і ланцюгову

архітектуру. Кожний вузол звичайно має три рівноправні сполучні роз'єми.

Допускається безліч варіантів підключення пристроїв з наступними обмеженнями:

- між будь-якою парою вузлів може бути не більше 16 кабельних сегментів;

- довжина сегменту стандартного кабелю не повинна перевищувати 4,5 м;

- сумарна довжина кабелю не повинна перевищувати 72 м (застосування більш

якісного кабелю дозволяє ослабити це обмеження).

Стандарт 1394 визначає три можливі частоти передачі сигналів по кабелях:

98,304, 196,608 і 393,216 Мбіт/с, які округляють до 100, 200 і 400 Мбіт/с. Частоти в

стандарті позначаються як S100, S200 і S400 відповідно.

Система допускає динамічне (гаряче) підключення і відключення пристроїв.

Ідентифікатори пристроям, що підключаються, призначаються автоматично, без

участі користувача. Зміни топології (складу підключених пристроїв) автоматично

відстежуються шиною і передаються керівнику ПЗ.

Апаратна частина FireWire звичайно складається з двох спеціалізованих

мікросхем - трансиверів фізичного рівня PHY Transceiver і моста зв'язку з шиною

LINK Сhiр. Зв’язок між ними можливий, наприклад, по інтерфейсу IBM-Apple

LINK-PHY. Мікросхеми рівня зв'язку виконують всі функції свого рівня і частину

функцій рівня транзакцій, решта частини рівня транзакцій виконується програмно.

67

Тема 8. Інтерфейси АТА та АТАРІ. Різновиди АТА. Електричний

інтерфейс.

План:

1. Інтерфейс АТА.

2. Електричний інтерфейс.

Література:[3, стор.179-182, 231-240, 4. стор.359-362]

Питання для самоконтролю:

1. Як з явився інтерфейс АТА?

2. Які сигнали системної шини знадобились для інтерфейсу АТА?

3. Які компоненти фігурують в специфікації АТА?

4. Які існують різновиди інтерфейсів АТА для пристроїв IDE?

5. Що таке електричний інтерфейс?

6. Які положення коннекторів для режиму UltraDMA?

7. Що таке пакетний інтерфейс АТАРІ?

Інтерфейс АТА.

Інтерфейс АТА- АТ Аttachment fог Disk Dгives - розроблявся в 1986-1990 р.

для підключення накопичувачів на твердих магнітних дисках до комп'ютерів IВМ

РС АТ із шиною ISА. Стандарт визначає набір регістрів і призначення сигналів 40-

контактного інтерфейсного роз’єму. Інтерфейс з'явився в результаті переносу

контролера жорсткого диска ближче до накопичувача, тобто створення пристроїв з

убудованим контролером - IDE (Integrated Drivе Еlесtгоniсs). Стандартний для АТ

контролер жорсткого диска був перенесений на плату електроніки накопичувача зі

збереженням регістрової моделі. При цьому подовжився зв'язок із пристроєм з боку

системної шини, виводити яку безпосередньо на довгий стрічковий кабель було

недоцільно. Це позначилося б на швидкості роботи шини, надійності й ціні. Із всіх

сигналів шини ISA вибрали мінімальний набір сигналів, частину з яких

буферизовали на невеликій платі, яку встановлювали в слот, а частину направили

прямо на роз’єм стрічкового кабелю нового інтерфейсу. Із сигналів системної шини

потрібні були наступні:

• шина даних - використовується повністю;

• шина адреси - З молодших біта надходять в інтерфейс, старші біти й сигнал

АЕ проходять через дешифратор, що виробляє сигнали вибору пристрою СS0# і

СS1#;

• шина керування - використовуються сигнали читання й запису портів й

апаратного скидання, запит переривання, пари сигналів каналу DМА, сигнали

готовності й керування розрядністю передачі.

Інтерфейс дозволяє підключати два накопичувачі до однієї інтерфейсної

шини, а для програмної сумісності біт вибору накопичувача (DEV) у регістрі номера

головки й номери пристрою (drive\head register) стали використовувати для вибору

пристрою. Для взаємодії пари пристроїв на шині ввели кілька додаткових сигналів.

Досить універсальний набір сигналів дозволяє підключати будь-який пристрій з

убудованим контролером, якому в просторі портів вводу/виводу досить того ж

набору регістрів, здатний підтримати режим вибору пристрою через вищезгаданий

68

біт. Прийнята система команд і регістрів, що є частиною специфікації АТА,

орієнтована на блоковий обмін даними із пристроями прямого доступу. Для інших

пристроїв існує специфікація АТАРІ, заснована на тих же апаратних засобах, але що

дозволяє обмінюватися пакетами керуючої інформації (РI - Расkage Interface).

Пакетний інтерфейс дозволяє розширити границі застосування шини АТА.

У специфікації АТА фігурують наступні компоненти:

• Хост - адаптер - засоби сполучення інтерфейсу АТА із системною шиною (набір

буферних схем між шинами ISA й АТА). Хостом буде називатися комп'ютер з хост -

адаптером інтерфейсу АТА. Хост - контролер - більш розвитий варіант хост-

адаптера.

• Стрічковий кабель (шлейф) із двома або трьома 40-контактними IDЕ - роз’ємами.

У стандартному кабелі однойменні контакти всіх роз’ємів з'єднуються разом.

• Провідний пристрій (Маster) - ПП, у специфікації АТА офіційно названий Deviсе-0

(пристрій 0).

• Ведений пристрій (Slave) - ПП, у специфікації офіційно названий Deviсе-1

(пристрій 1).

Якщо до шини АТА підключено один пристрій, він повинен бути ведучим.

Якщо підключені два пристрої, один повинен бути ведучим, інший - веденим. Про

свою роль (ведучого або веденего) пристрої «довідаються» за допомогою

попередньо встановлених конфігураційних джамперів. Якщо застосовується

«кабельна вибірка», роль пристрою визначається його положенням на стрічковому

кабелі.

Обоє пристроїв сприймають команди від хост - адаптера одночасно. Однак

виконувати команду буде лише обраний пристрій. Якщо біт DEV=О, обрано

ведучий пристрій, якщо DEV = 1 — ведений. Виводити вихідні сигнали на шину

АТА має право тільки обраний пристрій. Така система має на увазі, що почавши

операцію обміну з одним із пристроїв, хост-адаптер не може перемкнутися на

обслуговування іншого до завершення початої операції. Паралельно можуть

працювати тільки пристрої IDE, що підключають до різних шин (каналів) АТА.

Виконувана операція й напрямок обміну даними між пристроєм і хост - адаптером

визначається попередньо записаною командою. Неодмінним компонентом

пристрою є буферна пам'ять. Її наявність дозволяє виконувати обмін даними в темпі,

пропонованому хост - адаптером (у межах можливості пристрою), без оглядки на

внутрішню швидкість передачі даних між носієм і буферною пам'яттю ПП.

Для пристроїв IDE існує кілька різновидів інтерфейсу:

• АТА, він же АТ-Bus - 16-бітний інтерфейс підключення до шини комп'ютера АТ.

Найпоширеніший 40-провідний сигнальний й 4-провідний інтерфейс живлення для

підключення дискових накопичувачів до комп'ютерів АТ.

• РС Сагd АТА - 16-бітний інтерфейс із 68-контактним роз’ємом РС Сагd (РСМСIА)

для підключення до блокнотних РС.

• АТА-2 - розширена специфікація АТА. Включає 2 канали, 4 пристроя, РIО Моde 3,

Multiword DMA Mode 1, Вlосk Mode, обсяг диска до 8 Гбайт, підтримка LBA і СНS.

• АТА-3 - розширення АТА-2. Включає засоби парольного захисту, поліпшеного

керування живленням, самотестування з попередженням наближення відмови -

SMART.

69

• АТА/АТАРІ - 4 розширення АТА-З, що включає режим Ultra DМА зі швидкістю

обміну до 33 Мбайт/с і пакетний інтерфейс АТАРІ. З'являється підтримка черг і

можливість перекриття команд.

• АТА/АТАРІ - 5 - ревізія АТА/АТАРІ - 4: видаляються застарілі команди й біти,

додаються нові можливості захисту й керування енергоспоживанням, включається

режим Ultra DМА зі швидкістю обміну до 66 Мбайт/с.

• АТА/АТАРІ - 6 - доповнення до АТА/АТАРІ - 5: потокове розширення для

читання/запису аудио- і відеоданих, керування акустичним шумом, режим Ultra

DМА зі швидкістю обміну до 100 Мбайт/с.

Усі вище перераховані пристрої електрично сумісні.

А в 2001-2002 року з'явився послідовний інтерфейс SerialАТА.

Електричний інтерфейс

Всі сигнали АТА є логічними зі стандартними ТТЛ - рівнями:

• високий рівень вихідного сигналу не нижче 2,4 V (при струмі, що втікає, до 400

мкA, сигнал), низький рівень не вище 0,5 V (при струмі 4 мA);

• високий рівень вхідного сигналу не нижче 2,0 V, низький рівень не вище 0,8 V.

Всі інформаційні сигнали інтерфейсу передаються через 40-контактний роз’єм, у

якого ключем є відсутній на вилці й закритий на розетці контакт 20. Для з'єднання

пристроїв специфікація вимагає застосування плоского багатожильного кабелю типу

3М 3365-40 із кроком проводів 1,27 мм або еквівалентного. Можливе застосування

екранованого кабелю, але він практично не зустрічається. Довжина кабелю не

повинна перевищувати 0,46 м, припустима ємність провідників не більше 35 пФ. У

більшості кабелів однойменні контакти всіх роз’ємів з'єднуються своїми проводами

й всі конектори рівноправні.

Для встановленої роботи в режимі Ultra DМА рекомендується застосування 80-

провідних кабелів, забезпечивши чергування сигнальних ланцюгів проводів схемної

землі. З урахуванням можливості кабельної вибірки, на 80-провідному шлейфі

положення конекторів уже однозначно:

• Конектор хост - контролера розташований на кінці шлейфа, у нього контакт 34

заземлений і не з'єднаний зі шлейфом. Корпус конектора повинен бути синього

кольору.

• Конектор пристрою 0 розташований на протилежному кінці шлейфа, у нього всі

контакти з'єднані зі шлейфом. Корпус конектора повинен бути чорного кольору.

• Конектор пристрою 1 (необов'язковий) розташований у середині шлейфа, у нього

контакт 28 не з'єднаний зі шлейфом. Корпус конектора повинен бути сірого кольору.

Пакетний інтерфейс АТАРІ

Для підключення до інтерфейсу АТА накопичувачів СD-RОМ і стримерів (а

так само інших пристроїв) недостатньо набору регістрів і системи команд АТА. Для

них існує апаратно-програмний інтерфейс АТАРІ. Пристрій АТАРІ підтримує

мінімальний набір команд АТА, що необмежено розширюється 16-байтним

командним пакетом, що посилаються хост - контролером у регістр дані пристрої по

команді Расket. Структура командного пакета прийшла від SСSI, що забезпечує

схожість драйверів для пристроїв з SСSI й АТАРІ. Класифікація пристроїв

збігається із прийнятої в SСSI, клас пристрою повідомляється їм на початку блоку

параметрів ідентифікації.

Інтерфейс АТАРІ може використовуватися з неінтелектуальними адаптерами

АТА, оскільки для хост - адаптера підтримка АТАРІ може виконуватися чисто

70

програмно. Складні контролери АТА, що мають кеш-пам'ять і власний процесор, не

орієнтовані на інтерфейс АТАРІ, можуть не догадатися, що в дані пристрої крім

512-байтних блоків даних можна записувати 16-байтний блок з командним пакетом.

71

Тема 9. Інтерфейси SCSI. Хост – адаптер SCSI. Термінатори.

План:

1. Шина SCSI.

2. Хост – адаптер SCSI.

3. Термінатори.

Література:[3, стор.243-264, 4. стор.114-128]

Питання для самоконтролю:

1. Що таке шина SCSI?

2. Що називається пристроєм SCSI?

3. Що являє собою інтерфейс з точки зору фізичної реалізації?

4. Як з являлись специфікації SCSI?

5. Що таке термінатори?

6. Адреса шини SCSI.

7. Що таке хост – адаптер SCSI?

8. Як відбувається конфігурування хост – адаптера SCSI?

9. Що включають системні ресурси SCSI – адаптера?

Шина SCSI

Системний інтерфейс малих комп'ютерів SCSI (Small Computer System

Interface) був стандартизований в 1986 році. Інтерфейс призначений для з'єднання

пристроїв різних класів: пам'яті прямого (жорсткі диски) і послідовного доступу

(стрімери), CD – ROM, CD однократного й багаторазового запису, пристроїв

автоматичної зміни носіїв інформації, принтерів, сканерів, комунікаційних

пристроїв і процесорів. Пристроєм SCSI називається як хост – адаптер, що зв'язує

шину SCSI з якою-небудь внутрішньою шиною комп'ютера, так і контролер

цільового пристрою, за допомогою якого пристрій підключається до шини SCSI. З

погляду шини всі пристрої можуть бути рівноправними й бути як ініціаторами

обміну, так і цільовими пристроями (ЦП). До одного контролера може підключатися

кілька ПП, стосовно яких контролер може бути як внутрішнім, так і зовнішнім.

Широке поширення одержали ПП з убудованим контролером SCSI, до яких

відносяться накопичувачі на твердих магнітних дисках, CD - ROM, стрімери. Кожен

ЦП може містити до 8 незалежно адресованих логічних пристроїв (ЛП) зі своїми

номерами, що представляють ПП або їхні частини.

По фізичній реалізації інтерфейс є 8-бітною паралельною шиною з тактовою

частотою 5 МГц. Згодом (1991 р.) з'явилася специфікація - SCSI , що розширює

можливості шини. Тактова частота шини Fast SCSI-2 досягає 10 МГц, а Ultra SCSI-2

- 20 МГц. Розрядність даних може бути збільшена до 16 біт - ця версія називається

WIDE SCSI -2. Стандарт SCSI -2 визначає й 32-бітну версію інтерфейсу, але вартість

інтерфейсу стала б невиправдано високою. Специфікація SCSI -2 визначає систему

команд, що включає набір базових команд CCS, обов'язкових для всіх ПП, і

специфічних команд для периферії різних класів. Підтримка пристроями виконання

ланцюжків команд (до 256 команд) і незалежність роботи пристроїв друг від друга

спричиняють високу ефективність застосування SCSI у багатозадачних системах.

72

Можливість присутності на шині більше одного контролера (ініціатора обміну)

дозволяє забезпечити поділене використання периферії декількома комп'ютерами,

підключеними до однієї шини.

SCSI -3 - подальший розвиток стандарту, спрямований на збільшення

кількості пристроїв, що підключають, розширення системи команд і підтримку Р&P.

Як альтернатива паралельному інтерфейсу з'являється можливість застосування

послідовного, у тому числі волоконно-оптичного інтерфейсу зі швидкістю 100

Мбайт/с.

На кінцях кабелів обов'язково встановлюються термінатори, погоджені по

імпедансу з кабелем. Вони призначені для підтягування рівня сигналів ліній до

високого потенціалу. Термінатори служать і для запобігання відбиття сигналів від

кінців кабелю. По виконанню термінатори можуть бути внутрішніми (розміщені на

друкованій платі пристрою) і зовнішніми (установлювані на роз’ємі кабелю або

пристрою). По електричних властивостях розрізняють пасивні, активні й FPT-

термінатори. Термінатори вимагають живлення, для чого в інтерфейсі є спеціальні

лінії TERMPWR. У старих версіях SCSI термінатори використовувалися для

повернення рівня сигналів у пасивний стан: пристрої формували тільки активний

(низький) рівень, а потім «відпускали» лінії.

Кожен пристрій SCSI, підключений до шини, повинен мати свою унікальну

адресу, призначену при конфігуруванні. Для 8-бітної шини діапазон значень адреси

0-7, для 16-бітної - 0-15. Адреса задається попередньою установкою перемикачів або

джамперів. Для хост - адаптера можливо програмне конфігурування. Адресація

пристроїв на шині у фазах вибірки здійснюється через ідентифікатор SCSI ID, що

представляє адресу в позиційному коді.

Адреса визначає номер тієї лінії шини даних, що здійснює вибірку даного

пристрою. Для ЦП значення ідентифікатора визначає пріоритет пристрою при

використанні шини, найбільший пріоритет має пристрій з більшим значенням

адреси.

У будь-який момент обмін інформацією із шини може відбуватися тільки між

парою пристроїв. Операцію починає ініціатор обміну, цільовий пристрій її виконує.

Інформація із шини даних передається побайтно (послівно) асинхронно,

використовуючи механізм запитів (REQuest) і підтверджень (ACKnowledge). Кожен

байт контролюється на непарність (крім фази арбітражу), але може бути

відключений. Інтерфейс має можливість синхронної передачі даних, що прискорює

обмін.

Хост-адаптер SCSI

Хост-адаптер є найважливішим вузлом інтерфейсу, що визначає

продуктивність системи SCSI. Існує широкий спектр адаптерів. До найпростішого

можна підключати тільки пристрої, некритичні до продуктивності.

Високопродуктивні адаптери мають власний спеціалізований процесор, великий

обсяг буферної пам'яті й використовують високоефективні режими прямого

керування шиною для доступу до пам'яті комп'ютера. Адаптери SCSI існують для

всіх шин. Ряд системних плат мають убудований SCSI - адаптер, підключений до

однієї з локальних шин. При виборі інтерфейсу, до якого підключається хост-

адаптер, враховується продуктивність - інтерфейс не повинен стати вузьким місцем

при обміні з високопродуктивними пристроями SCSI. Найбільшу ефективність

мають хост - адаптери для шини РС.

73

Конфігурування хост - адаптерів з погляду шини SCSI не відрізняється від

конфігурування інших пристроїв. Для сучасних адаптерів замість джамперів

використовується програмне конфігурування. Утиліта конфігурування звичайно

входить у розширення ВIОS, установлене на платі адаптера, і запрошення до її

виклику виводиться на екран під час РОST.

Як і всяка карта розширення, хост - адаптер повинен бути зконфігурований і з

погляду шини розширення, до якої він підключається. Системні ресурси для

шинного SCSI - адаптера включають:

• область пам'яті для розширення RОМ ВIОS необхідного для підтримки

конфігурування пристроїв і дискових функцій;

• область поділюваної буферної пам'яті;

• область портів вводу-виводу (I/О рогt);

• IRQ - запит переривання;

• DМА - канал прямого доступу до пам'яті часто використовується для захвату

керування шиною.

Термінатори

У перекладі з англійського термінатора - це кінцеве навантаження.

Термінатори доводиться встановлювати на кінцях інтерфейсних ліній зв'язку в тих

випадках, коли довжина хвилі електромагнітного сигналу, переданого по лінії,

виявляється порівняною з довжиною самої лінії.

Кожна довга лінія (однорідна) характеризується своїм хвильовим опором, або

характеристичним імпедансом. Якщо лінію на кінці навантажити резистором, опір

якого дорівнює імпедансу лінії, то відбиття від цього кінця не буде, а весь сигнал

поглинеться навантаженням. Це випадок повного узгодження навантаження з

лінією. Якщо повного узгодження не відбудеться, то буде відбиття, величина й знак

яких залежать від того, у яку сторону й наскільки не узгоджене навантаження на

лінії.

Ця шина споконвічно розроблялася для зв'язку пристроїв кабелем, довжина

якого може доходити до 25 метрів (це не АТА з півметровим шлейфом). Частота

передачі становить 5, 10, 20, 40 й 80 мегатранзакцій у секунду. У шині SCSI завжди

потрібна установка термінаторів, і відповідно до визначення цього слова вони

повинні встановлюватися на кінцях фізичних ліній. Термінатори повинні бути

погоджені по імпедансу з кабелем.

74

Модуль 3. Класифікація та порівняльні характеристики

мікропроцесорів.

Тема 1. Загальний огляд мікропроцесора. Основні параметри процесорів.

Режими роботи процесора.

План:

1. Загальний огляд мікропроцесора.

2. Основні параметри процесорів.

3. Режими роботи процесора.

Література:[5, стор.111-123]

Питання для самоконтролю:

1. Що таке процесор?

2. Які ви знаєте фірми – виробники процесорів?

3. Як маркуються процесори?

4. Які основні характеристики процесорів?

5. Які ви знаєте режими роботи процесора?

6. В якому режимі роботи процесора є можливість підтримки мультизадачного

режиму?

Процесори

«Серце» материнської плати - процесор, точніше, головний процесор (Central

Processing Unit, CPU). Подібні процесори перебувають не тільки в PC. Процесором,

загалом кажучи, обладнані кожна сучасна пральна машина або мікрохвильова піч.

CPU регулює, управляє й контролює робочий процес. На материнській платі є,

природно, не тільки процесор. Він перебуває в постійній взаємодії з іншими

елементами материнської плати доти, поки РС включений.

Звичайно ж, процесори відрізняються друг від друга. На ринку РС є визнаний

лідер - фірма Intel, що є (і була) "домашнім" й "двірським" постачальником CPU для

IВМ - сумісних РС. Основним конкурентом Intel є корпорація АМD (Advanced Micro

Devices), що останнім часом помітно потіснила Intel на ринку CPU, призначених для

недорогих РС. Випускають CPU й інші фірми. Найбільш відомі з них Cyrix, Centaur,

IDT, Rise. Улітку 1998 р. корпорація VIA Technologies, що успішно конкурує з Intel

в області розробки й виробництва Chipset, придбала компанії Cyrix (у корпорації

National Semiconductor) і Centaur (в IDT) і приступилася до розробки власних CPU.

Процесори, як і всі електричні схеми, підрозділяються по типах. Для РС

позначення CPU починається з 80, потім випливають дві або три цифри, які при

необхідності доповнюються буквами або цифрами, що вказують тактову частоту

процесора.

Перед позначенням типу процесора найчастіше є скорочення, що ідентифікує

виготовлювача. Наприклад, маркування i80486DХ-50 указує процесор типу 80486,

виготовлений фірмою Intel, що працює на тактовій частоті 50 МГц. Мікросхеми

фірми АМD маркіруються префіксом АМD, а процесори Cyrix - СХ. При запуску РС

ці букви з'являються на екрані монітора перед номером типу процесора. Процесори

75

інших виробників, установлені не як CPU, уже важко ідентифікувати. Позначення

"80" перед ім'ям процесора часто не вказується.

Основні характеристики процесорів

Продуктивність CPU характеризується наступними основними параметрами:

Ступінь інтеграції

Внутрішня й зовнішня розрядність оброблюваних даних

Тактова частота

Пам'ять, до якої може адресуватися CPU

Обсяг установленої кеш-пам'яті

Крім того, CPU розрізняються за технологією виробництва, напрузі живлення,

формі-факторові й ін.

Сучасні CPU, починаючи з CPU Pentium, розрізняються наявністю кэш -

пам'яті другого (третього) рівня й тактовою частотою її функціонування,

застосуванням різних технологій, покликаних підвищити продуктивність CPU,

підтримкою різної тактової частоти системної шини й ін.

Ступінь інтеграції

Ступінь інтеграції мікросхеми (чипа) показує, скільки транзисторів може в ній

уміститися. Для процесора Pentium (80586) Intel — це приблизно 3 млн

транзисторів, розташованих на площі 3,5 см2, а для CPU Athlon — уже 22 млн.

Фахівці Intel вважають, що якщо розвиток мікропроцесорної індустрії буде

тривати колишніми темпами, то, цілком можливо, до 2011 р. мікропроцесори Intel

будуть працювати на тактовій частоті 10 ГГц. При цьому, на кожному такому

процесорі може перебувати до 1 млрд транзисторів.

Внутрішня розрядність даних

Однією з основних характеристик процесора є кількість біт, що він може

обробляти одночасно. Для примітивних арифметичних команд, що виконуються

усередині CPU, важливо, скільки біт можуть оброблятися одночасно: 16, 32 або 64.

Зовнішня розрядність даних

Процесор управляє системою, обмінюючись даними з кеш-пам'яттю, RAM й

іншими пристроями по спеціальних магістралях, називаним шинами.

Найважливішими характеристиками шини є її розрядність і тактова частота, тому

що вони визначають кількість біт інформації в секунду, які теоретично можна

передавати по шині, - пропускну здатність шини.

Тактова частота сучасних процесорів перевищила 1 ГГц, а тактова частота

системної шини становить, як правило, 100 й 133 МГц, тому розрядність системної

шини важлива для ефективної роботи CPU.

Розрядність процесора визначається внутрішньою, а не зовнішньою

розрядністю даних. Наприклад, хоча CPU Pentium може одночасно

пересилати/одержувати 64 біта даних, він є 32-бітним, тому що може обробити

одночасно тільки 32 біта.

Тактова частота

Любий сучасний РС має тактовий генератор (System Clock), що синхронізує

роботу різних його компонентів. Мінімальний проміжок часу, обумовлений

тактовим генератором, ще називають циклом. Частота роботи тактового генератора

FSB виміряється в мегагерцах (мільйон циклів у секунду).

Перші РС мали один тактовий генератор, що із частотою 8 МГц синхронізував

роботу процесора, пам'яті й шини вводу/виводу. З розвитком РС виникла

76

необхідність у використанні декількох тактових генераторів. Як правило, сучасні РС

обладнані 4-5 тактовими генераторами, що працюють синхронно на різних частотах.

Коли говорять про тактову частоту системи, то завжди мають на увазі тактову

частоту системної шини. Тактові частоти всіх інших компонентів РС є кратними

частоті системної шини. Таким чином, продуктивність всієї системи в цілому

залежить від тактової частоти системної шини.

Збільшення тактової частоти системної шини звичайно дає більший

позитивний ефект для підвищення швидкодії системи, чим збільшення тактової

частоти CPU, тому що CPU пропускає велику кількість циклів чекаючи інформацію

від більш повільних пристроїв, одним з них є системна шина.

Адресація пам'яті

CPU перебуває в прямому контакті з оперативною пам'яттю РС. Дані, які

обробляє CPU, повинні тимчасово розташовуватися в RАМ і для подальшої обробки

знову можуть бути затребувані з пам'яті. Представте оперативну пам'ять як

маленьке місто, у якому кожен будинок (комірка пам'яті) має окрему адресу. При

цьому транспортний сервіс може цілеспрямовано віддавати й завозити листа,

посилки й т.п. Дорогою є адресна шина. Адресна шина являє собою набір

провідників, по яких передається інформація про місце розташування даних у тій

або іншій області пам'яті.

Ширина адресної шини визначає кількість комірок, до яких може звернутися

CPU для читання або запису. Ширина адресної шини й ширина шини даних не

зв'язані, хоча ці шини працюють із однаковою тактовою частотою.

Як правило, процесори можуть адресувати набагато більше пам'яті, чим

фактично встановлено (і може бути встановлено) на материнській платі, що

пов'язано з конструктивними й технологічними особливостями виробництва

материнських плат. Наприклад, CPU Pentium теоретично може адресувати 4 Гбайт

оперативної пам'яті, але навіть сучасні материнські плати з Chipset 440ВХ

забезпечують роботу лише 540 Мбайт.

Режими роботи процесора

Реальний режим

Реальний режим (Real Mode) відповідає можливостям CPU 8086/8088

дозволяючи адресувати не більше 1 Мбайт пам'яті.

Щоб підтримати сумісність із раніше розробленими програмами, процесори

286 і Pentium працюють під керуванням операційної системи МS-DOS у реальному

режимі й використовують при цьому, звичайно ж, мінімальні можливості процесора.

Захищений режим

Захищений режим (Protected Mode) з'явився вперше в CPU 80286. У цьому

режимі CPU може адресувати до 16 Мбайт фізичної й до 1 Гбайт віртуальної пам'яті.

Якщо фізична пам'ять повністю завантажена, то дані, що не помістилися на згадку,

розташовуються на вінчестері. Таким чином, CPU працює не з реальними, а з

віртуальними адресами, які управляються за допомогою спеціальних таблиць, щоб

інформацію можна було знайти (або знову записати). Цю пам'ять називають ще

віртуальною пам'яттю тому, що фактично вона не існує.

Крім того, у захищеному режимі можлива підтримка мультизадачного режиму

(Multitasking). При цьому CPU може виконувати різні програми у виділені кванти

часу, відведені кожній із програм (користувачеві ж здається, що програми

виконуються одночасно).

77

Віртуальний режим

Уперше, починаючи із процесора 386, CPU можуть эмулювати роботу

декількох процесорів 8086 (максимум 256) і, тим самим, забезпечити

багатокористувачевий режим так, щоб на одному РС можна було запустити

одночасно навіть різні операційні системи. Природно, збільшується й можлива

кількість виконуваних додатків.

78

Тема 2. Швидкодія процесора. Тактова частота процесора та маркування

тактової частоти системної шини.

План:

1. Швидкодія процесора.

2. Тактова частота процесора.

3. Маркування тактової частоти системної шини.

Література:[ 8, стор. 80-87]

Питання для самоконтролю:

1. Що таке швидкодія?

2. Що таке період тактової частоти?

3. Що таке цикл очікування?

4. Як розрізняється час, що відведений на виконання команд в різних типах

процесорів?

5. Що таке індекс iCOMP?

6. Дайте коротку характеристику тактової частоти процесору.

7. Що називається розгоном процесору?

Швидкодія процесора

Швидкодія— це одна з характеристик процесора, яку часто тлумачать по-

різному.

Швидкодія комп'ютера багато в чому залежить від тактової частоти, зазвичай

вимірюваної в мегагерцах (МГц). Вона визначається параметрами кварцевого

резонатора, що є кристалом кварцу, ув'язнений в невеликий олов'яний контейнер.

Під впливом електричної напруги в кристалі кварцу виникають коливання

електричного струму з частотою, яка визначається формою і розміром кристала.

Частота цього змінного струму і називається тактовою частотою. Мікросхеми

звичайного комп'ютера працюють на частоті декількох мільйонів герц. (Герц —

одне коливання в секунду.) Швидкодія вимірюється в мегагерцах, тобто в мільйонах

циклів в секунду. На мал. показаний графік синусоїдального сигналу.

Найменшою одиницею вимірювання часу (квантом) для процесора як

логічного пристрою є період тактової частоти, або просто такт. На кожну

операцію витрачається мінімум один такт. Наприклад, обмін даними з пам'яттю

процесор Pentium II виконує за три такти плюс декілька циклів очікування. (Цикл

79

очікування — це такт, в якому нічого не відбувається; він необхідний тільки для

того, щоб процесор не "тікав" вперед від менш швидкодіючих вузлів комп'ютера.)

Розрізняється і час, що витрачається на виконання команд.

• 8086 і 8088. У цих процесорах на виконання однієї команди йде приблизно

12 тактів.

• 286 і 386. Ці процесори зменшили час на виконання команд приблизно до

4,5 тактів.

• Процесор 486 і велика частина Intel - сумісних процесорів четвертого

покоління, таких, як AMD 5x86, зменшили цей параметр до 2 тактів.

• Серія Pentium, К6. Архітектура процесорів Pentium і інших Intel - сумісних

процесорів п'ятого покоління, створених в AMD і Cyrix, що включає подвійні

конвейєри команд і інші удосконалення, забезпечила виконання однієї або двох

команд за один такт.

• Pentium Pro, Pentium ІІ/ІІІ/Celeron і Athlon/Duron. Процесори класу Р6, а

також інші процесори шостого покоління, створені компаніями AMD і Cyrix,

дозволяють виконати мінімум три команди за один такт.

Різна кількість тактів, необхідних для виконання команд, ускладнює

порівняння продуктивності комп'ютерів, засноване тільки на їх тактовій частоті

(тобто кількості тактів в секунду). Чому при одній і тій же тактовій частоті один

процесор працює швидше за інший? Причина криється в продуктивності.

Процесор 486 володіє вищою швидкодією в порівнянні з 386-им, оскільки для

виконання команди йому потрібно в середньому в два рази менше тактів, чим 386-у.

А процесору Pentium — в два рази менше тактів, чим 486-у. Таким чином, процесор

486 з тактовою частотою 133 МГц (типу AMD 5x86-133) працює навіть повільніше,

ніж Pentium з тактовою частотою 75 МГц! Це відбувається тому, що при одній і тій

же частоті Pentium виконує удвічі більше команд, чим процесор 486. Pentium II і

Pentium III — приблизно на 50% швидше за процесор Pentium, що працює на тій же

частоті, тому що вони можуть виконувати значно більше команд протягом тієї ж

кількості циклів.

Порівнюючи відносну ефективність процесорів, можна побачити, що

продуктивність Pentium III, що працює на тактовій частоті 1000 МГц, теоретично

рівна продуктивності Pentium, що працює на тактовій частоті 1500 МГц, яка, у свою

чергу теоретично рівна продуктивності процесора 486, що працює на тактовій

частоті 3000 МГц, а вона, у свою чергу, теоретично рівна продуктивності процесорів

386 або 286, що працюють на тактовій частоті 6000 МГц, або ж 8088-го, такого, що

працює на тактовій частоті 12000 МГц. Якщо врахувати, що первинний PC з

процесором 8088 працював на тактовій частоті, рівній всього лише 4,77 МГц, то

сьогоднішні комп'ютери більш ніж в 1,5 тис. разів швидше в порівнянні з ним. Тому

не можна порівнювати продуктивність комп'ютерів, грунтуючись тільки на тактовій

частоті; необхідно приймати до уваги те, що на ефективність системи впливають і

інші чинники.

Оцінювати ефективність центрального процесора досить складно. Центральні

процесори з різною внутрішньою архітектурою виконують команди по-різному:

одні і ті ж команди в різних процесорах можуть виконуватися або швидше, або

повільніше. Щоб знайти задовільну міру для порівняння центральних процесорів з

різною архітектурою, що працюють на різних тактових частотах, Intel винайшла

специфічний ряд еталонних тестів, які можна виконати на мікросхемах Intel, щоб

80

зміряти відносну ефективність процесорів. Ця система тестів недавно була

модифікована для того, щоб можна було вимірювати ефективність 32-розрядних

процесорів; вона називається індексом (або показником) iCOMP2.0 (intel

Comparative Microprocessor Performance — порівняльна ефективність

мікропроцесора Intel). В даний час використовується третя версія цього індексу—

iCOMP 3.0.

Індекс iCOMP 2.0 обчислюється за наслідками декількох незалежних

випробувань і досить об'єктивно характеризує відносну продуктивність процесора.

При підрахунку iCOMP враховуються операції з плаваючою комою і операції,

необхідні для виконання мультимедійних додатків.

Не так давно компанія Intel анулювала індекс iCOMP 2.0 і випустила його

нову версію — індекс iCOMP 3.0. Ця версія є оновленим еталонним тестом, що

враховує все зростаюче використання тривимірної графіки, мультимедійних засобів,

технологій і програмного забезпечення Internet, а також обробку могутніх потоків

даних і додатки, використовувані для інтенсивних обчислень. Індекс ICOMP 3.0, по

суті, об'єднує в собі шість еталонних тестів: WinTune 98 Advanced CPU Integer,

CPUMark 99, 3D WinBench 99-3D, MultimediaMark 99, Jmark 2.0 і WinBench 99-FPU

WinMark. У результатах нових тестів враховується набір команд SSE (потокові

розширення SIMD), а також додаткові команди для обробки графіки і звуку,

використовувані в Pentium III. Результати, одержані при тестуванні серії процесорів

Pentium III без урахування нового набору команд, будуть такими ж, як і для Pentium

II, що працюють на аналогічній тактовій частоті.

У таблиці 6 приведені індекси iCOMP 3.0 сімейства нових процесорів Intel

Pentium III.

Тактова частота процесора і маркування тактової частоти системної плати

Майже всі сучасні процесори, починаючи з 486DX2, працюють на тактовій

частоті, яка рівна множенню деякого множника на тактову частоту системної плати.

Наприклад, процесор Сeleron 600 працює на тактовій частоті, що в дев'ять разів

перевищує тактову частоту системної плати (66 МГц), а Pentium III 1000 — на

тактовій частоті, що в сім з половиною разів перевищує тактову частоту системної

плати (133 МГц). Більшість системних плат працювали на тактовій частоті 66 МГц;

саме таку частоту підтримували всі процесори Intel до початку 1998 року, і лише

недавно ця компанія розробила процесори і набори мікросхем системної логіки, які

можуть працювати на системних платах, розрахованих на 100 МГц. Деякі процесори

компанії Cyrix розроблені для системних плат, розрахованих на 75 МГц, і багато

системних плат, призначених для Pentium, також можуть працювати на цій частоті.

Зазвичай тактову частоту системної плати і множник можна встановити за

81

допомогою перемичок або інших процедур конфігурації системної плати

(наприклад, за допомогою вибору відповідних значень в програмі установки

параметрів BIOS).

В кінці 1999 року з'явилися набори мікросхем і системні плати з тактовою

частотою 133 МГц, що підтримують всі сучасні версії процесора Pentium III. В цей

же час компанія AMD випустила системні плати Athlon і набори мікросхем з

тактовою частотою 100 МГц, що використовують технологію подвоєної передачі

даних. Це дозволило збільшити швидкість передачі даних між процесором Athlon і

основним набором мікросхем North Bridge до 200 МГц.

До 2001 року швидкодія шин процесорів AMD Athlon і Intel Itanium

збільшилася до 266 МГц, а шини процесора Pentium 4 — до 400 МГц.

Чому в могутньому процесорі Itanium використовується повільніша в

порівнянні з Pentium 4 шина центрального процесора? Відповідь, швидше за все,

полягає в тому, що ці компоненти були створені абсолютно різними групами

розробників з різними цілями і завданнями. Процесор Itanium, розроблений спільно

з компанією HP (Hewlett Packard), був призначений для використання пам'яті з

подвоєною швидкістю передачі даних (DDR), яка, у свою чергу, працює на більш

відповідною для сімейства серверів тактовій частоті 266 МГц. Відповідність

швидкості шини центрального процесора і шини пам'яті дозволяє досягти

найбільшої швидкодії, тому система, яка використовує DDR SDRAM, працює

краще, якщо тактова частота шини CPU (центрального процесора) також рівна 266

МГц.

Pentium 4 розроблявся для використання RDRAM, отже, швидкодія системної

шини відповідає швидкості RDRAM.

Швидкодія шини, як і будь-якого процесора, випущеного компанією Intel, в

майбутньому може змінитися.

У сучасних комп'ютерах використовується генератор змінної частоти,

зазвичай розташований на системній платі; він генерує опорну частоту для

системної плати і процесора. На більшості системних плат процесорів Pentium

можна встановити одне з трьох або чотирьох значень тактової частоти. Сьогодні

випускається безліч версій процесорів, що працюють на різних частотах, залежно

від тактової частоти конкретної системної плати. Наприклад, швидкодія більшості

процесорів Pentium у декілька разів перевищує швидкодію системної плати.

За інших рівних умов (типах процесорів, кількості циклів очікування при

зверненні до пам'яті і розрядності шин даних) два комп'ютери можна порівнювати

по їх тактових частотах. Проте робити це слід обережно: швидкодія комп'ютера

залежить і від інших чинників (зокрема, від тих, на які впливають конструктивні

особливості пам'яті). Наприклад, комп'ютер з нижчою тактовою частотою може

працювати швидше, ніж ви чекаєте, а швидкодія системи з вищим значенням

номінальної тактової частоти буде нижча, ніж слідувало б. Визначальним чинником

при цьому є архітектура, конструкція і елементна база оперативної пам'яті системи.

Під час виготовлення процесорів проводиться тестування при різних тактових

частотах, значеннях температури і тиску. Після цього на них наноситься

маркування, де указується максимальна робоча частота у всьому

використовуваному діапазоні температур і тиску, який може зустрітися в звичайних

умовах.

82

У деяких системах можна встановити велику робочу частоту процесора; це

називається розгоном (overclocking). Після установки великих значень частоти

процесора збільшується і його швидкодія. Практично всі типи процесорів мають так

званий "технологічний запас" безпечного збільшення тактової частоти. Наприклад,

процесор 800 МГц може працювати на частоті 900 МГц і вище. Слід зазначити, що

при розгоні процесора знижується стійкість його роботи.

Більшість сучасних процесорів Intel (починаючи з Pentium II) мають

фіксований коефіцієнт множення частоти, тобто будь-яка зміна перемикача цього

параметра на системній платі не надасть ніякої дії на процесор. Це робиться, щоб

запобігти перемаркування процесорів шахраями. Залишається лише один спосіб

розгону — зміна частоти системної шини.

Проте і тут є одна особливість. Багато системних плат Intel підтримують

стандартні значення частоти системної шини: 66, 100 і 133 МГц. Крім того, при

приміщенні процесора в роз'єм системної плати всі необхідні параметри частот

встановлюються автоматично, тому змінити що-небудь неможливо.

Навіть якщо змінити положення перемикача з 66 на 100 або 133 МГц,

процесор не працюватиме стійко. Наприклад, Pentium ІІІ 800Е працює з

коефіцієнтом 8х при частоті шини 100 МГц. При установці частоти шини 133 МГц,

процесор повинен працювати на частоті 8x133=1066 МГц. Проте стійкість роботи

цього процесора на такій частоті викликає сумніви. Аналогічно, Celeron 600E

працює за схемою 9x66 МГц, зміну частоти шини до 100 МГц приведе до того, що

цей процесор буде вимушений працювати на частоті 900 МГц, а це дуже небезпечно

для нього.

Багато системних плат розраховано на великий діапазон частот системної

шини. Наприклад, плата Аsus P3V4X підтримує наступні частоти системної шини:

66, 75, 83, 90, 95, 100, 103, 105, 110, 112, 115, 120, 124, 133, 140 і 150 МГц.

Встановивши в цю плату процесор Pentium ІІІ 800Е, можна плавно збільшувати

частоту системної шини.

Зазвичай допускається 10-20%-ное збільшення частоти системної шини без

наслідків для процесора, тобто таке збільшення не позначається на стабільності

роботи системи.

Існує ще один спосіб розгону, при якому збільшуються параметри напруги

живлення процесора. Всі роз'єми Slot 1, Slot A, Socket 8, Socket 370 і Socket А

автоматично визначають тип встановленого процесора і самостійно встановлюють

необхідну напругу живлення. У більшості системних плат (особливо це стосується

продукції компанії Intel) змінити ці значення уручну неможливо. Але інші

виробники допускають ручну зміну напруги. Наприклад, вже згадувана плата Аsus

P3V4X дозволяє встановлювати напругу живлення з точністю до десятих вольта.

Змінюючи цей параметр, необхідно пам'ятати про те, що збільшення напруги в

кращому разі може порушити стабільну роботу системи, а в гіршому — вивести

процесор з ладу. Якщо все-таки зважилися на розгін, спочатку поекспериментуйте із

значеннями частот системної шини і лише потім пробуйте змінювати напругу

живлення. Також пам'ятаєте, що для розгону необхідні комплектуючі (системна

плата, пам'ять і особливо корпус і вентилятори системи охолоджування) відомих

виробників. Не забудьте також встановити додаткові тепловідводи на процесор і

додаткові вентилятори (якщо дозволяє конструкція) усередині корпусу системи.

83

Тема 3. Шина даних процесора. Внутрішні регістри. Шина адреси.

План:

1. Шина даних процесора.

2. Внутрішні регістри.

3. Шина адреси.

Література:[ 8, стор. 91-93]

Питання для самоконтролю:

1. Що таке шина?

2. Які шини має кожен процесор?

3. Що таке розрядність шини даних?

4. Що називається регістром?

5. Для чого необхідні внутрішні регістри?

6. Що таке шина адреси?

7. Що визначає розрядність шини адреси?

Шина даних

Однією з найзагальніших характеристик процесора є розрядність його шини

даних і шини адреси. Шина — це набір з'єднань, по яких передаються різні сигнали.

Уявіть собі пару проводів, прокладених з одного кінця будівлі в іншій. Якщо ви

під'єднаєте до цих проводів генератор напруги в 220 В, а уздовж лінії розставите

розетки те вийде шина. Незалежно від того, в яку розетку буде вставлена вилка, ви

завжди одержите один і той же сигнал, в даному випадку — 220 В змінного струму.

Будь-яку лінію передачі (або середовище для передачі сигналів), що має більш за

один вивід, можна назвати шиною. У звичайному комп'ютері є декілька внутрішніх і

зовнішніх шин, а в кожному процесорі — дві основні шини для передачі даних і

адрес пам'яті: шина даних і шина адреси.

Коли говорять про шину процесора, найчастіше мають на увазі шину даних,

представлену як набір з'єднань (або виводів) для передачі або прийому даних. Чим

більше сигналів одночасно поступає на шину, тим більше даних передається по ній

за певний інтервал часу і тим швидше вона працює. Розрядність шини даних

подібна до кількості смуг руху на швидкісній автомагістралі; точно так, як і

збільшення кількості смуг дозволяє збільшити потік машин по трасі, збільшення

розрядності дозволяє підвищити продуктивність.

Дані в комп'ютері передаються у вигляді цифр через однакові проміжки часу.

Для передачі одиничного біта даних в певний часовий інтервал посилається сигнал

напруги високого рівня (близько 5 В), а для передачі нульового біта даних — сигнал

напруги низького рівня (близько 0 В). Чим більше ліній, тим більше бітів можна

передати за один і той же час. У процесорах 286 і 386SX для передачі і прийому

двійкових даних використовується 16 з'єднань, тому у них шина даних вважається

16-розрядною. У 32-розрядного процесора, наприклад 486 або 386DX, такі з'єднань

удвічі більше, тому за одиницю часу він передає удвічі більше даних, чим 16-

розрядний. Сучасні процесори типу Pentium мають 64-розрядні зовнішні шини

даних. Це означає, що процесори Pentium, включаючи оригінальний Pentium,

84

Pentium Pro і Pentium II, можуть передавати в системну пам'ять (або одержувати з

неї) одночасно 64 біти даних.

Уявимо собі, що шина — це автомагістраль з рухомими по ній автомобілями.

Якщо автострада має всього по одній смузі рухи в кожну сторону, то по ній в

одному напрямі в певний момент часу може проїхати тільки одна машина. Якщо ви

хочете збільшити пропускну спроможність дороги, наприклад, удвічі, вам

доведеться її розширити, додавши ще по одній смузі руху в кожному напрямі. Таким

чином, 8 - розрядну мікросхему можна представити у вигляді односмугової

автомагістралі, оскільки в кожен момент часу по ній проходить тільки один байт

даних (один байт рівний восьми бітам). Аналогічно, 32-розрядна шина даних може

передавати одночасно чотири байти інформації, а 64-розрядна подібна до

швидкісної автостради з вісьма смугами руху!

Автомагістраль характеризується кількістю смуг руху, а процесор —

розрядністю його шини даних. Якщо в керівництві або технічному описі мовиться

про 32- або 64-розрядний комп'ютер, то зазвичай мається на увазі розрядність шини

даних процесора. По ній можна приблизно оцінити продуктивність процесора, а

значить, і всього комп'ютера.

Розрядність шини даних процесора визначає також розрядність банку пам'яті.

Це означає, що 32-розрядний процесор, наприклад класу 486, прочитує з пам'яті або

записує в пам'ять 32 бита одночасно. Процесори класу Pentium, включаючи Pentium

III і Сеleron, прочитують з пам'яті або записують в пам'ять 64 бита одночасно.

Оскільки стандартні 72-контактні модулі пам'яті SIMM мають розрядність, рівну

всього лише 32, більшості систем класу 486 встановлюють по одному модулю, а в

більшості систем класу Pentium — по два модулі одночасно. Розрядність модулів

пам'яті DIMM рівна 64, тому в системах класу Pentium встановлюють по одному

модулю, що полегшує процес конфігурації системи, оскільки ці модулі можна

встановлювати або видаляти поодинці. Кожен модуль DIMM має таку ж

продуктивність, як і цілий банк пам'яті в системах Pentium.

Внутрішні регістри

Кількість бітів даних, які може обробити процесор за один прийом,

характеризується розрядністю внутрішніх регістрів. Регістр — це, по суті, елемент

пам'яті усередині процесора; наприклад, процесор може складати числа, записані в

двох різних регістрах, а результат зберігати в третьому регістрі. Розрядність регістра

визначає кількість розрядів оброблюваних процесором даних, а також

характеристики програмного забезпечення і команд, що виконуються чипом.

Наприклад, процесори з 32-розрядними внутрішніми регістрами можуть виконувати

32-розрядні команди, які обробляють дані 32-розрядними порціями, а процесори з

16-розрядними регістрами цього робити не можуть. У всіх сучасних процесорах

внутрішні регістри є 32-розрядними. Процесор Itanium має 64-розрядні внутрішні

регістри, які необхідні для повнішого використання функціональних можливостей

нових версій операційних систем і програмного забезпечення.

У деяких процесорах розрядність внутрішньої шини даних (а шина

складається з ліній передачі даних і регістрів) більша, ніж розрядність зовнішньої

шини. Так, наприклад, в процесорах 8088 і 386SX розрядності внутрішньої шини

тільки удвічі більше розрядності зовнішньої. Такі процесори (їх часто називають

половинчастими або гібридними) зазвичай є дешевшими варіантами результатних.

Наприклад, в процесорі 386SX внутрішні операції 32-розрядні, а зв'язок із зовнішнім

85

світом здійснюється через 16-розрядну зовнішню шину. Це дозволяє розробникам

проектувати відносно дешеві системні плати з 16-розрядною шиною даних,

зберігаючи при цьому сумісність з 32-розрядним процесором 386.

Якщо розрядність внутрішніх регістрів більше розрядності зовнішньої шини

даних, то для їх повного завантаження необхідно декілька циклів зчитування.

Наприклад, в процесорах 186DX і 386SX внутрішні регістри 32-розрядні, але

процесору 386SX для їх завантаження необхідно виконати два цикли зчитування, а

процесору 386DX досить одного. Аналогічно передаються дані від регістрів до

системної шини.

У процесорах Pentium шина даних 64-розрядна, а регістри 32-розрядні. Така

побудова на перший погляд здається дивною, якщо не враховувати, що в цьому

процесорі для обробки інформації служать два 32-розрядні паралельні конвейєри.

Pentium багато в чому подібний до двох 32-розрядних процесорів, об'єднаних в

одному корпусі, а 64-розрядна шина даних дозволяє швидше заповнити робочі

регістри. Архітектура процесора з декількома конвейєрами називається

суперскалярною.

Сучасні процесори шостого покоління, наприклад Pentium Pro і Pentium II/Ш

мають цілих шість внутрішніх конвейєрів для команд, що виконуються. Хоча деякі з

наданих внутрішніх конвейєрів спеціалізовані (тобто призначені для виконання

спеціальних функцій), ці процесори можуть все ж таки виконувати три команди за

один цикл. У версії процесора Itanium використовуються 10-ступінчасті паралельні

конвейєри, які дозволяють виконувати до 20 операцій протягом одного такту.

Шина адреси

Шина адреси є набором провідників; по ним передається адреса елементу

пам'яті, в яку або з якої пересилаються дані. Як і в шині даних, по кожному

провідникові передається один біт адреси, відповідний одній цифрі в адресі.

Збільшення кількості провідників (розрядів), використовуваних для формування

адреси, дозволяє збільшити кількість комірок, що адресуються. Розрядність шини

адреси визначає максимальний об'єм пам'яті, що адресується процесором.

Уявіть собі наступне. Якщо шина даних порівнювалася з автострадою, а її

розрядність — з кількістю смуг руху, то шину адреси можна асоціювати з

нумерацією будинків або вулиць. Кількість ліній в шині еквівалентно кількості цифр

в номері будинку. Наприклад, якщо на якійсь гіпотетичній вулиці номера будинків

не можуть складатися більш ніж з двох цифр (десяткових), то кількість будинків на

ній не може бути більше ста (від 00 до 99), тобто 102. При тризначних номерах

кількість можливих адрес зростає до 103 (від 000 до 999) і т.д.

У комп'ютерах застосовується двійкова система числення, тому при

дворозрядній адресації можна вибрати тільки чотири комірки (з адресами 00, 01, 10 і

11), тобто 22, при трьохрозрядній — вісім (від 000 до 111), тобто 2

3. Наприклад, в

процесорах 8086 і 8088 використовується 20-розрядна шина адреси, тому вони

можуть адресувати 220

(1 048 576) байт або 1 Мбайт пам'яті.

Шини даних і адреси незалежні, і розробники мікросхем вибирають їх

розрядність на свій розсуд, але, чим більше розрядів в шині даних, тим більше їх і в

шині адреси. Розрядність цих шин є показником можливостей процесора: кількість

розрядів в шині даних визначає здатність процесора обмінюватися інформацією, а

розрядність шини адреси — об'єм пам'яті, з яким він може працювати.

86

Тема 4. Режими роботи процесора. Реальній, захищений та віртуальний

режими.

План:

1. Реальний режим

2. Захищений режим

3. Віртуальний реальний режим

Література:[ 8.с.99..103]

Питання для самоконтролю:

1. Які бувають режими роботи процесора?

2. Призначення режимів роботи процесора.

3. Характеристика реального режиму процесора.

4. Робота захищеного режиму роботи процесора.

5. Робота віртуального режиму роботи процесора.

Всі 32-розрядні і більш пізніші процесори Intel, починаючи з 386-го, можуть

виконувати програми в декількох режимах. Режими процесора призначені для

виконання програм в різних середовищах. Залежно від режиму процесора

змінюється схема управління пам'яттю системи і завданнями.

Процесори можуть працювати в трьох режимах: реальному, захищеному і

віртуальному реальному режимі (реальному усередині захищеного).

Реальний режим

У першому IBM PC використовувався процесор 8088, який міг виконувати 16-

розрядні команди, застосовуючи 16-розрядні внутрішні регістри, і адресувати тільки

1 Мбайт пам'яті, використовуючи 20 розрядів для адреси. Все програмне

забезпечення PC спочатку було призначене для цього процесора; воно було

розроблене на основі 16-розрядної системи команд і моделі пам'яті об'ємом 1 Мбайт.

Процесор 286 був повністю сумісний з першим 8088 і міг виконувати всі 16-

розрядні програми точно так, як і 8088, але, звичайно ж, значно швидше.

Шістнадцятирозрядний режим, в якому виконувалися команди процесорів 8088 і

286, був названий реальним режимом. Всі програми, що виконуються в реальному

режимі, повинні використовувати тільки 16-розрядні команди, 20-розрядні адреси і

підтримуватися архітектурою пам'яті, розраховану на місткість до 1 Мбайт. Для

програмного забезпечення цього типу зазвичай використовується однозадачний

режим, тобто одночасно може виконуватися тільки одна програма.

Захищений режим

Першим 32-розрядним процесором, призначеним для PC, був 386-й. Цей чіп

міг виконувати абсолютно нову 32-розрядну систему команд. Щоб повністю

використовувати перевагу 32-розрядної системи команд, були необхідні 32-розрядна

операційна система і 32-розрядні додатки. Цей новий режим називався захищеним,

оскільки програми, що виконуються в ньому, захищені від перезапису своїх

областей пам'яті іншими програмами. Знаючи, що розробка нових операційних

систем і додатків, що використовують переваги 32-розрядного захищеного режиму,

займе якийсь час, Intel передбачила в процесорі 386 зворотньо сумісний реальний

режим. Завдяки цьому процесор 386 міг виконувати немодифіковані 16-розрядні

87

додатки. Причому вони виконувалися набагато швидше. Коли процесор, подібний

Pentium III, працює в реальному режимі, він нагадує "Turbo 8088". Слово "Turbo"

означає, що процесор має переваги в швидкодії при виконанні 16-розрядних

програм. Із-за опору користувачів 32-розрядні операційні системи, такі, як Uniх і її

різновиди (наприклад, Linux), OS/2 і Windows NT\2000 розповсюджувалися на

ринку персональних комп'ютерів досить мляво. Зі всіх перерахованих систем тільки

Windows 2000 стала по-справжньому широко поширеним програмним продуктом.

Процесор Itanium став первістком миру 64-розрядних можливостей. Цей процесор

також сумісний зі всім існуючим 32-розрядним програмним забезпеченням. Але для

того, щоб скористатися властивостями процесора в повному об'ємі, будуть потрібні

повноцінні 64-розрядні операційні системи і додатки. Компанія Microsoft вже

випустила 64-розрядні версії операційної системи Windows XP.

Віртуальний реальний режим

Для зворотної сумісності 32-розрядна система Windows 9x використовує

третій режим в процесорі — віртуальний реальний режим. Він, по суті, є режимом

виконання 16-розрядного середовища (реальний режим), яке реалізоване усередині

32-розрядного захищеного режиму (тобто віртуально, а не реально). Оскільки

захищений режим є достовірно багатозадачним, фактично можна виконувати

декілька сеансів реального режиму, причому в кожному сеансі власне програмне

забезпечення працює на віртуальному комп'ютері. І всі ці додатки можуть

працювати одночасно, навіть під час виконання інших 32-розрядних програм.

Всі процесори Intel (а також Intel-сумісні AMD і Cyrix) при включенні

живлення починають працювати в реальному режимі. При завантаженні 32-розрядна

операційна система автоматично перемикає процесор в 32-розрядний режим і

управляє ним в цьому режимі.

Деякі додатки DOS і Windows 9х ведуть себе непередбаченим чином, тобто

роблять речі, які не підтримуються навіть у віртуальному реальному режимі.

Діагностичне програмне забезпечення — прекрасний тому приклад: воно коректно

не працюватиме у вікні реального режиму (віртуального реального) під управлінням

Windows 95/98 або NT. Одне виключення — перші 64 Кбайт додаткової пам'яті в

реальному режимі доступні програмам. Це результат помилки в першому

комп'ютері IBM AT, пов'язаної з 21-ою лінією адреси пам'яті (А20, оскільки А0 —

перший рядок адреси). Управляючи сигналом на лінії А20, програмне забезпечення

реального режиму може діставати доступ до перших 64 Кбайт додаткової пам'яті —

це перші 64 Кбайт пам'яті, наступні за першим мегабайтом. Ця область пам'яті

називається областю верхніх адрес пам'яті (high memory area — НМА).

88

Тема 5. SMM. Технологія MMX. Інструкції SSE. 3DNow і Enhanced 3DNow.

Динамічне виконання. Архітектура подвійної незалежної шини.

План:

1. SMM.

2. Технологія MMX.

3. Інструкції SSE.

4. 3DNow і Enhanced 3DNow.

5. Динамічне виконання.

6. Архітектура подвійної незалежної шини.

Література:[ 8, стор. 103-114]

Питання для самоконтролю:

1. Визначення технології SMM?

2. Що таке суперскалярне виконання?

3. Ознака технології MMX?

4. Удосконалення MMX?

5. Визаначення інструкці SSE?

6. Перечислити переваги SSE?

7. Технологія 3DNow і Enhanced 3DNow?

8. Визначення динамічного виконання?

9. Перечислити 3 методи обробки данних у динамічному виконанні?

10. Робота архітектури подвійної незалежної шини?

SMM Задавшись метою створення все більш швидких і потужних процесорів для

портативних комп'ютерів, Intel розробила схему управління живленням. Ця схема

дає можливість процесорам економно використовувати енергію батареї і таким

чином продовжити термін її служби. Intel вперше реалізувала таку можливість в

процесорі 486SL, який є вдосконаленою версією процесора 486DX. Згодом, коли

можливості управління живленням стали більш універсальними, їх почали

вбудовувати в Pentium і у всі процесори пізніших поколінь. Система управління

живленням процесорів називається SMM (System Management Mode - режим

управління системою). SMM фізично інтегрована в процесор, але функціонує

незалежно. Завдяки цьому вона може управляти споживанням потужності, залежно

від рівня активності процесора. Це дозволяє користувачеві визначати інтервали

часу, після закінчення яких процесор буде частково або повністю вимкнений. Дана

схема також підтримує можливість припинення / відновлення, яка дозволяє миттєво

включати і відключати потужність, що звичайно використовується в портативних

комп'ютерах. Відповідні параметри встановлюються в BIOS.

Суперскалярне виконання

В процесорах Pentium п'ятого і подальших поколінь вбудований ряд

внутрішніх конвейєрів, які можуть виконувати декілька команд одночасно.

Процесор 486 і всі передуючі протягом певного відрізка часу могли виконувати

тільки одну команду. Технологія одночасного виконання декількох команд

89

називається суперскалярної. Завдяки використанню цієї технології і забезпечується

додаткова ефективність в порівнянні з процесором 486.

Суперскалярна архітектура звичайно асоціюється з мікросхемами RISC

(Reduced Instruction Set Computer - комп'ютер із спрощеною системою команд).

Процесор Pentium - одна з перших мікросхем CISC (Complex Instruction Set

Computer - комп'ютер зі складною системою команд), в якій застосовується

суперскалярна технологія, реалізована у всіх процесорах п'ятого і подальших

поколінь.

Розглянемо на прикладі установки електричної лампочки інструкції CISC.

1. Візьміть електричну лампочку.

2. Вставте її в патрон.

3. Обертайте до відмови.

І аналогічний приклад у вигляді інструкцій RISC.

1. Піднесіть руку до лампочки.

2. Візьміть лампочку.

3. Підніміть руку до патрона.

4. Вставте лампочку в патрон.

5. Поверніть її.

6. Лампочка повертається в патроні? Якщо так, то перейти до п.5

7. Кінець.

Багато інструкції RISC є досить простими (або скороченими), тому для

виконання якої-небудь операції потрібно більше число подібних інструкцій. Їх

основна перевага полягає в тому, що процесор виконує менше операцій, що, як

правило, зменшує час виконання окремих команд і, відповідно, всієї задачі

(програми).

Можна довго сперечатися про те, що ж насправді краще - RISC або CISC,

хоча, якщо говорити чесно, такого поняття, як "чиста" мікросхема RISC або CISC,

не існує. Подібна класифікація не більше ніж питання термінології. Процесори Intel

і сумісні з ними процесори можна визначити, як мікросхеми CISC. Незважаючи на

це, процесори п'ятого і шостого покоління володіють різними атрибутами RISC і

розбивають під час роботи команди CISC на простіші інструкції RISC.

Технологія ММХ

Залежно від контексту, ММХ може означати multi-media extensions

(мультимедійні розширення) або matrix math extensions (матричні математичні

розширення). Технологія ММХ використовувалася в старших моделях процесорів

Pentium п'ятого покоління (рисунок 13) в якості розширення, завдяки якому

прискорюється компресія / декомпресія відеоданих, маніпулювання зображенням,

шифрування і виконання операцій вводу-виводу-майже всі операції,

використовувані в багатьох сучасних програмах.

Рисунок 13 – Вид процесора Intel Pentium ММХ зверху і знизу. Фотографія

публікується з дозволу Intel.

90

В архітектурі процесорів ММХ є два основні удосконалення. Перше,

фундаментальне, полягає в тому, що всі мікросхеми ММХ мають більший

внутрішній вбудований кеш, ніж їх побратими, що не використовують цю

технологію. Це підвищує ефектив ¬ ність виконання кожної програми і всього

програмного забезпечення незалежно від того, чи використовує воно фактично

команди ММХ.

Інша удосконалення ММХ полягає в розширенні набору команд процесора 57

новими командами, а також у введенні нової можливості виконання команд, званої

одиночний потік команд - множинний потік даних (Single Instruction - Multiple Data,

SIM).

У сучасних мультимедійних та мережевих додатках часто використовуються

цикли; хоча вони займають близько 10% (або навіть менше) об'єму повного коду

додатку, на їх виконання може піти до 90% загального часу. SIMD дозволяє одній

команді здійснювати одну і ту ж операцію над декількома даними, подібно до того

як викладач, читаючи лекцію, звертається до всієї аудиторії, а не до кожного

студента окремо. Технологія bIMD дозволяє прискорити виконання циклів при

обробці графічних, анімаційних, відео-та аудіофайлів, в іншому випадку ці цикли

віднімали б час у процесора.

Intel також додала 57 нових команд, спеціально розроблених для більш

ефективної обробки звукових, графічних і відеоданих. Ці команди призначені для

виконання з високим ступенем паралелізму послідовностей, які часто зустрічаються

при Роботі мультимедійних програм. Високий ступінь паралелізму в даному

випадку означає, що одні й ті ж алгоритми застосовуються до багатьох даними,

наприклад до даних в різних точках при зміні графічного зображення.

Такі компанії, як AMD і Cyrix, ліцензували у Intel технологію ММХ і

реалізували її у власних процесорах.

Інструкції SSE

У лютому 1999 року Intel представила громадськості процесор Pentium III, що

містить оновлення технології ММХ, що одержала назву SSE (Streaming SIMD

Extensions - потокові розширення SIMD). До цього моменту інструкції SSE носили

ім'я Katmai New Instructions (KNI), оскільки спочатку вони були включені в

процесор Pentium III з кодовим ім'ям Katmai. Процесори Celeron 533A і вище,

створені на основі ядра Pentium Щ; теж підтримують інструкції SSE. Більш ранні

версії процесора Pentium II, рівно як Celeron 533 і нижче (створені на основі ядра

Pentium II), SSE не підтримують.

Інструкції SSE містять 70 нових команд для роботи з графікою і звуком на

додаток до існуючих команд ММХ. Фактично цей набір інструкцій окрім назви KNI

мав ще і другу назву - ММХ-2. Інструкції SSE дозволяють виконувати операції з

плаваючою комою, реалізовувані в окремому модулі процесора. У технологіях

ММХ для цих цілей використовувався стандартний пристрій з плаваючою комою.

Інструкції SSE2, що містять в собі 144 додаткові команди SIMD, були представлені

в листопаді 2000 року разом з процесором Pentium 4. У SSE2 були включені всі

інструкції попередніх наборів ММХ і SSE.

Потокові розширення SIMD (SSE) містять цілий ряд нових команд для

виконання операцій з плаваючою комою і цілими числами, а також команди

управління кеш-пам'яттю. Нові технології SSE дозволяють ефективніше працювати

91

з тривимірною графікою, потоками аудіо-і відеоданих (DVD-відтворення), а також

додатками розпізнавання мови. В цілому SSE забезпечує наступні переваги:

• більш високий дозвіл / якість при перегляді і обробці графічних зображень;

• покращена якість відтворення звукових і відеофайлів у форматі MPEG2, а

також одночасне кодування і декодування формату MPEG2 в мультимедійних

додатках;

• зменшення завантаження процесора і підвищення точності / швидкості

реагування при виконанні програмного забезпечення для розпізнавання мови.

Інструкції SSE і SSE2 особливо ефективні при декодуванні файлів формату

MPEG2, який є стандартом стиснення звукових і відеоданих, використовуваним в

DVD-дисках. Отже, SSE-оснащені процесори дозволяють досягти максимальної

швидкості декодування MPEG2 без використовування додаткових апаратних засобів

(наприклад, плати декодера MPEG2). Крім того, процесори, що містять набір

інструкцій SSE, значно перевершують попередні версії процесорів при

розпізнаванні мови.

Однією з основних переваг SSE по відношенню до ММХ є підтримка операцій

SIMD з плаваючою комою, що дуже важливо при обробці тривимірних графічних

зображень. Технологія SIMD, як і ММХ, дозволяє виконувати відразу декілька

операцій при отриманні процесором однієї команди. Зокрема, SSE підтримує

виконання до чотирьох операцій з плаваючою комою за цикл; одна інструкція може

одночасно обробляти чотири блоки даних. Для виконання операцій з плаваючою

комою інструкції SSE можуть використовуватися разом з командами ММХ без

помітного зниження швидкодії. SSE також підтримує упереджувальну вибірку

даних (prefetching), яка являє собою механізм попереднього прочитування даних з

кеш-пам'яті.

Зверніть увагу, що якнайкращий результат використовування нових

інструкцій процесора забезпечується тільки при їх підтримці на рівні

використовуваних додатків. На сьогоднішній день більшість компаній, що

займаються розробкою програмного забезпечення, модифікували додатки, пов'язані

з обробкою графіки і звуку, що дозволило більш повно використовувати можливості

SSE. Наприклад, графічний додаток Adobe Photoshop підтримує інструкції SSE, що

значно підвищує ефективність використання SSE-оснащених процесорів. Підтримка

інструкцій SSE вбудована в DirectX 6.1 і в самі останні відео-і аудіодрайвер, що

поставляються з операційними системами Windows.

Інструкції SSE є розширенням технологій ММХ, a SSE2 - розширенням

інструкцій SSE. Таким чином, процесори, що підтримують SSE2, підтримують

також інструкції SSE, а процесори, що підтримують інструкції SSE, у свою чергу,

підтримують оригінальні команди ММХ. Це означає, що стандартні ММХ-додатки

можуть виконуватися практично на будь-яких системах.

3DNow і Enhanced SDNow

Технологія 3DNow розроблена компанією AMD у відповідь на реалізацію

підтримки інструкцій SSE в процесорах Intel. Вперше (травень 1998 року) 3DNow

реалізована в процесорах AMD Кб, а подальший розвиток - Enhanced 3DNow - ця

технологія одержала в процесорах Athlon і Duron. Аналогічно SSE, технології

3DNow і Enhanced 3DNow призначені для прискорення обробки тривимірної

графіки, мультимедіа та інших інтенсивних обчислень.

92

3DNow являє собою набір з 21 інструкції SIMD, які оперують масивом даних у

вигляді одиничного елементу. У Enhanced 3DNow до існуючих додані ще 24 нових

інструкції. Технології обробки даних 3DNow і Enhanced 3DNow хоч і подібні SSE,

але несумісні на рівні інструкцій, тому виробникам програмного забезпечення

необхідно окремо реалізувати підтримку цих технологій.

Технологія 3DNow, як і SSE, підтримує операції SIMD з плаваючою комою, а

також дозволяє виконувати до чотирьох операцій з плаваючою комою за один цикл.

Інструкції 3DNow для операцій з плаваючою комою можуть використовуватися

разом з командами ММХ без помітного зниження швидкодії. Підтримується і

випереджаюча вибірка даних - механізм попереднього прочитування даних з кеш-

пам'яті.

Всі технології прискорення обробки даних компаній Intel і AMD реалізовані

на рівні операційних систем Windows 9x і Windows NT/2000. Крім цього, всі

програмні інтерфейси DirectX (з версії 6) компанії Microsoft і Open GL компанії SGI

оптимізовані для технології 3DNow, а практично всі сучасні відеодрайвери 3Dfx,

ATI, Matrox і nVidia підтримують 3DNow і Enhanced 3DNow. Незважаючи на те що

технологія 3DNow підтримується багатьма комп'ютерними іграми і драйверами

відеоадаптерів, існує ряд професійних графічних додатків (до їх числа відноситься і

Adobe Photoshop), не підтримують 3DNow.

Динамічне виконання

Цей метод спочатку використовувався в процесорах шостого покоління (Р6).

Динамічне виконання являє собою "творчу" комбінацію трьох методів обробки

даних в процесорі-передбачення множинного переходу (розгалуження), аналіз

потоку команд і попереджуюче виконання. При динамічному виконанні більш

ефективно обробляються дані в процесорі, оскільки при цьому враховується логічна

послідовність, а не просто обробляється потік команд.

Спосіб написання програми значно впливає на ефективність процесора.

Наприклад, сприятливий вплив можуть надати часті переривання виконуються

процесором операцій і переходи (розгалуження) до міткам в інших місцях програми.

Затримки також відбуваються, коли процесор не може обробляти нову команду,

поки не завершена поточна інструкція. Динамічне виконання дозволяє процесору не

тільки динамічно передбачувати порядок виконання команд, але і при необхідності

виконувати їх усередині арифметико-логічного пристрою в іншому порядку для

підвищення швидкодії. Динамічне виконання - один з характерних ознак всіх

процесорів шостого покоління.

Передбачення множинного переходу (розгалуження)

За допомогою цього методу можна з'ясувати, яким буде потік управління

програми через кілька команд розгалуження. При використанні спеціального

алгоритму процесор може передбачити переходи або розгалуження в потоці команд.

Це застосовується для читання наступних команд з пам'яті з ймовірністю не менше

90%. Це можливо тому, що під час вибірки команд процесор переглядає також і ті

команди, які слідують далі в програмі, тобто кілька "забігає" вперед.

Аналіз потоку команд

Це засіб аналізує і планує виконання команд в оптимальній послідовності,

незалежно від їх первісного ладу в програмі. Процесор розглядає Декодовані

команди програмного забезпечення і визначає, чи доступні вони для обробки або ж

залежать від інших команд, які слід виконати попередньо. Потім процесор визначає

93

оптимальну послідовність обробки і виконує команди найбільш ефективним

способом.

Попереджуюче виконання

Цей метод підвищує ефективність за допомогою випереджального перегляду

лічильника команд і виконання тих з них, до яких, ймовірно, буде потрібно

звернутися пізніше. Оскільки обробка команд програмного забезпечення заснована

на прогнозі розгалужень, результати зберігаються в пулі (накопичувачі) і можуть

бути використані в подальшому. Якщо в результаті обробки потоку команд

виявиться, що вони повинні бути виконані, то вже завершені команди

пропускаються, а їх результати записуються в основні регістри процесора в

первісному порядку виконання команд програми. Ця методика, по суті, дозволяє

процесору завершувати команди заздалегідь, а потім використовувати вже

обчислені результати по мірі необхідності.

Архітектура подвійної незалежної шини

Ця архітектура (Dual Independent Bus - DIB) вперше була реалізована в

процесорі шостого покоління і призначалася для збільшення пропускної здатності

шини процесора і підвищення продуктивності. За наявності двох незалежних шин

даних для введення-виведення процесор отримує доступ до даних з будь-якої з них

одночасно і парал ¬ лельно, а не послідовно, як у системі з однією шиною. Друга,

або фонова (backside) вхідна шина процесора з DIB застосовується кеш-пам'яттю

другого рівня, тому вона може працювати значно швидше, ніж у тому випадку, якби

їй довелося використовувати (спільно з процесором) основну шину.

В архітектурі DIB передбачено дві шини: шина кеш-пам'яті другого рівня і

шина, що з'єднує процесор і основну пам'ять, або системна шина. Процесори

Pentium Рго, Pentium II / III, Athlon і Duron можуть використовувати обидві шини

одночасно, завдяки чому знижується критичність такого параметра, як пропускна

здатність шини. Для реалізації архітектури DIB кеш-пам'ять другого рівня

переміщена з системної плати в один корпус з процесором, що дозволило наблизити

швидкодію кеш-пам'яті першого рівня до швидкодії вбудованої кеш-пам'яті, яке

значно перевершує швидкодію пам'яті, що поміщається на системну плату. Щоб

помістити кеш в корпус процесора, знадобилося модифікувати кубло процесора. В

даний час існують наступні процесори, які встановлюються в гніздо типу Socket і

підтримують DIB: Pentium Pro (Socket 8), Pentium III / Celeron (Socket 370) і Socket A

(Athlon / Duron); в гніздо типу Slot встановлюються процесори Pentium III / Celeron

(Slot 1) і Athlon (Slot A).

DIB також дозволяє системою шині виконувати одночасно декілька

транзакцій (а не одну послідовність транзакцій), завдяки чому прискорюється потік

інформації усередині системи і підвищується ефективність. Всі засоби архітектури

DIB підвищують пропускну спроможність майже в три рази в порівнянні з

процесором, що має архітектуру одиночної шини.

94

Тема 6. Гнізда для процесорів: (Socket 7, 8, 370, 423, 462), гнізда ZIF.

Роз’єми процесора: Slot 1 i Slot 2.

План:

1. Socket 7 (і Super 7).

2. Socket 8.

3. Socket 370 (PGA-370).

4. FCPGA.

5. Socket 423

6. Socket A (Socket 462).

7. Гнізда ZIF.

8. Роз'єми процесора.

Література:[ 8, стор. 117-125]

Питання для самоконтролю:

1. Що представляє собою роз’єм Socket7 (Super7)?

2. Що представляє собою блок VRM?

3. Що представляє собою роз’єм Socket8?

4. Що представляє собою роз’єм Socket370 (PGA-370)?

5. Що представляє собою корпус FCPGA?

6. Що представляє собою роз’єм Socket 423?

7. Що представляє собою роз’єм SocketА (Socket462)?

8. Що представляють собою гнізда ZIF?

9. Які є роз’єми процесора?

Гнізда для процесорів

Socket 7 (і Super 7)

Гніздо типу Socket 7, по суті, є типом Socket 5 з одним додатковим ключовим

виводом у внутрішньому кутку ключового контакту. Тому в гнізді типу Socket7

всього 321 вивід, розташований по сітці SPGA 21x21. Дійсна відмінність цього

гнізда полягає не в ньому самому, а в супутньому блоці регулювання напруги

живлення VRM (Voltage Regulator Module).

Цей блок є невеликою платою, що містить всі схеми для регулювання напруги,

яка використовується, щоб знизити напругу живлення 5 В до величини, необхідної

для живлення процесора.

Головною причиною появи блоку регулювання напруги стало створення

компанією Intel нових процесорів Pentium, що працюють на різній напрузі: 3,3 (VR);

3,465 (VRE)-3,1; 2,8 і 2,45 В. На цих же і іншій напрузі працюють процесори

компаній AMD і Cyrix. Така кількість процесорів спонукала виробників системних

плат встановлювати блок регулювання напруги безпосередньо на системній платі.

Компанія AMD допрацювала гніздо Intel Socket 7 і назвала його Super Socket 7

(або просто Super 7). Це гніздо підтримує процесори, що працюють на частотах від

66 до 95 і 100 МГц. Його стали активно використовувати виробники системних плат

Acer Laboratories Inc. (Аli), VIA Technologies і SIS. По швидкодії ці плати не

поступаються аналогічним моделям з використанням роз'ємів Slot 1 і Socket 370.

95

Socket 8

Це гніздо SPGA з величезною кількістю 387 штирів. Воно розроблене

спеціально для процесора Pentium Pro з інтегрованою кеш-пам'яттю другого рівня.

Додаткові штирі повинні дозволити набору мікросхем системної логіки управляти

кеш-пам'яттю другого рівня, яка інтегрована в один корпус з процесором.

Socket 370 (PGA-370)

У січні 1999 року Intel представила нове гніздо для процесорів класу Р6. Це

гніздо одержало назву Socket 370 (PGA-370), оскільки містить 370 виводів (штирів) і

спочатку розроблялося для дешевших процесорів Celeron і Pentium III версій PGA.

Платформа Socket 370 призначалася для витіснення з ринку систем середнього і

нижнього рівнів архітектури Super 7. Нове гніздо дозволяє використовувати менш

дорогі процесори, монтажні системи, радіатори і т.п., тим самим зменшуючи

вартість всієї конструкції.

Спочатку всі процесори Celeron і Pentium Ш випускалися у виконанні SECC

або SEPP. Ця конструкція була в цілому монтажною платою, що містить процесор і

кеш-пам'ять другого рівня, встановлену на окремій платі, яка, у свою чергу, була

підключена до системної плати через роз'єм Slot 1. Мікросхема кеша другого рівня

була частиною процесора, але не була безпосередньо в нього інтегрована. Модуль

багатокристальної мікросхеми був розроблений Intel для процесора Pentium Pro,

вартість якого, виявилася дуже високою. Плата з окремо розташованими

мікросхемами була набагато дешевше, тому процесор Pentium ІІ і відрізнявся від

свого попередника.

Компанія Intel, починаючи з процесора Celeron 300A (представленого в серпні

1998 року), стала об'єднувати кеш-пам'ять другого рівня безпосередньо з кристалом

процесора; розділені мікросхеми більше не застосовуються. При використанні

повністю інтегрованої кеш-пам'яті необхідність в установці процесора на окремій

платі зникає. Слід відмітити, що в цілях зниження собівартості Intel повернулася до

конструкції Socket, яка була використана, зокрема, в процесорі Celeron.

Всі процесори Celeron з робочою частотою 333 МГц і нижче доступні тільки в

корпусі Slot 1, 366-433 МГц— як в корпусі Slot 1, так і в Socket 370, а починаючи з

моделі 466 МГц — тільки в корпусі Socket 370. Процесори у виконанні Socket 370

(PGA-370) можна встановлювати в роз'єм Slot 1. Для цього необхідно придбати

спеціальний перехідник PGA-Slot 1.

FCPGA

У жовтні 1999 року Intel анонсувала процесори Pentium III з інтегрованою кеш

- пам'яттю, які підключалися до гнізда Socket 370. У них використовувався корпус

FCPGA (Flip Chip Pin Grid Array).

Деякі системні плати Socket 370 не підтримують нових процесорів Pentium III

і Celeron в корпусі FCPGA. Це пов'язано з тим, що ці процесори мають два виводи

RESET і їм потрібна підтримка специфікації живлення VRM 8.4. Попередні системні

плати, розроблені тільки для процесорів Celeron, відносяться до аукціонних

системних плат, а новіші, такі, що підтримують другий вивід RESET і специфікацію

VRM 8.4, називаються покращуваними системними платами. Деякі системні плати,

до яких належить Intel CA810, підтримують специфікацію VRM 8.4 і забезпечують

відповідну напругу. Проте без підтримки виводу Vtt процесор Pentium III в корпусі

FCPGA утримуватимуться в положенні RESET#.

96

Установка процесора в корпусі FCPGA в стару системну плату не приведе до

виходу з ладу останньої. Швидше за все, можна пошкодити сам процесор: Pentium

III, виготовлений за 0,18-мікронною технологією, використовує напругу живлення

1,60-1,65 В, тоді як в застарілих платах робоча напруга 2,00 В. Існує також

вірогідність того, що системна плата вийде з ладу. Це може відбутися, якщо BIOS

системної плати не зможе правильно ідентифікувати напругу процесора. Щоб

гарантувати сумісність системної плати і BIOS, перед установкою необхідно

звернутися до виробника комп'ютера або системної плати.

Конструкція системної плати з роз'ємом Slot 1 дозволяє підтримувати

практично всі процесори Celeron, Pentium II або Pentium III, у тому числі і версії

"гнізд" процесорів Celeron і Pentium III. Для цього слід скористатися адаптером типу

Slot-socket, який іноді називається також slot-ket. Цей адаптер, по суті, є платою Slot

1, що містить тільки гніздо Socket 370, що дозволяє використовувати процесор PGA

в будь-якій платі Slot 1.

Socket 423

Socket 423 є гніздом ZIF-типу, анонсованим в листопаді 2000 року для

процесора Pentium 4 (кодове ім'я Willamette).

Архітектура Socket 423 підтримує шину процесора 400 МГц, що сполучає

процесор з ядром контролера пам'яті (Memory Controller Hub — МСН), який є

основною частиною мікропроцесорного набору системної плати. У процесорі

використовується п'ять виводів ідентифікатора напруги (VID), яка дозволяє за

допомогою модуля VRM, вбудованого в системну плату, задати точне значення

потрібної напруги для певного процесора. Таким чином, можна автоматично

встановлювати величину напруги. Перші версії процесора Pentium 4

використовують напругу живлення 1,7 В, яка може змінитися в наступних моделях.

Маленька трикутна мітка в одному з кутів указує розташування виводу 1, тим самим

допомагаючи правильно встановити мікросхему.

Socket A (Socket 462)

У червні 2000 року компанія AMD представила гніздо Socket А, зване також

Socket 462, призначене для підтримки процесорів Athlon і Duron версії PGA. Це

гніздо розроблялося для заміни Slot А, використовуваного початковим процесором

Athlon. В даний час в процесорах Athlon і Duron використовується вбудована кеш-

пам'ять другого рівня, тому дорогий корпус, призначений для перших версій

процесора Athlon, більше не потрібний.

Socket A (Socket 462) містить 462 контакти і має ті ж розміри, що і Socket 370.

Проте помістити процесор для гнізда Socket 370 в Socket А неможливо. Це гніздо

підтримує 32 значення напруги живлення в діапазоні 1,100-1,850 В з кроком 0,025В

(контакти процесора VID0-VID4). Блок регулювання напруги живлення вбудований

в системну плату. Зовнішній вигляд гнізда Socket A (Socket 462) показаний на

Рисунок

Існує в цілому 11 "заглушених" отворів, в число яких увійшли і два зовнішні

мікроотвори. Ці отвори використовуються для правильної орієнтації процесора в

гнізді під час його установки.

Компанія AMD оголосила про те, що всі нові версії процесорів Athlon і Duron

випускатимуться тільки для гнізда Socket A.

Гнізда ZIF

97

Коли Intel розробила специфікацію гнізда Socket 1, виявилось, що для

установки процесора в стандартне гніздо Socket 1 потрібно прикласти зусилля (сила

вставки), рівне 45 кг Таке велике зусилля може легко пошкодити мікросхему або

гніздо під час видалення або переустановлення. Враховуючи цей факт, деякі

виробники системних плат стали використовувати гніздо LIF (Low Insertion Force —

невелика сила вставки); для установки в це гніздо мікросхеми, що має 169 контактів,

зазвичай було потрібне зусилля в 27 кг. Проте і зусилля в 27 кг може пошкодити

системну плату, крім того, потрібний спеціальний інструмент для видалення

мікросхеми з гнізда такого типу. Необхідно було розробити інший тип гнізда, щоб

користувач міг легко замінити центральний процесор.

Таким гніздом стало спеціальне гніздо ZIF (Zero Insertion Force — нульова

сила вставки). Його почали застосовувати в системних платах замість гнізда Socket

1. Проте в специфікації гнізда Socket X не вказано, відноситься воно до типа ZIP,

LIF або стандартного, а вказано лише розташування контактів. В даний час майже

всі виробники системних плат використовують гнізда типу ZIF. Завдяки ним

зводиться до мінімуму ризик пошкодження при заміні процессора — при установці

процесора силу взагалі прикладати не потрібно. Більшість гнізд ZIF мають важіль.

Замінити процесор при такій конструкції простіше простого.

Роз'єми процесора

Після переміщення кеш-пам'яті другого рівня з системної плати на процесор

був розроблений роз'єм Slot 1, в який можна встановлювати процесори Pentium II,

Pentium III і Celeron. Спеціально для процесорів Xeon (Pentium II і Pentium III) було

розроблено гніздо Slot 2.

Slot 1 (SC242)

Цей роз'єм використовується для установки корпусу SEC, в якому знаходиться

процесор Pentium II. Усередині корпусу міститься плата зі встановленими кеш -

пам'яттю другого рівня і процесором. На відміну від Pentium Pro, кеш встановлений

на платі, а не усередині корпусу процесора. Це технологічне рішення дозволило Intel

використовувати стандартні мікросхеми SRAM і оснащувати процесори Pentium II

кеш-пам'яттю різного об'єму. Наприклад, є Celeron версії Pentium II, в яких взагалі

не встановлена кеш-пам'ять другого рівня, але є і такі, в яких місткість кеш-пам'яті

перевищує 512 Кбайт (стандарт для більшості процесорів Pentium II).

Slot 2 (SC330)

Гніздо Slot 2 (його іноді називають SC330) використовується у

високопродуктивних системних платах на базі процесорів Pentium II Xeon і Pentium

III Xeon.

Процесори Pentium II/III Xeon упаковані в корпус більшого розміру, чим

корпуси процесорів Pentium II/III.

Системні плати з гніздом Slot 2 застосовуються в основному у

високопродуктивних системах, найчастіше в серверах або робочих станціях,

створених на базі процесорів Pentium II/III Xeon.

98

Тема 7. Перше Р1 (086), друге Р2 (286), третє Р3 (386) та четверте Р4 (486)

покоління процесорів.

План:

1. Процесори першого покоління: 8086/8088.

2. Процесори другого покоління: 80286.

3. Процесори третього покоління: 80386.

4. Процесори четвертого покоління: 80486.

5. 80486SX.

6. 80486DX/2.

Література:[ 5.с.123..128, 8.с.141..159]

Питання для самоконтролю:

1. Що представляли собою процесори першого покоління: 8086/8088?

2. Що представляли собою процесори другого покоління: 80286?

3. Що представляли собою процесори третього покоління: 80386?

4. Що представляли собою процесори четвертого покоління: 80486?

5. Переваги швидкодії процесора покоління 80486?

6. 80486DX/2?

CPU другого покоління можуть працювати в захищеному режимі. І в цьому

полягає їх основна відмінність від CPU першого покоління.

Процесори першого покоління: 8086/8088.

Процесор даного типу застосовувався фірмою IBM в обчислювальних

системах класу XT (Extended Technology). Цей "оригінальний PC" мав тактову

частоту 4,77 МГц і був обладнаний оперативною пам'яттю 256 Кбайт.

CPU 8088 і 8086 працюють всередині з 16-розрядними даними, однак якщо

процесор 8086 як передає, так і приймає 16 біт даних, то CPU 8088 - обмежений при

передачі даних тільки 8 бітами. Процесори 8086/8088 можна замінювати на

процесори V20 і V30 фірми NEC.

Процесори другого покоління: 80286.

У 1984 р. фірма IBM представила на ринок перший PC AT (Advanced

Technology). Процесор 80286 володів новою властивістю - поряд з реальним

режимом він міг також працювати і в захищеному режимі, що стало підставою для

розповсюдження конкуруючих з DOS таких операцион ¬ них систем, як OS / 2 і

UNIX, і, звичайно ж, графічної оболонки Windows; За своїми можливостями в цьому

режимі можна звертатися вже до 16 Мбайт фізичної пам'яті і навіть до 1 Гбайт

віртуальної.

Крім того, процесор 80286 переносить істотно більш високу тактову частоту,

ніж його "менший брат". Оригінальний IBM AT поставлявся з тактовою частотою 6

або 8 МГц. До "вимирання роду" материнських плат 286, "серце" деяких з них

билося вже з частотою 20 МГц - в порівнянні з XT непомірне збільшення

потужності.

Основні відмінності CPU третього покоління від CPU другого покоління -

можливість роботи в віртуальному режимі, наявність зовнішньої кеш-пам'яті CPU

(розташована на материнській платі) і 32-розрядне ядро CPU.

99

Процесори третього покоління: 80386. Перший комп'ютер з CPU 386 прийшов до нас не від фірми IBM, a від її

суперника - фірми Compaq. Процесор (рис. 6.3) з'явився в 1986 р.

Процесор 386DX (відзначимо, що 33 МГц - найбільш поширена частота такого

CPU), на відміну від 16-розрядного CPU 286, є 32-розрядним, тобто він забезпечує

32-розрядні операції введення / виводу і 32-розрядну адресацію. На жаль, стандартів

для 32-розрядних периферійних пристроїв в даний час катастрофічно не вистачає.

Подвоєння розрядності внутрішнього адреси в порівнянні з CPU 8086

забезпечило адресацію фізичної пам'яті до 4 Гбайт і віртуальної - до 64 Гбайт. Хоча

CPU 386 також стартує в реальному режимі, щоб зберегти сумісність зі своїми

попередниками, за допомогою відповідних програм операційної системи або

розширень він може переключитися у віртуальний режим і таким чином емулювати

кілька CPU 8086. Для додатків Windows цей режим відомий під назвою Enhanced

Mode.

Підвищення потужності процесора надає, природно, відповідний вплив на

решту периферію материнської плати. Це виражається не тільки в тому, що

елементи пам'яті повинні функціонувати швидше, щоб обслужити збільшений потік

даних.

Вперше на материнській платі 386 знаходяться раніше не встановлювані

елементи. Це, наприклад, так звана кеш-пам'ять. Кеш-пам'ять складається з

елементів пам'яті, доступ до яких, в отдічіе від доступу до елементів оперативної

пам'яті, здійснюється значно швидше. У цій пам'яті зберігаються дані, які CPU з

високою ймовірністю затребує в першу чергу. При фактичній вимозі ця інформація

прочитується не з повільної оперативної пам'яті, а з супершвидкої кеш-пам'яті.

Розташовувати дані в кеш-пам'ять чи ні, вирішує елемент на материнській платі,

званий кеш-контролером. Інформація про те, де можна знайти дані в кеш-пам'яті,

міститься в області, званої TagRAM.

Назва "молодшого брата" процесора 80386DX аналогічно, тільки замість DX

вказується SX. Ці CPU, хоча і працюють усередині з 32 бітами, але, на жаль, зовні -

лише з 16 бітами. Крім того, материнська плата 386SX має меншу тактову частоту,

значення якої лежить в діапазоні 16-25 МГц. CPU 386SX практично завжди міцно

припаяний до мате ¬ рінськой платі, так що навряд чи можливо його замінити.

Незважаючи на те, що було багато пропозицій від різних фірм на процесори, сумісні

з CPU 80286, лише в 1991 р. фірма Intel вперше зіткнулася з серйозною

конкуренцією. Фірма AMD змогла запропонувати на ринку сумісний CPU 80386,

який, крім того, працював з тактовою частотою 40 МГц і при цьому його

продуктивність (а також ціна) була такою ж, як ціна оригінального продукту-Intel.

Тим часом фірми Chips & TechnologievTexas Instruments і Cyrix придбали ліцензії на

про ¬ ництво цих процесорів.

У відмінності від CPU третього покоління, в ядро CPU четвертою покоління

інтегровані кеш-пам'ять і співпроцесор, реалізована конвеєризація обчислень.

Тактова частота системної шини досягла 50 МГц.

Процесори четвертого покоління: 80486. Фірма Intel розвивала і вдосконалювала свій "бойовий корабель" - процесор

80486, який довгий час був Де-факто стандартом для висококласних комп'ютерів.

Типова частота роботи процесора 80486DX становить 33 або 50 МГц.

100

Відмінності між процесорами 80386 і 80486 значні. Перевага у швидкодії CPU

80486 визначається, в першу чергу, факторами, наведеними нижче.

CPU 80486 має розширений набір з 6 команд.

В мікросхему інтегрована кеш-пам'ять об'ємом 8 Кбайт, управління

якою здійснюється кеш-контролером. Ця внутрішня кеш-пам'ять

(Internal Cache) при спільній роботі з описаною вище зовнішньою кеш-

пам'яттю (External Cache) значно підвищує швидкодію системи.

Співпроцесор інтегрований прямо в CPU; як відомо, співпроцесор

виконує обчислення з плаваючою точкою.

Реалізована конвеєризація обчислень, тобто кожна наступна команда починає

виконуватися відразу ж після проходження першої ступені конвеєра попередньою

командою.

Під конвеєром в даному випадку розуміється такий метод внутрішньої

обробки команд, коли виконання команди розбивається на кілька щаблів (Stages) і

кожному ступені відповідає свій модуль в структурі CPU. За чергового тактового

імпульсу кожна команда в драйвері просувається на наступний щабель, при цьому

виконана команда залишає конвеєр, а нова надходить до нього.

Конвеєрну обробку можна порівняти з роботою вантажників, що стоять в

"ланцюжку" і передавальних з рук в руки упаковки з продуктами. У цьому випадку

процес завантаження (розвантаження) істотно прискорюється в порівнянні з тим,

коли кожен вантажник бігає з окремою упаковкою до місця їх складування.

Процесори, що мають кілька конвеєрів, називаються суперконвеєрними, а

мають кілька ступенів - суперскалярної. Хоча геометричні розміри процесора 80486

з співпроцесором більше, ніж аналогічного процесора 386, CPU 80486 має більш

високий ступінь інтеграції чіпа. Незважаючи на те, що CPU 486DX вже обладнаний

співпроцесором, його можна доповнити співпроцесором Weitek.

80486SX

Як і CPU 80386, процесор 80486 має "молодшого брата", який, однаково,

взаємодіє із зовнішніми пристроями, використовуючи всю ширину шини даних. Він

називається 80486SX і зазвичай працює з тактовою частотою від 20 до 33 МГц.

Корпус CPU DX виготовлений повністю з кераміки, a SX - зі штучного матеріалу.

Проте є і більш істотна відмінність: в 486SX відсутній інтегрований співпроцесор.

Добре конфігурований комп'ютер з CPU 386DX і тактовою частотою 40 МГц завжди

працює швидше, ніж PC з CPU 486SX і тактовою частотою 20 МГц.

80486DX/2

З метою збільшення продуктивності фірма Intel через короткий час випустила

наступну модель. Символ "/ 2" означає, що процесор працює з тактовою частотою, в

2 рази перевищує тактову частоту системної шини.

Так як обидва процесора встановлюються в гніздо (Socket 5), можна легко

замінити 80486DX з частотою 25 МГц на 80486DX / 2 з частотою 66 МГц. При такій

заміні потрібно, в першу чергу, звернути увагу на те, щоб процесор мав необхідну

систему охолодження. Корпус таких CPU може нагріватися до 90 ° С, тому

рекомендується встановити на нього охолоджувальний елемент.

За допомогою CPU 80486DX / 4 можна збільшити тактову частоту в 4 рази.

Процесори, що працюють з тактовою частотою 75 або 100 МГц, мають потребу в

живленні 3,45 В. CPU 80486t) X / 4 містить 16 Кбайт внутрішньої кеш-пам'яті.

101

Останній процесор цього класу (CPU 80486DX4/100) корпорація Intel

анонсувала в березні 1994 р. У цьому CPU було представлено багато технологічні

новації Intel того часу. Був час, коли CPU 80486DX/100 навіть конкурував з CPU

Pentium, але в 1995 р. корпорація Intel повністю припинила виробництво всіх CPU

класу 80486, зосередившись на розробці і виробництві CPU Pentium і Pentium Pro.

102

Тема 8. П’яте покоління процесорів: Р5 (586).

План:

1. 80586 (Pentium).

2. AMDK5.

3. Cyrix 6x86.

4. Pentium MMX.

Література:[ 5.с.128-136, 8.с.159-169]

Питання для самоконтролю:

1. Як працювали процесори 80586 (Pentium)?

2. Відмінність CPU Pentium третього покоління від другого?

3. Які існують переваги процесору Pentium?

4. Як відбувався озвиток AMDK5?

5. Що представляє собою процесор Cyrix6x86?

6. Яка історія розвитку процесора Pentium MMX?

7. Які зміни внесені в MMX для підвищення продуктивності?

П’яте покоління процесорів: Р5 (586).

CPU п'ятого покоління підтримують 64-розрядну системну шину з тактовою

частотою 66 МГц. Реалізовані технології прогнозу переходів і паралельної

конвейєрної обробки даних. Кеш-пам'ять першого рівня розділена на кеш-пам'ять

даних і команд.

80586 (Pentium)

CPU Pentium першого покоління працювали на тактовій частоті 60 і 66 МГц.

Вони були розраховані на напругу живлення +5 В і працювали на частоті

материнської плати.

У березні 1994 р. корпорація Intel почала випуск CPU Pentium другого

покоління під кодовою назвою Р54С. Перші моделі цих CPU працювали на частотах

90 і 100 МГц.

Напруга живлення CPU Pentium другого покоління складає 3,3 В і нижче. Ці

процесори випускалися в 296-контактному корпусі (Staggered Pin Grid Array, SPGA),

який не сумісний з 273-контактним корпусом (Pin Grid Array, PGA) CPU першого

покоління.

Головна відмінність CPU Pentium третього і другого покоління полягає в тому,

що ядро процесорів третього покоління проводиться за технологією 0,25 мкм (яка

визначається розміром елементу ядра процесора), і працюють ці процесори при

нижчій напрузі живлення — 2,9 і 2,5 В.

Для установки CPU Pentium третього покоління необхідне спеціальне гніздо

Socket 7, яке мало 321 вивід. Крім того, гніздо обладнане модулем зміни напруги

(VRM).

В порівнянні з CPU 80486 в CPU Pentium одержала подальший розвиток

конвейєризація обчислень. По-перше, збільшено до п'яти кількість ступенів

конвейєра; по-друге, CPU Pentium мають вже два конвейєри на відміну від

одноконвейєрного CPU 80486. Таким чином, можуть оброблятися паралельно дві

команди.

103

Переваги Pentium:

- Прогноз переходів. Перехід — це зміна послідовності виконання команд

відповідно до алгоритму програмного забезпечення. Згідно статистиці переходи

зустрічаються в середньому через кожні шість команд. Існують безумовні переходи

(типу GOTO), коли управління передається за новою вказаною адресою, і умовні

(типу IF), коли змінюється хід виконання програми залежно від результатів

порівняння. Для цього є спеціальний буфер адреси переходу (Branch Target Buffer,

BTB), який зберігає дані про останні 256 переходи.

-В CPU Pentium інтегрована кеш-пам'ять об'ємом 16 Кбайт, в якій 8 Кбайт

призначено для команд і 8 Кбайт — для даних.

- Процесор Pentium обладнаний співпроцесором, що дає трьох- і

чотирикратний виграш за швидкістю виконання операцій в порівнянні із

співпроцесором CPU 486. Якщо для арифметичної операції ділення CPU 486

потрібно приблизно 73 такти, то Pentium виконує аналогічну операцію за 38 тактів.

- Адресна шина Pentium — 32-бітова, а шина даних — 64-бітова.

AMDK5

У іншому кварталі 1996 р. компанія AMD анонсувала CPU K5-PR75 і K5-

PR90.

У червні 1996 р. на ринку з'явився CPU AMD K5-PR100, що виконаний по 0,35

мкм технології і що містить 4,3 млн. транзисторів, а дещо пізніше — AMD K5-

PR133.

Конструктивно цей CPU виконаний в 256-штирьовому корпусі типові SPGA і

так само, як і K5-PR75, K5-PR90, повністю сумісний по виводах з CPU Pentium

P54C.

Cyrix 6x86

Процесор Cyrix 6x86 однаково стабільно працює як з 32-, так і з 16-

розрядними додатками. Особливістю Cyrix 6x86 є з'єднана кеш-пам'ять першого

рівня (L1) для команд і даних.

Порівняльні характеристики CPU Cyrix 6x86 Intel Pentium і Intel Pentium Pro.

Елемент архітектури CPU Cyrix 6x86 Intel Pentium Intel Pentium Pro

Набір інструкцій х86 + + +.

Суперскалярна архітектура + + +

Суперконвейєрна архітектура + - +

Прогноз переходів + + +

Виконання по припущенню + - +

Об'єм кеш-пам'яті першого 16 8+8 8+8

рівня, Кбайт

Співпроцесор + + +

Pentium MMX

Процесор Pentium MMX (P55C) вперше був анонсований корпорацією Intel 8

січня 1997 р.

Кристал CPU Pentium ММХ має площу 141 мм2.

Технологія ММХ орієнтована на вирішення завдань мультимедіа, що

вимагають інтенсивних операцій з цілими числами.

Основа технології ММХ полягає в появі в CPU Pentium віртуального

еквівалента 8 нових 64-розрядних регістрів і 57 нових команд для вирішення

завдань мультимедіа.

104

У співпроцесорах Pentium є вісім універсальних регістрів для операцій над

числами з плаваючою крапкою по 80 біт кожний.

Регістри співпроцесора можуть містити 8 упакованих байтів, 4 упакованих 16-

розрядних слів, два упаковані 32-розрядні подвійні слова або ж одне 64-розрядне

слово. Таким чином, дані мультимедіа, розрядність яких кратна восьми,

упаковуються в одне 64-розрядне слово і над ним проводитися якась загальна дія.

Ця методика називається одиночною командою з множинними даними (Single

Instruction Multiple Data, SIMD).

Разом з підтримкою нових команд в CPU Pentium ММХ внесено багато змін

схемотехнічних і архітектурних, що підвищують його продуктивність:

- Удвічі збільшений розмір кеш-пам'яті першого рівня (L1) — 16 Кбайт для

даних і 16 Кбайт для команд

- Збільшена на один крок довжина конвейєра (стало 6 ступенів)

- Блок прогнозування переходів запозичений у CPU Pentium Pro

- Удвічі збільшена кількість буферів запису даних (4 замість 2)

- Є можливість виконання двох ММХ-команд одночасно

-Покращений механізм паралельної роботи конвейєрів

- Процесор має вбудований тест (Self Test).

105

Тема 9. Шосте покоління процесорів: Р6 (686).

План:

1. 80686 (Pentium Pro).

2. Pentium II.

3. Pentium III.

4. Celeron.

5. Процесор AMD K6-2 і K6-3.

6. VIA Cyrix III.

7. Athlon.

Література:[ 5.с.136-148, 8.с.169-208]

Питання для самоконтролю:

1. Що представляє собою шосте покоління процесорів Pentіum Pro?

2. Які нові технології в Pentіum Pro?

3. Процесор Pentіum II?

4. Ядро Klamath?

5. Ядро Deschutes?

6. Процесор Pentіum III?

7. Ядро Katmai?

8. Ядро Coppermine?

9. Ядро Covington?

10. Ядро Mendocino?

11. Ядро Coppermine 128K?

12. Процесори Xeon, Deschutes і Tanner?

13. Процесори Cascades, К6-2, К6-3?

14. Процесор VIA Cyrix III?

Процесори шостого покоління.

CPU шостого покоління підтримують нову 64-розрядну системну шину Р6.

Підтримують роботу багатопроцесорних систем. В CPU інтегрована кеш-пам'ять

другого рівня. Реалізована технологія виконання по припущенню та ін.

80686 (Pentium Pro)

Процесор Pentium Pro досягає високої швидкодії за рахунок вдосконалення

старих, а також застосування нових технологій:

1. На відміну від CPU Pentium процесор Pentium Pro має не п'ять, а чотирнадцять

ступенів при конвейєрній обробці обчислень.

2. На відміну від CPU Pentium процесор Pentium Pro має не два, а три конвейєри.

3. Одночасно застосовуються статичний і динамічний методи прогнозу

переходів (досягає 90%).

4. Передбачено два буфери передвиборки, в яких зберігаються результати,

отримані після виконання команд, що слідують за умовним переходом ще до того,

як буде обчислений результат для розгалуження алгоритму. Якщо який-небудь з

переходів був передбачений неправильно, то буфери передвиборки очищуються.

Подібний метод називається виконанням по припущенню (Speculative execution).

5. Вбудована кеш-пам'ять другого рівня (L2).

106

6. Завдяки вбудованій кеш-пам'яті другого рівня значно поліпшена робота

багатозадачних систем. CPU Pentium Pro підтримує нову багатозадачну структуру

MPS 1.1. (Мulti Processor Specification). В системі Pentium Pro можуть працювати

одночасно до чотири CPU.

Pentium II

Процесор Pentium II поєднує архітектуру CPU Pentium Pro з технологією

ММХ.

На відміну від Pentium Pro в CPU Pentium II кеш-пам'ять другого рівня (L2) не

інтегрована в ядро процесора, а сконструйована на 64 розрядній шині, жорстко

пов'язаної з ядром, працюючої на половинній тактовій частоті ядра CPU. В цій шині

передбачена підтримка коду виправлення помилок (ЕСС).

На відміну від всіх інших процесорів, CPU Pentium II конструктивно

розташовується в спеціальному картріджі, званому S.E.C.C. (Single Edge Contact

Catridge).

Значне підвищення продуктивності PC з CPU Pentium II забезпечується за

рахунок наступних чинників:

1. Використання подвійної системної шини DIB (Dual Independent Bus).

2. Збільшення тактової частоти роботи процесора. CPU Pentium II випускаються з

тактовою частотою від 233 до 450 МГц.

Ядро Klamath

Це ядро є подальшим розвитком ядра процесора Pentium Pro і було

виготовлене за технологією 0,35 мкм. Процесор містить близько 7,5 млн.

транзисторів на площі 203 мм2.

Ядро Deschutes Було створене за технологією 0,25 мкм. CPU Deschutes працює з тактовою

частотою 333, 350, 400 і 450 МГц.

В картріджі процесора також встановлено 512 Кбайт зовнішньої кеш-пам'яті,

що працює на половинній тактовій частоті ядра CPU.

Pentium III

Підтримує набір з 70 нових команд (SIMD-інструкцій) групової обробки даних

з плаваючою крапкою і додаткові команди групової обробки цілочисельних даних.

Завдяки цьому набору команд, званому SSE (Streaming SIMD Extensiuon), KNI

(Katmai New Instruction) або MMX2, розширюються можливості обробки зображень,

потоків аудіо- і відеоданих, розпізнавання мови.

CPU Pentium III випускаються в корпусах двох типів S.S.E.C. 2 і PPGA (званий

також FC-PGA — Flip Chip-PGA).

Картрідж S.E.C.C. 2, як і S.E.C.C., встановлюється в роз'єм Slot 1.

Ядро Katmai

Перші CPU мали ядро під кодовою назвою Katmai, створене по 0,25 мкм

технології. CPU Pentium III Katmai мають тактову частоту 533, 600, 650, 667 і 733

МГц.

В картріджі цього процесора встановлено 512 Кбайт кеш-пам'яті (L2), що

працює на половинній тактовій частоті ядра CPU.

Ядро Coppermine

Воно створено за "мідною технологією" 0,18 мкм. На відміну від CPU Pentium

III Katmai в ядро Coppermine інтегровано 256 Кбайт кеш-пам'яті (L2) типу Advanced

Transfer Cache, що працює на тактовій частоті CPU. Відповідно до технології

107

Advanced System Buffering CPU оптимізований розмір буферів системної шини, що

дозволяє ефективно використовувати системну шину при тактовій частоті 100 і 133

МГц.

Celeron

Процесори сімейства Celeron є здешевленою версією процесора Pentium II.

Всі процесори сімейства Celeron підтримують технологію ММХ.

Ядро Covington

Перші процесори Celeron використовували ядро Covington з елементами

розміром 0,25 мкм, що містить 7,5 млн. транзисторів. Тактова частота роботи

процесора складала 266 і 300 МГц, а системної шини — 66 МГц. В ядро була

вбудована кеш-пам'ять першого рівня об'ємом 32 Кбайт.

Кеш-пам'ять другого рівня для даного типу CPU Celeron відсутня.

Набір команд SSE не підтримується.

Процесор встановлюється в гніздо Slot 1. Йому потрібна напруга живлення

2,8В.

Mendocino

Другий процесор сімейства Celeron отримав "в подарунок" від Intel кеш -

пам'ять другого рівня (L2) розміром 128 Кбайт. Причому ця кеш-пам'ять

встановлена не на платі процесора, а безпосередньо в ядрі і працює на тактовій

частоті процесора. Ядро виконано по 0,25 мкм технології, а наявність вбудованої

кеш-пам'яті зумовила збільшення кількості транзисторів до 19 млн. Нове ядро

отримало назву Mendocino.

Набір команд SSE не підтримується.

Тактова частота цього процесора складає 300, 333, 366, 400, 433, 466, 500 і 533

МГц, а тактова частота системної шини — 66 МГц.

Для процесора, що має ядро Mendocino (званого також Celeron 'A' або Celeron

300'А), розроблений роз'єм на 370 контактів — Celeron Socket (або Socket 370). Ці

процесори випускають як в картріджах S.E.C.C. (для установки в Slot 1), так і в

корпусі PPGA (для установки в гніздо Celeron Socket).

Coppermine 128K

Процесор Celeron з ядром Coppermine, виконаним по 0,18 мкм технології, є

подальшим розвитком CPU сімейства Celeron. Він випускається в корпусі FC-PGA і

містить 128 Кбайт інтегрованої кеш - пам'яті. Celeron Coppermine 128K підтримує

тактову частоту системної шини 66 МГц. Крім того, він підтримує SIMD-інструкції

SSE.

Тактова частота Celeron Coppermine складає 533, 566 і 600 МГц.

Хеоn

Процесори сімейства Хеоn розроблені спеціально для використання в серверах

і багатопроцесорних системах.

Deschutes

Основна відмінність цього процесора від Pentium II з ядром Deschutes полягає

в тому, що він взаємодіє на тактовій частоті роботи ядра з кеш-пам'яттю другого

рівня, розташованою на платі процесора. Об'їм кеш-пам'яті (L2) може складати 512

Кбайт, 1 і 2 Мбайт.

Tanner

108

В наступному процесорі сімейства Хеоn використовується ядро Tanner. Воно

виконано по 0,25 мкм технології, підтримує функції SSE і працює на тактовій

частоті 450 МГц і більш.

Cascades

В січні 1999 р. Intel анонсувала новий CPU сімейства Хеоn з ядром Cascades,

виконаним по 0,18 мкм технології. Цей CPU отримав власну назву Pentium III Xeon.

В ядро Cascades інтегрована кеш-пам'ять (L2) об'ємом 256 Кбайт. Внутрішня

тактова частота процесора складає більше 600 МГц, тактова частота системної шини

— 133 МГц.

K6-2

Процесор AMD K6-2 (K6-3D, Chompers) анонсований фірмою AMD в 1998 р.

На відміну від свого попередника AMD Кб, в ядро CPU K6-2 доданий новий модуль

з конвейєрною структурою для обробки 24 нові 3D інструкцій для прискорення

обробки тривимірної графіки, аудіо- і відеоданих. Цей модуль отримав назву

3DNow!.

На відміну від технології ММХ, заснованої на роботі з цілими числами, в

набір інструкцій 3DNow! включені команди, що працюють з дійсними числами, що

важливо при розрахунку тривимірних сцен. Теоретично 3DNow! повинен замінити

співпроцесор при розрахунку тривимірних об'єктів. Модуль може виконувати

одночасно до чотирьох SIMD-інструкцій, що: помітно збільшує продуктивність

процесора.

Теоретично продуктивність К6-2 при розрахунку тривимірних об'єктів

перевищує можливості сучасних Pentium II, проте для цього необхідно, щоб додатки

використовували ті ж самі 24 інструкції з урахуванням конвейєрної структури

модуля 3DNow!.

За заявами фірми-виробників багато популярних відеокарт матимуть

підтримку 3DNow!. З'явилися також комп'ютерні ігри, орієнтовані на роботу з цим

модулем. Проте через трудомісткість оптимізації додатків під модуль 3DNow! цей

процес просувається поволі, а для ММХ2 вже розроблений спеціальний компілятор,

який покликаний допомогти розробникам програмного забезпечення.

Інструкції модуля SDNow! не сумісні з набором інструкцій SSE процесорів

корпорації Intel.

Процесор К.6-2 встановлюється в роз'єм Socket 7 і працює на тактовій частоті

266—400 МГц.

Роз'єм Super 7, розроблений при активній участі компанії AMD, є розвитком

недорогої і перевіреної платформи Socket 7. На відміну від Socket 7 платформа Super

7 підтримує:

Тактові частоти системної шини 95 і 100 МГц.

PC 100 SDRAM, Ultra DMA, ACPI, і вимоги специфікації PC 98.

Кеш-пам'ять другого рівня (L2), що працює на частоті процесора, і підтримку

зовнішнього, додаткового кеша третього рівня (L3).

K6-3

На відміну від процесора AMD K6-2, в ядро процесора AMD K6-3 інтегровано

256 Кбайт кеш-пам'яті другого рівня, що працює на частоті процесора. Об'єм кеш-

пам'яті першого рівня (як і в К6-2) складає 64 Кбайт. Крім того, на материнській

платі розташовується кеш-пам'ять; третього рівня (L3) об'ємом від 512 до 2048

109

Кбайт. CPU підтримує тактову частоту системної шини 100 МГц і встановлюється в

роз'єм Super 7.

VIA Cyrix III

Процесор VIA Cyrix III розроблений компанією VIA, яка придбала компанію

Cyrix. CPU встановлюється в роз'єм Socket 370. Кеш-пам'ять першого рівня складає

64 Кбайт (з'єднана), а другого рівня — 256 Кбайт. Кеш-пам'ять інтегрована в ядро.

Тактова частота системної шини — 66/100/133 МГц. CPU підтримує технології

ММХ і 3DNow!. По своїх характеристиках CPU VIA Cyrix III не поступається CPU

Intel.

Даний CPU відомий також під ім'ям Joshua (раніше він називався Jedi) з

частотою 600 МГц з’явився в серпні 1999 р., а 6 березня 2000 р. був оголошений

CPU з тактовою частотою 1000 МГц. Процесор спроектований так, щоб він міг

конкурувати з CPU Pentium III.

Athlon Перші CPU K-7 отримали назву Athlon.

Всі CPU Athlon першого покоління були засновані на 0,22 мкм технології

(площа ядра 184 мм2). Вони мали тактові частоти 500, 550, 600, 650 і 700 МГц. CPU

Athlon другого покоління створюються по 8 мкм технології (площа ядра 100 мм2) і

працюють на тактових частотах 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950 і 1000

МГц. Для CPU K-7 фірма AMD ліцензіювала шину Alpha EV6 від Digital,

використовуючу процесорний інтерфейс Slot А. Шина Alpha EV6 володіє такими

перевагами перед Р6 GTL+. Наприклад, тактова частота шини складає 200 МГц і

може бути збільшена до 400 МГц. Зовні Slot А схожий на Slot 1, але вони несумісні.

Всі CPU Athlon використовують 128 Кбайт (64+64) кеш-пам'яті першого рівня

(L1), інтегрованої в ядро. Об'єм кеш-пам'яті другого рівня (L2), розміщуваній на

платі CPU, може варіюватися від 512 Кбайт до 8 Мбайт. Тактова частота

функціонування кеш-пам'яті L2 залежить від частоти CPU.

110

Тема 10. Сьоме покоління процесорів: Р7 (Intel Pentium 4). Восьме

покоління процесорів: Itanium.

План:

1. Процесори сьомого покоління.

2. Восьме покоління процесорів: Itanium.

Література:[ 5.с.148-153, 8.с.208-215]

Питання для самоконтролю:

1. Що представляє собою процесор AMD K-7?

2. Що представляють собою процесори Athlon першого покоління?

3. Ядро Thunderbird?

4. Ядро Duron?

5. Процесор Pentium IV (Willamate)?

6. Восьме покоління процесорів Itanium?

7. Назвіть технічні характеристики процесора Itanium?

8. Які бувають 3 рівні інтегрованої кеш-памяті?

Процесори сьомого покоління

Процесори сьомого покоління підтримують нову системну шину з тактовою

частотою до 400 МГц. Тактова частота CPU перевищила 1 ГГц.

AMD K-7

23 червня 1999 р. корпорація AMD анонсувала свій перший процесор сьомого

покоління К-7. Реально CPU K-7 з тактовою частотою 500, 550 і 600 МГц з'явилися в

серпні 1999 р., а 6 березня 2000 р. був оголошений CPU з тактовою частотою 1000

МГц. Процесор спроектований так, щоб він міг конкурувати з CPU Pentium III.

Athlon

Перші CPU K-7 одержали назву Athlon. Всі CPU Athlon першого покоління

були засновані на 0,22 мкм технології (площа ядра 184 мм2). Вони мали тактові

частоти 500, 550, 600, 650 і 700 МГц. CPU Athlon другого покоління створюються по

8 мкм технології (площа ядра 100 мм2) і працюють на тактових частотах 550, 600,

650, 700, 750, 800, 850, 900, 950 і 1000 МГц.

Всі CPU Athlon використовують 128 Кбайт (64+64) кеш-пам'яті першого рівня

(L1), інтегрованої в ядро. Об'єм кеш-пам'яті другого рівня (L2), що розміщується на

платі CPU, може варіюватися від 512 Кбайт до 8 Мбайт. CPU має три блоки, що

виконують операції з цілими числами, і три блоки, що виконують операції з числами

з плаваючою крапкою.

З виходом Athlon набір команд 3DNow був розширений (Enhanced 3DNow),

щоб відповідати SSE корпорації Intel. У Athlon було введено 19 нових інструкцій

SIMD, а їх загальне число доведене до 40. Нові інструкції допомагають при обробці

цілих чисел і призначені для підвищення продуктивності кешу.

Thunderbird

CPU Athlon з інтегрованим на ядрі 256 або 512 Кбайт кеш-пам'яті другого

рівня одержав назва Thunderbird. Спочатку цей CPU випускався у форм - факторі

Slot А. Далі був розроблений спеціальний роз'єм Socket А. Ядро Thunderbird

виготовлено по 0,18 мкм технології. Тактова частота CPU — 1,1 ГГц.

111

Duron

CPU Duron (кодова назва Spitfire) — це дешева версія Thunderbird з урізаною

до 64 Кбайт кеш-пам'яттю другого рівня і встановлюваний в роз'єм Socket А. Ядро

Duron виготовлено по 0,18 мкм технології. Тактова частота Duron — 700, 650 і 600

МГц.

Pentium IV (Willamate)

CPU Willamate (званий також Pentium IV) став першою серйозною

модернізацією архітектури Р6 з моменту появи в 1995 р. CPU Pentium. CPU

Willamate використовує нову системну шину Quard Pumped з тактовою частотою

100 МГц, передавальною по 4 пакети даних за один такт. Пропускна спроможність

шини складає 3,2 Гбайт/с, тобто майже в три рази вище, ніж шини з тактовою

частотою 133 МГц. Об'єм кеш-пам'яті першого рівня складає 256 Кбайт, кеш-пам'яті

другого рівня — від 512 до 1024 Кбайт. Тактова частота складає 1500 Ггц. CPU

встановлюється в роз'єм Socket-462. CPU Willamate є останнім 32-розрядним CPU

корпорації Intel, виготовлений по архітектурі IA-32.

Надалі Intel переходить на архітектуру IA64 (Ilanium (Merced), McKinly,

Madison, Deefield).

Восьме покоління процесорів: Itanium

Процесор Itanium був представлений в травні 2001 року. Itanium є першим

процесором сімейства IA-64 (64-розрядна архітектура Intel), що містить новаторські,

засоби, що підвищують продуктивність системи, до яких належать прогнозування і

попереджуюче виконання.

Основні технічні характеристики процесора Itanium:

Тактова частота процесора — 733 і 800 МГц.

Три рівні інтегрованої кеш-пам'яті:

уніфікована вбудована кеш-пам'ять третього рівня об'ємом 2 або 4 Мбайт, що

працює на повній частоті ядра, містить інтегровану 128 -розрядну шину кешу;

уніфікована вбудована кеш-пам'ять другого рівня об'ємом 96 Кбайт, що працює на

повній частоті ядра;

сегментована кеш-пам'ять першого рівня об'ємом 32 Кбайт (16 Кбайт для кеш-

пам'яті інструкцій і 16 Кбайт для кеш-пам'яті даних).

64-розрядна (плюс 8 розрядів для виконання ЕСС) шина процесора з тактовою

частотою 266 МГц і пропускною спроможністю 2,1 Гбайт/с.

Кількість транзисторів — 25 млн. плюс до 300 млн. транзисторів в кеш-пам'яті

третього рівня.

Адресація до 16 Тбайт фізичної пам'яті (44-розрядна шина адреси).

Повна сумісність з 32-розрядними інструкціями апаратного забезпечення.

Технологія EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing), що дозволяє виконувати

до 20 операцій за один такт.

Два цілочисельні модулі і два блоки пам'яті, що дозволяють виконувати до чотирьох

інструкцій за один такт.

Два модулі FMAC (Floating-point Multiply Accumulate) з 82-розрядними операндами.

Кожен модуль FMAC дозволяє виконати до двох операцій з плаваючою комою

протягом одного такту.

Два додаткові модулі ММХ, кожний з яких дозволяє виконати до двох операцій FP

із звичайною точністю.

В цілому протягом одного такту може бути виконані до восьми операцій FP

112

(Floating-point).

128 регістрів для роботи з цілими числами, 128 регістрів з плаваючою комою, 8

регістрів розгалуження, 64 регістри предиката.

Корпус розміром 3x5 дюймів (приблизно 75x125 мм) містить процесор і кеш -

пам'ять третього рівня об'ємом 4 або 2 Мбайт відповідно.

Спеціалізований силовий роз'єм корпусу покращує цілісність сигналу.

Itanium — перший мікропроцесор, в основу якого покладена 64-розрядна

архітектура IA-64. Це абсолютно нова архітектура процесора, в якій

використовується концепція (Very Long Instruction Words— дуже довгі командні

слова), прогноз команд, видалення переходу, попереджуюче завантаження і інші

вдосконалені методи, що дозволяють збільшити паралелізм програмного коду.

Мікросхема містить елементи як RISC, так і CISC.

Процесор Itanium має підтримку чотирьох операційних систем, до числа яких

увійшли Microsoft Windows (64-розрядний ХР Edition і 64-розрядний Windows

Advanced Server Limited Edition 2002), Linux (від чотирьох компаній-дистриб'юторів:

Red Hat, SUSE, Caldera і Turbo Linux) і дві версії Unix (HP-UX 1 li v 1.5 від Hewlett-

Packard і AIX-5L від IBM).

Перші процесори Itanium були створені за 0,18-мікронною технологією;

подальші версії створювалися вже за 0,13-мікронною технологією.

У процесорі Itanium використовується новий тип корпусу Pin Array Cartridge

(РАС). Цей корпус містить кеш-пам'ять третього рівня і підключається в роз'єм

РАС418 (418 виводів), встановлений на системній платі. Розміри корпусу складають

приблизно 75x125 мм, вага — біля 170 г. У нижній частині корпусу знаходиться

металева пластина, призначена для розсіювання тепла. Корпус Itanium має чотири

фіксатори, використовуваних при установці процесора в системну плату.

Itanium містить три рівні кеш-пам'яті. Кеш-пам'ять першого рівня пов'язана з

виконавчим модулем і підтримується вбудованою кеш-пам'яттю другого рівня. Кеш-

пам'ять третього рівня об'ємом 2 або 4 Мбайт розміщена на окремому кристалі в

корпусі процесора.

113

Модуль 4. Запам’ятовуючі пристрої.

Тема 1. Оперативна пам’ять. Принцип роботи та основні характеристики

мікросхем пам’яті.

План:

1. Оперативна пам'ять: основні поняття.

2. Класифікація пам’яті.

3. Принцип роботи.

4. Основні характеристики мікросхем пам'яті

Література:[ 5.с.155-163, 8.с.406-414]

Питання для самоконтролю:

1. Що таке оперативна пам'ять?

2. Які види пам'яті бувають?

3. Як розділяється динамічна пам’ять?

4. Як розділяється статична пам’ять?

5. Як розділяється енергонезалежна пам’ять?

6. В чому полягає принцип роботи пам'яті?

7. Назвіть основні характеристики мікросхем пам'яті?

Оперативна пам'ять: основні поняття Оперативна пам'ять — це робоча область для процесора комп'ютера. У ній під

час роботи зберігаються програми і дані. Оперативна пам'ять часто розглядається як

тимчасове сховище, тому що дані і програми в ній зберігаються тільки при

включеному комп'ютері або до натиснення кнопки скидання (reset). Перед

виключенням або натисненням кнопки скидання всі дані, піддані змінам під час

роботи, необхідно зберегти на пристрої, що запам'ятовує, який може зберігати

інформацію постійно (зазвичай жорсткий диск). При новому включенні живлення

збережена інформація знов може бути завантажена в пам'ять.

Пристрої оперативної пам'яті іноді називають пристроями, що запам'ятовують,

з довільним доступом. Це означає, що звернення до даних, що зберігаються в

оперативній пам'яті, не залежить від порядку їх розташування в ній. Коли говорять

про пам'ять комп'ютера, зазвичай мають на увазі оперативну пам'ять, перш за все

мікросхеми пам'яті або модулі, в яких зберігаються активні програми і дані,

використовувані процесором. Проте іноді термін пам'ять відноситься також до

зовнішніх пристроїв, що запам'ятовують, таких, як диски і накопичувачі на

магнітній стрічці.

RAM (Random Access Memory) це термін, що позначає основний робочий

простір пам'яті, що створюється мікросхемами динамічної оперативної пам'яті

(Dynamic RAM — DRAM) і використовується процесором для виконання програм.

Однією з властивостей мікросхем DRAM (і, отже, оперативній пам'яті в цілому) є

динамічне зберігання даних, що означає, по-перше, можливість багатократного

запису інформації в оперативну пам'ять, а по-друге, необхідність постійного

оновлення даних (тобто, по суті, їх перезапис) приблизно кожні 15 мс. Також існує

так звана статична оперативна пам'ять (Static RAM — SRAM), що не вимагає

114

постійного оновлення даних. Слід відмітити, що дані зберігаються в оперативній

пам'яті тільки при включеному живленні.

Пам'ять DRAM і SRAM зберігає дані тільки до тих пір, поки подається

напруга. Проте у разі флеш-пам'яті це не так. Саме тому флеш - пам'ять знайшла

широке застосування в цифрових фотоапаратах, USB-брелоках і інших подібних

пристроях. У ПК пристрій на основі флеш-пам'яті розпізнається як дисковий

накопичувач (а не ОЗП), доступ до якого здійснюється стандартним чином — по

букві диска, як при роботі з будь-яким жорстким диском або оптичним

накопичувачем.

Під комп'ютерною пам'яттю зазвичай мається на увазі ОЗУ (RAM), тобто

фізична пам'ять системи, яка складається з мікросхем або модулів пам'яті,

використовуваних процесором для зберігання основних, запущених у нинішній

момент часу програм і даних При цьому термін сховище даних відноситься не до

оперативної пам'яті, а до таких пристроїв, як жорсткі диски і накопичувачі на

магнітній стрічці (які, проте, можна використовувати як різновид RAM, що одержав

назву віртуальна пам'ять).

Термін оперативна пам'ять часто позначає не тільки мікросхеми, які

сполучають пристрої пам'яті в системі, але включає і такі поняття, як логічне

відображення - розміщення. Логічне відображення — це спосіб представлення адрес

пам'яті на логічно встановлених мікросхемах. Розміщення — це розташування

інформації (та і команд) визначеного типу за конкретними адресами пам'яті системи.

Під час виконання програми в оперативній пам'яті зберігаються її дані.

Мікросхеми оперативної пам'яті (RAM) іноді називають енергозалежною пам'яттю:

після виключення комп'ютера дані, що зберігаються в них, будуть втрачені, якщо

вони заздалегідь не були збережені на диску або іншому пристрої зовнішньої

пам'яті. Щоб уникнути цього, деякі додатки автоматично роблять резервні копії

даних.

Файли комп'ютерної програми при її запуску завантажуються в оперативну

пам'ять, в якій зберігаються під час роботи з вказаною програмою. Процесор

виконує програмно реалізовані команди, що містяться в пам'яті, і зберігає їх

результати. Оперативна пам'ять зберігає коди натиснутих клавіш при роботі з

текстовим редактором, а також величини математичних операцій. При виконанні

команди Зберегти (Save) вміст оперативної пам'яті зберігається у вигляді файлу на

жорсткому диску.

Фізично оперативна пам'ять в системі є набором мікросхем або модулів, що

містять мікросхеми, які зазвичай підключаються до системної плати. Ці мікросхеми

або модулі можуть мати різні характеристики і, щоб функціонувати правильно,

повинні бути сумісні з системою, в яку встановлюються.

У сучасних комп'ютерах використовуються пристрої трьох основних типів, що

запам'ятовують.

• ROM (Read Only Memory). Постійний пристрій, що запам'ятовує, — ПЗП, не

здатний виконувати операцію запису даних.

• DRAM (Dynamic Random Access Memory). Динамічний пристрій, що

запам'ятовує, з довільним порядком вибірки.

• SRAM (Static RAM). Статична оперативна пам'ять.

115

Пам'ять Пам'ять є одним з основних елементів будь-якої обчислювальної системи.

Елементи пам'яті в тому або іншому вигляді присутні в кожному конструктивному

модулі PC.

Оперативна пам'ять — тимчасова пам'ять, тобто дані зберігаються в ній тільки

до виключення PC. Для довготривалого зберігання інформації служать дискети,

вінчестери, компакт-диски і т.п.

Конструктивно вони виконані у вигляді модулів, так що при бажанні можна

порівняно просто замінити їх або встановити додаткові і тим самим змінити

(швидше за все, збільшити) об'єм оперативної пам'яті PC.

Рисунок 14 – Класифікація пам’яті

Щоб CPU міг виконувати програми, вони повинні бути завантажені в

оперативну робочу пам'ять, тобто в пам'ять, доступну для програм користувача. До

даним, що знаходяться в оперативній пам'яті (Random Access Memory, RAМ —

Пам'ять з довільним доступом), CPU має безпосередній доступ, а до периферійної,

або зовнішній пам'яті (гнучким і жорстким дискам) _ через буфер, що є також

різновидом оперативної пам'яті, недоступної користувачеві. Тільки після того, як

програма буде завантажена в RAM із зовнішнього носія даних, можлива подальша її

робота. Час доступу до даним, що знаходяться в RAM, мало, тому швидкість їх

обробки велика.

Недолік оперативної пам'яті полягає в тому, що вона тимчасова, тобто при

відключенні живлення оперативна пам'ять повністю очищається, і дані, не записані

на зовнішній носій, будуть втрачені.

Основне завдання RAM — надавати на вимогу CPU необхідну інформацію. Це

означає, що дані у будь-який момент повинні бути доступні для обробки.

Тимчасовий характер запам'ятовування даних в оперативній пам'яті

визначається не тільки наявністю живлення. Річ у тому, що оперативна пам'ять

відноситься до категорії динамічної пам'яті: її вміст залишається незмінним

протягом дуже короткого проміжку часу, тому пам'ять повинна періодично

оновлюватися.

Елементом динамічної пам'яті, що запам'ятовує, є конденсатор, який може

знаходитися в зарядженому або розрядженому стані. Якщо конденсатор заряджений,

116

то в комірку записана логічна 1, якщо розряджений - логічний 0. У ідеальному

конденсаторі заряд може зберігатися необмежений час. У реальному конденсаторі

існує струм витоку, тому інформація, записана в динамічну пам'ять, з часом буде

втрачена, оскільки конденсатори елементів, що запам'ятовують, повністю

розрядяться. Щоб пояснити цей процес, представимо елемент пам'яті як відро з

водою, яке може бути або порожнім (стан 0, відповідно Out), або повним (стан 1,

відповідно In). Проте в цьому відрі є такі маленькі дірки, що вода (інформація)

витікала б по краплі, якби "водоносові" (спеціальній логічній схемі) не було

доручено компенсувати збиток води (даних) так, щоб рівень її залишався незмінним.

Цей процес називається регенерацією пам'яті (Refresh). Діяльність "водоноса" має

величезне значення, тому йому не можна заважати. Це означає, що CPU має доступ

до даних, що знаходяться в RAM, тільки протягом циклів, вільних від регенерації.

Єдиним способом регенерації інформації, що зберігається в пам'яті, є

виконання операції читання/запису даних. Якщо інформація заноситься в динамічну

пам'ять, а потім протягом декількох мілісекунд залишається незатребуваною, вона

буде втрачена, оскільки конденсатори елементів, що запам'ятовують, повністю

розрядяться.

Регенерація пам'яті відбувається при виконанні кожної операції читання або

запису. Проте немає гарантії, що при виконанні будь-якої програми відбудеться

звернення до всіх осередків пам'яті, тому є спеціальна схема, яка через (наприклад,

кожні 2 мс) певні проміжки часу здійснюватиме доступ (для прочитування) до всіх

рядків пам'яті. У ці моменти CPU знаходиться в стані очікування. За один цикл

схема регенерує всі рядки динамічної пам'яті.

Принцип роботи Елементи пам'яті організовані в матрицю, що складається з рядків і стовпців.

Повна адреса комірки даних включає два компоненти — адресу рядка (row Адреса,

біт) і адресу стовпця (column Адреса, біт).

Коли CPU (або пристрій, що використовує канал DMA) звертається до пам'яті

для читання інформації, на входи мікросхеми ОЕ (Output Enabled), потім подається

адреса рядка і одночасно з (або із затримкою) сигнал RAS (Row Адреса, біт Strobe).

Це означає, що кожна шина стовпця з'єднується з елементом пам'яті вибраного

рядка. Адреса комірки поступає по адресних лініях (у нашому випадку їх десять) на

дешифратор, який перетворить набір нулів і одиниць, що поступив, в номер рядка.

Місткість конденсатора дуже мала (долі пікофаради) і його заряд теж малий, тому

використовується підсилювач, підключений до кожної шини стовпця динамічної

пам'яті. Інформація прочитується зі всього рядка елементів, що запам'ятовують,

одночасно і поміщається в буфер вводу/виводу. З незначною затримкою після

сигналу RAS на входи динамічної пам'яті подається адреса стовпця і сигнал CAS

(Column Адреса, біт Strobe) При читанні дані вибираються з буфера вводу/виводу і

поступають на вихід динамічної пам'яті відповідно до адреси стовпця.

При прочитуванні інформації з елементів пам'яті походить її руйнування, тому

проводиться перезапис ліченої інформації: виходи регістра рядка знову з'єднуються

із загальними шинами стовпців пам'яті, щоб перезаписати лічену інформацію з

рядка. Якщо комірка мала заряд, то вона знову буде заряджена ще до завершення

циклу читання. На комірки, які не мали заряду, напруга не подається.

Якщо виконується запис в пам'ять, то подається строб запису WE (Write

Enable) і інформація поступає на відповідну шину стовпця не з буфера, а з входу

117

пам'яті відповідно до адреси стовпця. Таким чином, проходження даних при записі

задається комбінацією сигналів, що визначають адресу стовпця і рядка, а також

сигналом дозволу запису даних в пам'ять.

Основні характеристики мікросхем пам'яті Основними характеристиками елементів (мікросхем) пам'яті є:

Тип

Емність

Розрядність

Швидкодія

Тимчасова діаграма

Емність і розрядність З мікросхеми, що має одну лінію вводу/виводу, CPU може одночасно рахувати

тільки один біт даних. Для підвищення швидкості обміну даними між CPU і

пам'яттю були розроблені мікросхеми, що мають 4, 8 і 16 ліній вводу/виводу.

Подібні мікросхеми мають відповідно 4, 8 або 16 однакових матриць елементів

пам'яті. Таким чином, під час вступу на входи мікросхеми адреси комірки

проводиться одночасне читання (запис) всіх комірок, що знаходяться за даною

адресою, але в різних матрицях. В цьому випадку одночасно прочитується,

записується відразу декілька біт інформації. Наприклад, якщо мікросхема має 8

ліній вводу/виводу (відповідно 8 матриць), то CPU може прочитувати (записувати)

інформацію побайтно.

Кількість ліній вводу/виводу визначає розрядність шини вводу/виводу

мікросхеми.

Кількість біт інформації, яке зберігається в комірках кожної матриці

називається глибиною адресного простору (Depth Адреса, біт) мікросхеми пам'яті.

Таким чином, загальна місткість мікросхеми пам'яті визначається множенням

глибини адресного простору на кількість ліній вводу/виводу (розрядів). Наприклад,

місткість мікросхеми пам'яті, що має глибину адресного простору 1 Мбайт і 4 лінії

вводу/виводу (чотирирозрядну шину вводу/виводу), складає 1 Мбайт х 4 = 4 Мбайт.

Така мікросхема позначається 1x4, 1Мх4, хх4400 або хх4401.

Швидкодія Продуктивність мікросхеми динамічної пам'яті характеризується часом

виконання елементарних дій між двома операціями читання або запису даних.

Послідовність цих операцій називають робочим циклом (або циклом звернення). Він

включає вказівку адреси даних (RAS, вибір рядка, CAS, вибір стовпця), читання

(запис). Час необхідний для читання (запису) даних, що зберігаються за випадковою

адресою, називається часом доступу (Access time). Для сучасних мікросхем він

складає 40—60 нс, що відповідає частоті появи даних 16,7—25 МГц на виході

мікросхеми.

У реальних умовах звернення до пам'яті частіше відбувається не за

випадковою адресою, тому робочий цикл коротший.

У міру удосконалення мікросхем DRAM (EDO DRAM, BEDO DRAM,

SDRAM) тривалість робочого циклу стала показником їх швидкодії. Оскільки

архітектура мікросхем динамічної пам'яті не змінилася, час виконання дій між двома

довільними операціями читання або запису (час доступу) залишився тим самим.

Проте якщо перший цикл звернення до DRAM триває 50, 60 або 70 нс, то подальші

цикли значно коротші.

118

Тимчасова діаграма Між CPU і елементами пам'яті не повинно бути тимчасового розузгодження,

обумовленого різною швидкодією цих компонентів. Проте, навіть сучасні

асинхронні мікросхеми EDO DRAM, що мають час робочого циклу 20 нс, не можуть

працювати з частотою більше 50 МГц, тому CPU вимушений простоювати.

Тимчасова діаграма показує залежність тактової частоти системної шини від

типу пам'яті. Вона характеризує кількість тактів, які необхідні CPU для виконання

чотирьох послідовних операцій прочитування даних. Наприклад, якщо є 8-розрядна

мікросхема пам'яті типу EDO, то діаграма 5-2-2-2 означає, що для прочитування

першого байта необхідно п'ять тактів CPU, а для прочитування три подальших

байтів — два такти.

Забігаючи небагато вперед, відзначимо, що обмін даними між CPU і RAM

здійснюється по 32- (для CPU 80486) або 64-розрядній (для Pentium) системній

шині, а мікросхеми пам'яті організовані в 32- або 64-розрядні модулі пам'яті, тому

обмін даними здійснюється шляхом передачі подвоєних або почетверених слів.

Саме у зв'язку з цим в PC на базі CPU 80486 або Pentium повинні встановлюватися

елементи пам'яті, що забезпечують час доступу менше 60 нс.

119

Тема 2. Динамічна пам’ять. DRAM, FPM DRAM, EDO DRAM, BEDO

DRAM, CDRAM, EDRAM, SDRAM, DDR SDRAM, Direct RDRAM, SLDRAM.

План:

1. DRAM.

2. FPM DRAM.

3. EDO DRAM.

4. BEDO DRAM.

5. CDRAM.

6. EDRAM.

7. SDRAM.

8. DDR SDRAM.

9. Direct RDRAM.

10. SLDRAM.

Література:[ 5.с.165-178, 8.c.419-422]

Питання для самоконтролю:

1. Що представляє собою пам'ять DRAM?

2. Пам'ять типу FPM DRAM і BEDO DRAM?

3. Пам'ять SDRAM(Sychronous DRAM)?

4. Тип пам'яті ESDRAM і DDR SDRAM(SDRAM II)?

5. Пам'ять SLDRAM?

DRAM

Буква "D" в абревіатурі "DRAM" означає "динамічна", тобто для збереження

даних, записаних в мікросхемі пам'яті, необхідна їх періодична регенерація. Всі

мікросхеми DRAM мають матричну організацію, причому кожен елемент матриці

(мініатюрний конденсатор) зберігає один біт даних і адресується за допомогою

наступних сигналів: RAS, адреса рядка, CAS і адреса стовпця.

Цикл регенерації відбувається при фіксації адреси стовпця і циклічній зміні

адреси рядка. Отже, ніж менше рядків в матриці мікросхеми, тим коротше цикл

регенерації.

Часто в описі мікросхем можна зустріти наступну характеристику: 2k refresh,

4k refresh і т.п. Число nk означає довжину рядка, тобто кількість стовпців. Річ у

тому, що "нормальна" кількість стовпців і рядків для чіпа організації 4x4 чисельно

рівно 2 Кбіт (4 Мбіт = 1024x1024x4 = 104 8576x4 = = 4 194 304 бітів, л/4 194304 =

2048 бітів). Проте з метою підвищення швидкодії були розроблені мікросхеми з

"неквадратною" матрицею, що мають 1 Кбіт рядків і, відповідно, стовпців, що

дозволило скоротити час регенерації.

В процесі вдосконалення технології виготовлення DRAM були розроблені

інші типи пам'яті: РМ, FPM, EDO і SDRAM.

FPM DRAM Пам'ять типу DRAM, що реалізовує сторінковий режим, називається FPM

DRAM (Fast Page Mode DRAM).

120

У мікросхемах FPM DRAM сигнал CAS використовується не тільки для

адресації стовпця, але і для вказівки "терміну придатності" адреси, тобто часу,

протягом якого виконуватиметься прочитування даних (рисунок 15).

Рисунок 15 – Структура мікросхеми FPM DRAM

Пам'ять цього типу з'явилася в останніх моделях PC з CPU 80486 і набула

широкого поширення. Час доступу процесора до пам'яті при використанні

мікросхем FPM DRAM (60 нс) скоротився на 40% в порівнянні з часом доступу до

звичайних DRAM. Час робочого циклу останніх чипів склав 35 нс. Проте,

мікросхемам FPM DRAM не вдавалося "догнати" за процесором, якщо частота

системної шини перевищувала 28 МГц.

EDO DRAM У комп'ютерах на базі CPU Pentium широко застосовується пам'ять типу EDO

DRAM (Extended Data Output).

Структурна схема EDO DRAM схожа на схему FPM DRAM. Відмінність

полягає в тому, що для FPM DRAM лінії введення/виводу даних відключалися від

системної шини, як тільки починалося завдання адреси наступного біта, а в режимі

EDO лінії залишаються підключеними до закінчення введення нової адреси і,

відповідно, початку виведення наступного біта. Замість сигналу CAS для вказівки

кінця операції читання використовується сигнал ОЕ (Output Enable). Таким чином,

пам'ять EDO дозволяє одночасно прочитувати дані і задавати адресу наступних

даних, що, у свою чергу, скорочує тривалість робочого циклу.

Модулі пам'яті EDO працюють на 10—15% швидше, ніж FPM DRAM. Вони

працюють без затримки з системними шинами, що працюють на тактовій частоті 50

МГц (1: 20 нс = 50 МГц). Проте, перевага EDO перед FPM виявляється лише при

читанні даних — одночасне виконання операцій запису і адресації неможливе.

BEDO DRAM Мікросхеми BEDO DRAM (Burst EDO) — це різновид EDO DRAM. На відміну

від EDO в мікросхему BEDO доданий спеціальний генератор номера стовпця. Після

першого надходження на вхід мікросхеми адреси осередку і сигналів RAS і CAS,

для подальших чотирьох стовпців сигнал CAS генерується усередині мікросхеми.

Це призводить до того, що якщо при тактовій частоті системної шини 66 МГц

тимчасова діаграма для FPM складає 6-3-3-3, для EDO — 5-2-2-2, то для BEDO — 4-

121

1-1-1. Як видно, тимчасова діаграма BEDO співставима з діаграмою SDRAM, але

BEDO не може працювати на тактовій частоті 100 МГц. Крім того, в той час, коли

з'явилися мікросхеми BEDO DRAM, корпорація Intel посилено просувала на ринок

SDRAM.

У PC з CPU 80486 пам'ять типу EDO і BEDO, як правило, не підтримується.

CDRAM, EDRAM Мікросхеми CDRAM (Cache DRAM) і EDRAM (Enhanced DRAM) містять

небагато елементи швидкої пам'яті SRAM, що мають час доступу 10—15 нс.

Наприклад, на одному кристалі можуть знаходитися 4 Мбайт DRAM і 16 Кбайт

SRAM. Інтегровані елементи SRAM в даному випадку можна розглядати як

вбудовану кеш-пам'ять.

SDRAM До 1997 р. проводилися тільки асинхронні мікросхеми DRAM, тобто такі,

робота яких не синхронізована з частотою роботи системної шини.

Асинхронні елементи мають тільки інформаційні входи і спрацьовують

безпосередньо після зміни сигналу на входах. Сигнал на виході з'являється через

деякий час. Воно не регламентується і може змінюватися залежно від температури і

від старіння напівпровідникових елементів. Основним недоліком асинхронних

елементів є їх низька перешкодостійкість, що виявляється в збоях при роботі PC.

Для спрацьовування синхронних елементів зміни сигналів на входах

недостатньо. Необхідний додатковий тактуючий сигнал, який подається на

відповідний вхід. Як такий сигнал вибраний тактовий сигнал системної шини. Цей

сигнал задає частоту зміни інформації в певні моменти часу. У ці ж моменти

оновлюється інформація на виходах елементів. Таким чином, процеси запису і

прочитування інформації в пам'ять строго прив'язані до тактів CPU або шини.

Всі розглянуті вище елементи пам'яті (FPM, EDO, BEDO DRAM) працюють

асихронно з тактовою частотою системної шини. Тому для передачі даних з пам'яті

в CPU необхідне підтвердження зв'язку між CPU і контроллером пам'яті.

Процес читання даних організований таким чином. CPU повідомляє

контроллер пам'яті за допомогою сигналу ADS, що йому необхідні дані,

розташовані за певною адресою. Потім здійснюється цикл читання даних з DRAM.

Коли дані прочитані і знаходяться на вихідних лініях DRAM, контроллер пам'яті

посилає процесору сигнал BRDY і лише тоді дані поступають на CPU. Якщо дані ще

не готові, то CPU вимушений здійснювати неодружені цикли (Weitstate) у

очікуванні даних. Пам'ять типу BEDO-DRAM може поставляти дані CPU і без циклу

очікування, але тільки при тактовій частоті системної шини до 66 МГц.

У 1997 р. для синхронізації роботи пам'яті і системної шини

використовувалася мікросхема синхронної динамічної пам'яті SDRAM (Sychronous

DRAM). Метод доступу до рядків і стовпців даних в мікросхемах SDRAM і

стандартною DRAM реалізований однаково. Відмінність полягає в наступній: всі

операції в мікросхемах SDRAM синхронізовані з тактовою частотою CPU, тобто

пам'ять і CPU працюють синхронно без циклів очікування.

Спочатку SDRAM була запропонована як дешевша за вартістю альтернатива

дорогої відеопам'яті VRAM (Video RAM), використовуваної у відеоадаптерах.

За рахунок виключення циклів очікування скоротився час виконання команд і

передачі даних. Сучасні мікросхеми SDRAM можуть працювати на тактових

частотах CPU 66, 75, 83, 100, 125 і 133 МГц.

122

Рисунок 16 – Структурна схема SDRAM

Крім того, для скорочення часу вибірки даних в мікросхемі SDRAM

передбачено чергування адрес, а також пакетний режим; використовується

триступінчата конвейєрна адресація, яка дозволяє здійснити доступ до запитаних

даних до завершення обробки попередніх.

Все це дозволило скоротити час робочого циклу мікросхеми 8—10 нс (1: 10 нс

= 100 МГц) і підвищити швидкість передачі даних 800 Мбайт/с при тактовій частоті

системної шини 100 МГц.

Внутрішня архітектура SDRAM припускає два або більш за банк. Структурна схема

SDRAM; що має 4 банки місткістю по 4 Мбайт і 4 лінії введення/виводу,

представлена на рисунку 16.

Модулі пам'яті, на яких встановлені мікросхеми SDRAM, підтримують всі

материнські плати, обладнані Chipset, починаючи з Intel 82430VX/HX. В даний час

SDRAM витіснила широко поширені ще недавно FPM DRAM і EDO DRAM.

PC 100/133 SDR AM При тактовій частоті системної шини 100 МГц багато мікросхем SDRAM

працювали нестійкий, тому для такої системної шини корпорація Intel розробила

специфікацію мікросхем пам'яті, що одержала назву PC 100.

Мікросхеми пам'яті PC 100 SDRAM випускаються в корпусі TSOP, а кількість

висновків залежить від глибини адресного простору мікросхеми.

Із збільшенням тактової частоти системної шини до 133 МГц з'явилися

мікросхеми SDRAM, що підтримують дану тактову частоту. Вони одержали назву

РС133 SDRAM.

123

ESDRAM

Мікросхеми ESDRAM є розширенням мікросхем SDRAM. У мікросхемі

інтегровані елементи SDRAM, що дозволяють працювати на частоті системної шини

66, 100 і 166 МГц. Час робочого циклу скоротився до 8 нс. Мікросхеми повністю

сумісні з РС100 SDRAM.

DDR SDRAM (SDRAM II) DDR SDRAM (Double Date Rate — Подвоєна швидкість передачі даних) або

SDRAM II є наступним поколінням SDRAM. DDR SDRAM складається з чотирьох

незалежних банків, в яких команди можуть оброблятися паралельно.

На відміну від SDRAM, пам'ять цього типа має ряд удосконалень, що

дозволяють підвищити її швидкодію в 2 рази.

При використанні технології DDR можна читати дані по фронту і спаду

тактового сигналу системної шини, що дає можливість виконувати два звернення за

час одного циклу звернення до стандартної SDRAM.

При передачі даних по фронту і спаду імпульсу сигналу синхронізації

критичним є час затримки розповсюдження сигналу. Тому на відміну від

"звичайних" SDRAM для синхронізації пересилки даних використовується не тільки

тактовий сигнал системної шини, але і додатковий строб-сигнал — DQS, що

поступає паралельно з даними (рисунок 17). За рахунок цього досягається чіткіша

синхронізація даних.

Рисунок 17 – Часова діаграма DDR SDRAM

При використанні мікросхем DDR SDRAM швидкість передачі даних складає

1600 і 2100 Мбайт/с (при тактовій частоті шини пам'яті відповідно 100 і 133 МГц).

На відміну від специфікацій РС66, PC 100, PC 133 SDRAM, в назву яких входить

тактова частота шини пам'яті, в назві мікросхем DDR SDRAM розробники

запропонували використовувати максимальну пропускну спроможність. Тому

мікросхеми DDR, використовувані при тактовій частоті шини пам'яті 100 МГц,

називаються РС1600, а 133 МГц - РС2100.

Перші зразки мікросхем DDR SDRAM з'явилися в 1998 р. і широко

використовувалися як пам'ять, що встановлюється на відеоадаптерах.

На жаль, Chipset не підтримували модулі DDR SDRAM. Положення повинне

змінитися в кінці 2000 — початку 2001 р.р., коли корпорація VIA представить на

ринку свій Chipset VIA Apollo Pro 266 і VIA Apollo KX-266, а AMD - Chipset AMD

760.

За попередніми оцінками продуктивності, пам'ять DDR SDRAM не

поступається пам'яттю Direct DRAM, яку посилено просуває на ринок корпорація

Intel. За вартістю і простотою модернізації наявних Chipset пам'ять DDR SDRAM

перевершує свого конкурента.

124

У 2003 р. планується вихід наступного покоління DDR SDRAM — DDR II,

коли за один такт передаватимуться чотири пакети даних. Таким чином, пропускна

спроможність пам'яті при тактовій частоті 10.0 МГц і 64-розрядній шині складе 3,2

Гбайт/с. Проте, на той час розрядність шини пам'яті і тактова частота можуть

збільшитися удвічі, тому пропускна спроможність може скласти 12,8 Гбайт/с.

Direct RDRAM Невелика американська фірма Rambus почала розробку нового типу пам'яті в

1992 р. Вже через 3 роки вона анонсувала принципово нову технологію — Rambus.

Нова технологія подразумевала наявність вдосконалених мікросхем пам'яті Base

RDRAM і так званого Rambus-каналу, що включає високошвидкісну 8-розрядну

шину (700 МГц) і спеціальний контроллер пам'яті. Пропускна спроможність пам'яті

склала 600 Мбайт/с, що перевершує аналогічний показник деяких сучасних модулів

пам'яті.

У 1995г. фірма уклала угоду з корпорацією Intel, яка підтримала перспективні

розробки фірми Rambus, і приступила до розробки і випуску Chipset, що

підтримують технологію Rambus.

Слід зазначити, що мікросхеми Base RDRAM і Concurent RDRAM (1997 р.)

були розроблені не як елементи RAM для PC, а як пам'ять для ігрових приставок і

графічних адаптерів.

Корпорація Intel планує до 2000 р. повністю перейти на виробництво

мікросхем пам'яті типу Direct DRAM і відмовитися від SDRAM (мал. 7.12).

У мікросхемі Direct DRAM збереглися старі принципи запису і прочитування

даних в осередки матриці, змінилася лише організація банків вибірки даних з

пам'яті.

Шина даних Rambus-каналу 16-розрядна (18-розрядна для мікросхем,

підтримуючих ЕСС), а шина управління — 8-розрядна. Тактова частота шин складає

400 МГц. Оскільки дані пересилаються по передньому і задньому фронту

синхроімпульса, пропускна спроможність пам'яті складає 16 битх400 МГцх2 = 1,6

ГГц/с.

Передача адреси осередку відбувається (із-за високої тактової частоти) по

окремих шинах: одна — для адреси рядка, інша — для адреси стовпця. Передача

адрес здійснюється послідовними пакетами.

В процесі роботи Direct RDRAM виконується конвейєрна вибірка з пам'яті,

причому адреса може передаватися одночасно з даними.

Мікросхеми Direct RDRAM мають місткість 16, 32, 64, 128 і 256 Мбайт.

Планується налагодити випуск мікросхем місткістю 512 Мбайт і 1 Гбайт.

Як заявляють фахівці фірми Rambus, ця технологія також застосовна і до

інших типів пам'яті (SDRAM, EEPROM, ROM Rash і ін.).

Стандарт Rambus DRAM закритий. Основним недоліком мікросхем Rambus

DRAM є їх висока вартість. У 1999 р. корпорація Intel представила на ринку перший

Chipset, орієнтований тільки на Rambus DRAM —1810 (пізніше І810Е, І820 і І840).

Проте під тиском виробників материнських плат корпорація була вимушена

розробляти спеціальний хаб, що дозволяє використовувати модулі SDRAM.

SLDRAM У січні 1997 р. декілька фірм об'єдналися, щоб створити дешевшу, ніж Direct

RDRAM, швидкодіючу пам'ять, орієнтовану, в першу чергу, на установку в PC

вартістю до 1000 USD. Пам'ять нового типа одержала назва SLDRAM (SyncLinc

125

DRAM). Стандарт SLDRAM спочатку планувався як відкритий, що за задумом

членів консорціуму SLDRAM Inc. могло сприяти його швидкому розвитку і

забезпечити довге "життя".

Крім виготівників DRAM, новий стандарт був підтриманий і їх клієнтами —

Apple, Hewlett-Packard, IBM і ін.

Технологія SLDRAM є наступним кроком в розвитку DRAM від FPM DRAM

до DDR DRAM (рисунок 18).

У мікросхемах SLDRAM також використовується класичне ядро DRAM.

Стандарт SLDRAM має переваги стандартів SDRAM і DDR SDRAM. Крім

того, стандарт SLDRAM передбачає протокол пакетної передачі адреси.

Рисунок 18 – Етапи розвитку DRAM

За заявою розробників мікросхеми типу SLDRAM сумісні з попередніми

елементами DRAM.

У першому поколінні SLDRAM (як і в Direct RDRAM), використовується 16-

розрядна шина даних, що працює на тактовій частоті 400 МГц. Подібно DDR

SDRAM і RDRAM, передача даних здійснюється по фронту і спаду тактового

сигналу. Таким чином, пропускна спроможність SLDRAM складає 16 біт х 400

МГцх2 = 1,6 ГГц/с. Надалі розробники планують збільшити пропускну

спроможність SLDRAM за рахунок підвищення тактової частоти системної шини.

Яка з технологій — DDR, Rambus, або SLDRAM — візьме верх, покаже час, а

поки виробники мікросхем пам'яті ще не прийшли до однозначного рішення. Не

дивлячись на те, що корпорація Intel наполегливо просуває технологію Rambus,

виробники DDR DRAM І SLDRAM продовжують боротися за своє існування і

лідерство у області виробництва недорогих PC. Samsung Semiconductor і Hitaclw

Semiconductor почали проводити DDR DRAM. Вони також готові до випуску Direct

Rambus, а Siemens і Micron — до випуску SLDRAM. Компанії Micron і VIA

Technologies розробляють чіпсети (Chipsets), здатні підтримувати RDRAM,

SLDRAM, DDR DRAM.

Деякі характеристики елементів пам'яті різних типів представлені на рисунку

19.

Рисунок 19 – Характеристики елементів пам’яті різних типів

126

Тема 3: Фізична пам'ять. Модулі пам’яті. Маркування модулів пам’яті.

План:

1. Фізична пам'ять

2. Мікросхеми пам'яті

3. Маркування

4. Модулі пам'яті

5. SIP-модулі

6. SIMM модулі

7. DIMM-модулі

8. РС100

9. VC SDRAM

10. DDR

11. RDIMM-модуль

12. RIMM-модуль

Література:[ 5.с.178..214, 8.с.422..438]

Питання для самоконтролю:

1. Які ви знаєте типи корпусу?

2. Що таке маркування на мікросхемах модулів пам’яті?

3. Модулі пам'яті в платі?

4. Які виводи мають SIMM-модулі?

5. Які виводи мають DIMM-модулі?

6. Що таке специфікація РС100?

7. Чим відрізняються RDIMM та RIMM модулі?

Фізична пам'ять

Процесор і архітектура системної плати (набору мікросхем) визначають місткість

фізичної пам'яті комп'ютера, а також типи і форму модулів пам'яті, що використовуються.

Максимальний об'єм встановленої пам'яті визначається не процесором, а

переважно властивостями набору мікросхем.

Мікросхеми пам'яті

Тип корпусу

Перші мікросхеми пам'яті випускалися в так званих DIP-корпусах. (Dual Inline

Package — Корпус з дворядним розташуванням виводів). У таких мікросхем виводи

(Pins) розташовані з боків корпусу.

В даний час на модулі пам'яті встановлюються мікросхеми в корпусі SOJ

(Small Outline J-shaped) і TSOP (Thin Small Outline Package).

Корпус SOJ схожий на корпус DIP, тільки виводи мікросхеми зігнуті і

нагадують літеру "J", що дозволяє їх з успіхом використовувати як при паянні, так і

для установки в спеціальні панельки (гнізда). Мікросхеми пам'яті в корпусах SOJ

встановлюються на SIMM-модулі і застосовуються для розширення пам'яті на

відеокартах.

Корпус TSOP плаский і має горизонтально розташовані виводи, придатні

тільки для паяння. Такі мікросхеми встановлюються на DIMM-модулі з живленням

3,3 В.

127

Маркування На кожну мікросхему пам'яті нанесене маркування, яке містить інформацію

про фірму-виробника, характеристики елемента пам'яті, матеріал, з якого

виготовлена мікросхема, і іншу службову інформацію.

Рисунок 20 – Розшифровка маркувань мікросхем пам’яті фірм LG, Mosel

Vitelic i Micron.

Відповідно до вимог корпорації Intel мікросхеми пам'яті специфікації PC 100

SDRAM повинні мати спеціальне гравіювання (або наклейку), на якому міститься

інформація про мікросхему.

Модулі пам'яті З метою зменшення розмірів компонентів PC, у тому числі і елементів

оперативної пам'яті були розроблені мікросхеми пам'яті в планарному корпусі (SOJ,

TSOP і ін.). Ця конструкція отримала назву модуль пам'яті.

Інтегральні мікросхеми в планарном корпусі встановлюються на поверхню

друкарської плати і припаюються до друкарських провідників. Таким чином, в

одному місці друкарської плати можна встановити дві інтегральні мікросхеми з двох

сторін. Така технологія отримала назву SMT (Surface Mounting Technology —

Технологія поверхневого монтажу).

Кожен модуль встановлюється в спеціальний роз'єм (слот) на материнській

платі. Таких роз'ємів може бути декілька. Вони організовуються в групи (по 2 або по

128

4 залежно від розрядності системної шини і модулів пам'яті), звані банками, банк

повинен бути завжди заповнений.

SIP-модулі SIP-модулі (Single In-line Package — Модулі, що мають однорядне

розташування контактів) були невеликою платою зі встановленими на ній

мікросхемами DRAM. Така плата мала 3 виводи; її розміри: довжина близько 8 см і

висота — приблизно 1,7 см. SIP-модулі встановлювалися у відповідні роз'єми на

материнські плати з процесором 80386. Іноді крім них додатково встановлювалися

елементи DRAM.

SIMM модулі SIMM-модуль (Single In-Line Memory Module). Виводи SIMM-модуля виконані

у вигляді так званих контактів типу PAD (вилка). Це луджені або позолочені

друкарські контакти. Вони розташовані з обох сторін плати і попарно сполучені.

SIMM-модулі встановлюються в спеціальні слоти на материнській платі.

DIMM-модулі

На відміну від SIMM-модулів в DIMM-модулях (Dual In-line Memory Module)

контакти з двох сторін електрично незалежні. Найпоширенішими є 168-контактні

64-розрядні модулі DIMM, що мають по 84 контакти з кожної сторони.

Для установки в портативні PC (notebook) розроблений DIMM-модуль малого

розміру (Small Outline DIMM — SO DIMM). Найбільш поширені 72- і 144-контактні

SO DIMM-модулі.

На DIMM-модулі, як правило, встановлюються мікросхеми SDRAM (рідше

EDO DRAM). Окрім мікросхем пам'яті, на модулі, що працюють на тактовій частоті

більше 66 МГц, повинні бути встановлені мікросхеми буфера вводу-виводу і SPD.

Мікросхема SPD (Serial Presense Detect) — це мікросхема енергозалежної

пам'яті EEPROM (об'ємом 2 Кбіт), в якій записані характеристики мікросхем пам'яті,

необхідні BIOS для правильної конфігурації системи. Крім того, в SPD знаходиться

інформація про виробника.

В конструкції модулів передбачено два ключі для правильного

позиціонування DIMM-модулів в слоти на материнській платі.

□ Перший ключ розташований між контактами 10 і 11; він служить для

визначення типу пам'яті модуля (EDO DRAM або SDRAM).

□ Другий ключ розташований між контактами 40 і 41; він служить для

визначення напруги живлення модуля (5 В або 3,3 В).

РС100 Для стійкої роботи системи з тактовою частотою системної шини 100 МГц

корпорацією Intel була розроблена специфікація РС100 на елементи SDRAM і

DIMM-модулі.

В цій специфікації для модулів РС100 DIMM (на відміну від "звичайних

DIMM-модулів") обмовляється наступні моменти:

- Строго регламентована довжина сигнальних провідників на друкарській

платі модуля пам'яті, ширина і зазори між провідниками.

- Друкарська плата повинна мати шість шарів з обов'язковим виділенням

окремих шарів під живлення і корпус (раніше було 4).

- На кінцях сигнальних провідників повинні бути встановлені резистори, що

зменшують перевідображення сигналів.

- Кожний модуль пам'яті повинен бути обладнаний мікросхемою SPD.

129

Товщина золотого покриття контактів повинна бути не менше 0,8 мкм (раніше

0,1—0,3 мкм).

Всі модулі пам'яті специфікації PC 100 повинні мати не більше 24 мікросхем.

VC SDRAM DIMM-модулі, що працюють з тактовою частотою 100 і 133 МГц, які

отримали назву VCM (Virtual Channel Module). На даних модулях встановлені

мікросхеми SDRAM, вони мають 168 контактів і можуть встановлюватися в

"стандартний слот" DIMM.

DDR

DIMM-модуль з мікросхемами DDR SDRAM не сумісний із стандартними

DIMM-модулями. При збереженні тих же розмірів, кількість контактів збільшилася

до 184. Змінилося і положення ключа, який не дозволить встановити DIMM DDR

SDRAM в "стандартний слот".

RDIMM-модуль Registered DIMM-модулі (RDIMM) призначені для систем, що вимагають

більше 1 Гбайт оперативної пам'яті. RDIMM-модулі 72-розрядні. Вони

відрізняються від модулів PC 100 SDRAM Unbufferd великим розміром друкарської

плати, а також наявністю спеціальної мікросхеми (Registers), що забезпечує

сторінкову організацію пам'яті.

RIMM-модуль RIMM-модуль (Rambus In-line Memory Module) — це новий високошвидкісний

модуль оперативної пам'яті PC, розроблений компанією Rambus спільно з Intel.

RIMM-модуль з обох сторін закритий металевим екраном, що захищає його

від наведень і взаємного впливу модулів, що працюють на великих частотах.

Згідно специфіці архітектури Rambus на платі не може залишатися порожніх

слотів RIMM, вони повинні бути заповнений спеціальними модулями CRIMM

(Continuity RIMM), які поставлятимуться в комплекті з системною платою.

130

Тема 4: Кеш-пам'ять CPU. Кеш-пам'ять першого рівня. Кеш-пам'ять

другого рівня. Організація роботи кеш-пам’яті.

План:

1. Кеш-пам'ять першого рівня

2. Як працює кеш-пам'ять першого рівня

3. Кеш-пам'ять другого рівня

4. Організація роботи кеш-пам’яті

Література:[ 5.с.225..227, 8.с.93..99]

Питання для самоконтролю:

1. Кеш-пам'ять першого рівня?

2. Як працює кеш-пам'ять першого рівня?

3. Кеш-пам'ять другого рівня?

4. Яка організація роботи кеш-памяті?

Кеш-пам'ять першого рівня

У всіх процесорах, починаючи з 486-м, є вбудований (першого рівня) кеш-

контроллер з кеш-пам'яттю об'ємом 8 Кбайт в процесорах 486DX, а також 32, 64

Кбайт і більш в сучасних моделях. Кеш — це швидкодійна пам'ять, призначена для

тимчасового зберігання програмного коду і даних. Звернення до вбудованої кеш-

пам'яті відбуваються без станів очікування, оскільки її швидкодія відповідає

можливостям процесора, тобто кеш-пам'ять першого рівня (або вбудований кеш)

працює на частоті процесора.

Використання кеш-пам'яті зменшує традиційний недолік комп'ютера, який

полягає в тому, що оперативна пам'ять працює більш повільніше, ніж центральний

процесор. Завдяки кеш-пам'яті процесору не доводиться чекати, поки чергова порція

програмного коду або даних поступить з відносно повільної основної пам'яті, що

приводить до відчутного підвищення продуктивності.

В сучасних процесорах вбудований кеш грає ще більш важливу роль, тому що

він часто є єдиним типом пам'яті у всій системі, який може працювати синхронно з

процесором. В більшості сучасних процесорів використовується множник тактової

частоти, отже, вони працюють на частоті, у декілька разів перевищуючої тактову

частоту системної плати, до якої вони підключені. Наприклад, тактова частота (1

ГГц), на якій працює процесор Pentium III, в сім з половиною разів перевищує

тактову частоту системної плати, рівну 133 МГц. Оскільки оперативна пам'ять

підключена до системної плати, вона також може працювати тільки на тактовій

частоті, що не перевищує 133 МГц. В такій системі зі всіх видів пам'яті тільки

вбудований кеш може працювати на тактовій частоті 1 ГГц. Розглянутий в даному

прикладі процесор Pentium III на 1 ГГц має вбудований кеш загальним об'ємом 32

Кбайт (в двох окремих блоках по 16 Кбайт).

Якщо дані, необхідні процесору, знаходяться вже у внутрішній кеш-пам'яті, то

затримок не виникає. В іншому випадку центральний процесор повинен одержувати

дані з кеш-пам'яті другого рівня або (в менш складних системах) з системної шини,

тобто безпосередньо з основної пам'яті.

Щоб зрозуміти значення кеш-пам'яті, необхідно порівняти відносні швидкості

процесорів і ОЗП. Основна проблема полягає в тому, що швидкодія процесора

131

виражається звичайно в МГц (в мільйонах тактів в секунду), тоді як швидкість

пам'яті виражається в наносекундах (тобто мільярдних частках секунди).

Тактовій частоті процесора 233 МГц відповідає цикл тривалістю 4,3

наносекунди. Це означає, що для процесора, що працює на частоті 200 МГц, буде

потрібно 4 нс пам'яті. Зверніть увагу, що з процесором 233 МГц звичайно

використовується системна плата з тактовою частотою 66 МГц, що відповідає

швидкості 15 не на цикл. Основна пам'ять, швидкодія якої рівно 60 (загальний

параметр практично для всіх систем класу Pentium) нс, прирівнюється до тактової

частоти, приблизно рівної 16 МГц. Таким чином, в типову систему Pentium 233

входить процесор, що працює на частоті 233 МГц (4,3 нс на цикл), системна плата,

тактова частота якої 66 МГц (15 нс на цикл), і основна пам'ять, що працює на частоті

16 МГц (60 нс на цикл).

Як працює кеш-пам'ять першого рівня

Для того, щоб розібратися з принципами роботи кеш-пам'яті першого і

другого рівнів, розглянемо наступну аналогію.

Герой нашої історії (в даному випадку— ви), куштуючий різні страви,

виступає в ролі процесора, який витягує необхідні дані з пам'яті і проводить їх

обробку. Кухня, на якій готуються ваші улюблені блюда, є основною оперативною

пам'яттю (SIMM/DIMM). Офіціант є кеш-контроллером, а стіл, за яким ви сидите,

виступає як кеш-пам'ять першого рівня. Роль кеш-пам'яті другого рівня виконує

візок із замовленими блюдами, неквапом мандрівна між кухнею і вашим столом.

Ролі розподілені, пора починати нашу історію. Щодня, приблизно в один і той

же час ви обідаєте в певному ресторані. Входьте в обідній зал, сідаєте за столик і

замовляєте, наприклад, хот-дог. Для того, щоб зберегти відповідність подій,

припустимо, що середня швидкість поглинання їжі рівна одному біту в чотири

секунди (цикл процесора 233 МГц складає близько 4 нс). А також визначимо, що

кухарю (тобто кухні) для приготування кожного замовленого блюда буде потрібно

60 з (значить, швидкість основної пам'яті 60 нс).

Таким чином, при перших відвідинах ресторану ви сідаєте за столик і

замовляєте хот-дог, після чого доводиться чекати цілі 60 секунд, коли ж приготують

замовлене блюдо. Коли офіціант нарешті приносить замовлення, ви не поспішаючи,

з середньою швидкістю, приймаєтеся за їжу. Швидко доївши хот-дог, кличете до

себе офіціанта і замовляєте гамбургер. Поки його готують, ви знову чекаєте тих же

60 секунд. Принесений гамбургер з'їдається з тією ж швидкістю. Підібравши останні

крихти, знову звете офіціанта і замовляєте котлети "по-киевски". Після 60-

секундного очікування принесене блюдо з'їдається з аналогічною швидкістю. Після

цього вирішуєте замовити на десерт, скажімо, яблучний пиріг. Замовлений пиріг ви

одержуєте після того, що стало звичним 60-секундного очікування. Одним словом,

обід складається головним чином з тривалих очікувань, які перемежаються

енергійним поглинанням блюд, що замовляються.

Після того, як ви два дні підряд рівно в 18.00 приходите в ресторан і

замовляєте одні і ті ж блюда в одній і тій же послідовності, у офіціанта з'являється

ділова думка: "Сьогодні в 18.00 знову з'явиться цей дивний відвідувач і зробить своє

звичайне замовлення: хот-дог, гамбургер, котлети "по-киевски" і яблучний пиріг на

десерт. Чом би не приготувати ці блюда наперед? Я думаю, він належним чином

оцінить мої старання". Отже, ви приходите в ресторан, замовляєте хот-дог, і

офіціант зразу ж без щонайменшої паузи, ставить перед вами замовлене блюдо.

132

Після того, як ви обробилися з хот-догом і збираєтеся замовити чергове блюдо, на

столі з'являється тарілка з гамбургером. Частина обіду, що залишилася, проходить

приблизно так само. Ви стрімко, з швидкістю один біт в чотири секунди, поглинаєте

їжу, не чекаючи, поки замовлене блюдо буде приготовано на кухні. На цей раз час

обіду заповнений виключно ретельним пережовуванням їжі, і все завдяки

кмітливості і практичному підходу офіціанта.

Наведений приклад достатньо точно описує роботу кеш-пам'яті першого рівня

в процесорі. Роль кеш-пам'яті першого рівня в даному випадку виконує піднос, на

якому може знаходитися одне або декілька блюд. За відсутності офіціанта простір

підноса є якимсь резервним запасом (тобто буфер) продуктів харчування. Якщо

буфер заповнений, значить, можна їсти до тих пір, поки піднос не спустіє.

Обдуманий поповнити його вміст, на жаль, комусь. Офіціант є кешем-контроллер,

що вживає певним заходам і що намагається вирішити, які ж блюда слід наперед

поставити на стіл відповідно до ваших можливих побажань. Подібно справжньому

кеш-контроллеру, офіціант скористається своїм досвідом для того, щоб визначити,

яке блюдо буде замовлено наступним. Якщо він визначить правильно, значить, не

доведеться довго чекати.

Настав день четвертий. Ви з'являєтеся в ресторані, як завжди, рівно в 18.00 і

починаєте із звичного хот-дога. Офіціант, що вивчив на той час ваші смаки, вже

приготував хот-дог, і ви зразу ж приступаєте до трапези.

Після хот-дога офіціант приносить вам гамбургер і замість слів подяки чує:

"Взагалі-то, я гамбургер не замовляв. Принесіть мені, будь ласка, відбивну".

Офіціант помилився в своїх припущеннях, і вам знову доведеться чекати цілі 60

секунд, поки на кухні приготують замовлене блюдо. Подібна подія, тобто спроба

доступу до тієї частини кэширо-ванного файлу, яка відсутня в кеш-пам'яті,

називається промахом кеша (cache miss). Як наслідок, виникає пауза або, якщо

говорити про систему Pentium 233 МГц, при кожному промаху кеша швидкодія

системи знижується до 16 МГц (тобто до швидкості оперативної пам'яті). Кеш-

пам'ять першого рівня більшої частини процесорів Intel має коефіцієнт збігу, рівний

приблизно 90%.

Це означає, що кеш-пам'ять містить коректні дані 90% часу і, отже, процесор

працює на повній швидкості (в даному випадку з частотою 233 МГц) приблизно

90% всього часу. Що залишилися 10% часу кеш-контроллер звертається до більш

повільної основної пам'яті, при цьому процесор знаходиться в стані очікування.

Фактично відбувається зниження швидкодії системи до рівня оперативної пам'яті,

швидкодія якої рівно 60 нс (або 16 МГц).

Швидкодія процесора приблизно в 14 разів вище за швидкодію оперативної

пам'яті. З розвитком наукового прогресу, швидкодія пам'яті збільшилася з 16 МГц

(60 нс) до 266 МГц (3,8 нс), тоді як тактова частот процесорів виросла до 2 ГГц і

більш. Таким чином, навіть в найсучасніших системах пам'ять все ще в 7,5 або

більш раз повільніше за процесор. Кеш-пам'ять дозволяє компенсувати цю різницю.

Основна особливість кеш-пам'яті першого рівня полягає в тому, що вона

завжди інтегрована з ядром процесора і працює на тій же частоті. Ця властивість в

поєднанні з коефіцієнтом збігів, рівним 90%, робить кеш-пам'ять важливої складової

ефективності системи.

133

Кеш-пам'ять другого рівня

Для того, щоб зменшити відчутне уповільнення системи, що виникає при

кожному промаху кеша, задіюється кеш-пам'ять другого рівня.

Розвиваючи аналогію з рестораном, можна позначити вторинний кеш як

сервірувальний столик з "черговими блюдами", розташування якого дозволяє

офіціанту принести будь-яке з наявних блюд через 15 секунд. В системі класу

Pentium (Socket 7), кеш-пам'ять другого рівня встановлена на системній платі, тобто

працює на тактовій частоті системної плати (66 МГц, або 15 нс). Розглянемо

ситуацію, коли ви замовляєте блюдо, якого немає в числі раніше принесених. В

цьому випадку, замість того щоб відправитися на кухню і через 60 секунд принести

приготоване блюдо, офіціант в першу чергу перевіряє столик з "черговими

блюдами". За наявності там замовленого блюда він повертається вже через 15

секунд. Результат в реальній системі виражається в наступному: замість зниження

швидкодії системи з 233 до 16 МГц і відповідно швидкодії основної пам'яті до 60 нс

відбувається витягання необхідних даних з кеш-пам'яті другого рівня, швидкодія

якої рівно 15 нс (66 МГц). Таким чином, швидкодія системи змінюється з 233 до 66

МГц.

Коефіцієнт збігу кеш-пам'яті як першого, так і другого рівнів складає 90%.

Таким чином, розглядаючи систему в цілому, можна сказати, що 90% часу вона

працює з повною тактовою частотою (в нашому прикладі 233 МГц), одержуючи дані

з кеш-пам'яті першого рівня; 10% часу дані витягуються з кеш-пам'яті другого рівня.

Процесор працює з кеш-пам'яттю другого рівня тільки 90 % цього часу, а що

залишилися 10% через промахи кэша— з більш повільною основною пам'яттю.

Таким чином, об'єднуючи кэшпамять першого і другого рівнів, одержуємо, що

звичайна система працює з частотою процесора 90% часу (в нашому випадку 233

МГц), з частотою системної плати 9% часу (тобто 90% від 10% при частоті 66 МГц)

і з тактовою частотою основної пам'яті приблизно 1% часу (10% від 10% при частоті

16 МГц). Це наочно демонструє важливість кэшпамяти першого і другого рівнів; за

відсутності кеш-пам'яті система часто звертається до ОЗП, швидкість якого значно

нижче за швидкість процесора.

Це наводить на цікаві роздуми. Уявіть, що ви збираєтеся підвищити

ефективність оперативної пам'яті або кеш-пам'яті другого рівня удвічі. На що ж саме

витратити гроші? Беручи до уваги, що оперативна пам'ять безпосередньо

використовується приблизно 1% часу, подвійне підвищення її продуктивності

приведе до підвищення швидкодії системи тільки в цей період часу! Навряд чи це

звучить достатньо переконливо. З другого боку, якщо удвічі підвищити

ефективність кеш-пам'яті другого рівня, вийде збільшення швидкодії системи,

відповідне 9% часу, і це, безумовно, більш істотне поліпшення.

Системотехніки і фахівці по розробці процесорів компаній Intel і AMD, не

втрачаючи часу дарма, розробили методи підвищення ефективності кеш-пам'яті

другого рівня. В системах класу Pentium (P5) кеш-пам'ять другого рівня звичайно

встановлюється на системній платі і працює, відповідно, з її тактовою частотою.

Intel значно підвищила продуктивність процесорів, перемістивши кеш-пам'ять з

системної плати безпосередньо в процесор, що збільшило її робочу частоту до

частоти процесора. Спочатку мікросхеми кеша встановлювалися в одному корпусі

разом з основним процесором. Але така конструкція виявилася дуже дорогою, тому,

починаючи з процесорами сімейства Pentium П, компанія Intel стала придбавати

134

мікросхеми кеш-пам'яті у сторонніх виробників (Sony, Toshiba, NEC, Samsung і т.д.).

Мікросхеми поставлялися вже в готовому вигляді, в корпусному виконанні, тому

Intel початки їх встановлювати на монтажній платні поряд з процесором. Саме тому

процесор Pentium П був спочатку розроблений у вигляді картріджа.

Одна з істотних проблем полягала в швидкодії мікросхем кеш-пам'яті

сторонніх виробників. Швидкість найшвидших мікросхем досягала 3 не і вище, що

було еквівалентне тактовій частоті 333 МГц. Але процесори вже працювали на

більш високих швидкостях, тому в Pentium П і перших моделях Pentium III кеш-

пам'ять другого рівня працює на половинній частоті процесора. В деяких моделях

процесора Athlon швидкість кеш-пам'яті другого рівня зменшена до двох п'ятих або

навіть однієї третини тактової частоти ядра.

Якісний стрибок в технології відбувся з появою процесорів Celeron 300A і

вище. В цих процесорах зовнішні мікросхеми кеш-пам'яті другого рівня не

використовуються. Натомість кеш-пам'ять як першого, так і другого рівнів

інтегрована безпосередньо в ядро процесора. Таким чином, кеш-пам'ять обох рівнів

працює з повною тактовою частотою процесора, що дозволяє підвищувати її

швидкодію при можливому збільшенні швидкості процесора. В останніх моделях

Pentium III, а також у всіх процесорах Хеоn і Celeron кеш-пам'ять другого рівня як і

раніше працює з тактовою частотою ядра процесора, а значить, при невдалому обігу

в кеш-пам'ять першого рівня очікування або уповільнення операцій не відбувається.

В сучасних моделях процесорів Athlon і Duron також використовується вбудована

кеш-пам'ять, що працює з частотою ядра. Як ви знаєте, при невдалому зверненні до

зовнішньої кеш-пам'яті відбувається зниження швидкості кеша до половинної

частоти ядра або, що ще гірше, до частоти більш повільної системної плати.

Використовування вбудованого кеша дозволяє значно підвищити ефективність

процесора, оскільки 9% часу в системі використовуватиметься кеш-пам'ять другого

рівня, що працює з повною частотою ядра. До числа переваг вбудованої кеш-пам'яті

відноситься також зменшення її вартості, оскільки вона містить менше компонентів.

Повернемося до розглянутій раніше аналогії, використовуючи як приклад

сучасний процесор Pentium III з тактовою частотою 1 ГГц. Тепер швидкість

поглинання їжі рівна одному байту в секунду (тактовій частоті 1 ГГц відповідає

тривалість циклу 1 не). Кеш-пам'ять першого рівня працює на цій же частоті, тобто

швидкість вживання блюд, що знаходяться на вашому столі, рівна швидкості

процесора (а ваш столик відповідає кэшпамяти першого рівня). Відчутне

підвищення швидкодії відбувається у тому випадку, коли ви замовляєте блюдо,

якого немає на столику (про.мах кеша першого рівня), і офіціанту доводиться

звертатися до столика з "черговими блюдами". В дев'яти випадках з десяти він

знаходить там необхідне блюдо, яке приносить через 1 с (частота кеш-пам'яті

другого рівня рівна 1 ГГц, що відповідає швидкості 1 нс). Отже, сучасні системи

працюють 99% часу (сумарний коефіцієнт збігу кеш-пам'яті першого і другого

рівнів) з частотою 1 ГГц і, як і раніше, в одному випадку із ста знижують швидкість

до частоти оперативної пам'яті (приготування блюда на кухні). При збільшенні

швидкості пам'яті до 133 МГц (7,5 не) час очікування замовленого блюда з кухні

досягне 7,5 з. Ех, якби швидкість обслуговування в ресторані підвищувалася так

само, як швидкодія процесора!

135

Організація роботи кеш-пам'яті

Організація кеш-пам'яті в процесорах 486 і сімействі Pentium називається

чотирьохсторінковим набором асоціативного кеша (four-way set associative cache),

що має на увазі розділення кеш-пам'яті на чотири блоки. Кожний блок, у свою

чергу, організовується у вигляді 128 або 256 рядків по 16 байт в кожній.

Щоб зрозуміти, як працює чотирьохсторінковий кеш, розглянемо наступний

приклад. В найпростішому випадку кеш складається з одного блоку, в який можна

завантажити вміст відповідного блоку основної пам'яті. Це схоже на закладку, що

використовується для того, щоб відзначити потрібну сторінку в книзі. Якщо основна

пам'ять — це вся книга, то по закладці можна визначити, яка сторінка знаходиться в

кеші. Але цього буває достатньо тільки в тому випадку, якщо всі необхідні дані

знаходяться на сторінці, відзначеною закладкою. Якщо ж вам потрібно повернутися

до однієї з вже прочитаних сторінок, то закладка буде даремною.

Можна скористатися декількома закладками (виписуваннями), відзначаючи

відразу декілька місць в книзі. При цьому, звичайно, ускладнюється схема

процесора, та зате можна перевірити відразу декілька закладок. Кожна додаткова

закладка ускладнює систему, але вірогідність того, що потрібна сторінка вже

відзначена (виписана), підвищується.

Якщо обмежитися чотирма відмітками-виписуваннями, то можна отримати

чотирьохсторінковий кеш. Вся кеш-пам'ять розбивається на чотири блоки, в

кожному з яких зберігаються копії різних фрагментів основної пам'яті. Добрим

прикладом роботи процесора відразу з декількома областями пам'яті є

використовування багатозадачної операційної системи Windows. Тут

чотирьохсторінковий кеш значно підвищує продуктивність процесора.

Вміст кеша завжди повинен відповідати вмісту основної пам'яті, щоб процесор

працював з найсвіжішими даними. Тому в сімействі процесорів 486

використовується кеш з крізним записом (write-through), при якій дані, записані в

кеш, автоматично записуються і в основну пам'ять.

В процесорах Pentium використовується двонаправлений кеш (write-back), який

працює при виконанні як операцій прочитування, так і операцій запису. Це дозволяє

ще більше підвищити продуктивність процесора. Хоча вбудований кеш в процесорі

486 використовується тільки при читанні, зовнішній кеш в системі може бути

двонаправленим. Крім того, в процесорах 486 передбачений додатковий 4-байтовий

буфер, в якому можна берегти дані аж до передачі в пам'ять. Це необхідне в тому

випадку, якщо шина пам'яті зайнята.

Ще одна особливість поліпшеної архітектури кеша полягає в тому, що кеш-

пам'ять є тією, що не блокується. Ця властивість дозволяє зменшувати або

приховувати затримки пам'яті, використовуючи перекриття операцій процесора з

вибіркою даних. Кеш-пам'ять, що не блокується, дає можливість продовжувати

виконання програми одночасно з невдалим обігом в кеш за наявності деяких

обмежень. Іншими словами, кеш-пам'ять покращує обробку промаху кеша і дає

можливість процесору продовжувати виконання операцій, не пов'язаних з

відсутніми даними.

Кеш-контроллер, вбудований в процесор, також використовується для

спостереження за станом системної шини при передачі управління шиною

альтернативним процесорам, які називаються "господарями" шини (bus masters).

Процес спостереження, у свою чергу, називається відстежуванням шини (bus

136

snooping). Якщо пристрій, що управляє передачею даних по шині (тобто господар

шини), записує які-небудь дані в область пам'яті, копія якої зберігається в кеші

процесора, той вміст кеша перестає відповідати вмісту основної пам'яті. В цьому

випадку кеш-контроллер відзначає ці дані як помилкові і при наступному зверненні

до пам'яті обновляє вміст кеша, підтримуючи тим самим цілісність всієї системи.

В більшості систем також використовується зовнішній, вторинний кеш

другого рівня дуже швидкої статичної пам'яті (Static random асcess memory-4-

SRAM). Це дозволяє зменшити час очікування центрального процесора при

зверненнях до системної пам'яті. Функція вторинної кеш-пам'яті процесора

практично не відрізняється від функції вбудованого кеша, Вторинний кеш

процесора містить дані, передавані в центральний процесор, тим самим зменшуючи

час очікування і збільшуючи час, що використовується для виконання основних

операцій. Час вибірки даних з вторинного кеша процесора завдяки високій

продуктивності мікросхем SRAM набагато менше часу вибірки з системної пам'яті,

звичайно воно не перевищує 15 нс.

Вторинний кеш для процесорів Pentium знаходиться на системній платі, а для

Pentium Pro і Pentium II — усередині корпусу процесора. Перемістивши вторинний

кеш в процесор, можна примусити його працювати з більш високою тактовою

частотою, ніж у системної плати, — такий же, як і у самого процесора.

При збільшенні тактової частоти час циклу зменшується. Для більшості

модулів пам'яті SIMM, що використовуються сьогодні в Pentium і більш ранніх

системах, час циклу повинне бути не менше 60 нс, що приблизно відповідають

тактовій частоті 16 МГц! На сьогоднішній день стандартна тактова частота

системної плати рівна 66, 100 або 133 МГц, але деякі процесори працюють на

тактовій частоті 600 МГц або вище. В більш нових системах не використовується

кеш на системній платі, оскільки швидкі модулі SDRAM або RDRAM, вживані в

сучасних системах Pentium II/Celeron/Ш, можуть працювати на тактовій частоті

системної плати. В табл. 3.11 приведені необхідний об'єм кеша і функції, виконувані

вбудованим (першого рівня) і зовнішнім (другого рівня) кешем в сучасних системах.

Процесори Celeron з тактовою частотою від 300 МГц і вище, а також

процесори Pentium III, частота яких більше 600 МГц, містять кеш-пам'ять другого

рівня, швидкість якої рівна частоті ядра процесора. Вбудована кеш-пам'ять

процесорів Duron і останніх моделей Athlon також працює з частотою процесора. В

більш ранніх версіях процесорів Athlon, а також Pentium П і III, використовується

зовнішній кеш з робочою частотою, рівній половині, двом п'ятим або однієї третини

тактової частоти процесора. Як бачите, існуючий діапазон швидкостей кеша,

починаючи з повною частотою центрального процесора і закінчуючи більш низкою

частотою основної пам'яті, дозволяє мінімізувати тривалість станів очікування, що

витримуються процесором. Це дозволяє процесору працювати з частотою,

найближчою до його фактичної швидкодії.

137

Модуль 5. Базова система вводу - виводу.

Тема 1. BIOS. Загальні відомості. Основні опції BIOS.

План:

1. Загальні відомості про BIOS.

2. Основні опції BIOS.

Література:[6, стор.19-31, 7, стор.11-27]

Питання для самоконтролю:

1. Для чого вводяться параметри всіх компонентів комп’ютера?

2. Як визначити необхідність втручання в установки BIOS?

3. Що означає поняття BIOS?

4. Які функції базової системи вводу – виводу?

5. Які інші поняття пов’язанні з поняттям BIOS?

6. Які існують виробники BIOS?

7. Як фізично виглядає та де фізично розташована BIOS?

8. Назвіть основні опції BIOS.

Для початку наведемо розшифровку абревіатури BIOS - Basic Input / Output

System (базова система введення-виведення). Це своєрідне ПЗ, записане в

мікросхему з енергонезалежною пам'яттю, яке дозволяє провести стартову

ініціалізацію компонентів ПК, налаштування їх робочих режимів. BIOS містить

мікрокод, необхідний для керування клавіатурою, відеокартою, дисками, портами й

іншими пристроями. Для середньостатистичного користувача BIOS ототожнюється

з візуальною оболонкою, яка дозволяє в разі необхідності змінювати настройки

комп'ютера.

Рисунок 21 – Графічна оболонка BIOS, заснованого на мікрокоді Award

Відмінності прошивок зводяться не тільки до достатку настройок і діапазонам

регулювання окремих параметрів. В першу чергу це мікрокод певного розробника,

який в підсумку визначає візуальну оболонку. Приміром, BIOS материнських плат

від ASUS заснований на коді від AMI (меню з синіми символами на сірому фоні),

більшість виробників використовує Award / Phoenix (синій фон, жовті букви).

Останнім часом набувають поширення розширювані інтерфейси вбудованого ПЗ

EFI (Extensible Firmware Interface), що виділяються неординарним графічним

інтерфейсом. Вони дозволяють проводити навігацію, використовуючи не тільки

клавіатуру, але і мишку, а пункти меню стали ще більш інтуїтивно зрозумілими.

138

Як потрапити в BIOS

Рисунок 22 – Візуальний інтерфейс BIOS, що використовує код від AMI

Щоб увійти в BIOS, необхідно під час ініціалізації пристроїв ПК (проходженні

процедури POST) натиснути відповідну кнопку на клавіатурі. Якщо прошивка

материнської плати заснована на мікрокоді від AMI - нею виявиться F2, Award - Del.

Для того щоб потрапити в BIOS деяких ноутбуків, потрібно активувати клавішу F8.

Втім, навіть якщо ви не знаєте, на якому мікрокоді заснована прошивка плати, в

процесі ініціалізації пристроїв на екрані обов'язково з'явиться напис-підказка

(наприклад, Press F2 to Enter Setup - «Натисніть F2, щоб потрапити в розділ

налаштувань»). Якщо монітор вчасно не загоряється, після включення ПК регулярно

і часто натискайте необхідну кнопку або, якщо не впевнені, яку саме, спробуйте Del,

потім вже F2.

Вибір і зміна налаштувань прошивки

Керування налаштуваннями BIOS здійснюється виключно з клавіатури. Для

переміщення курсору використовуйте стрілочний блок (Вгору, Вниз, Вправо,

Вліво). Щоб змінити потрібний параметр, підсвіти його курсором, натисніть Enter і

виберіть один із доступних режимів. Якщо BIOS плати заснований на мікрокоді від

AMI, для цих же цілей доведеться використовувати кнопки «» і «-». Установка

певних значень може проводитися прямо з цифрової клавіатури (наприклад, якщо

потрібно змінити частоту системної шини з 266 на 320 МГц, навівши курсор на

відповідну позицію, введіть 3, 2, 0, потім - Enter). Щоб піднятися на один рівень

меню вгору, натискаємо клавішу Esc, вийти з BIOS - здійснюємо аналогічну

операцію в кореневому каталозі. Часто в ньому ж наводяться розшифровки варіантів

управління настройками прошивки. При виході з BIOS з використанням клавіш Esc

(без збереження налаштувань) або F10 (із збереженням налаштувань) обов'язково

з'явиться віконце з питанням Чи бажаєте ви вийти / зберегти параметри? Для

підтвердження тиснемо кнопку Y (Yes), для відміни - N (No).

Рисунок 23 – Система проходить процедуру ініціалізації (POST). Щоб

потрапити в BIOS, в даний момент потрібно натиснути клавішу Del (про це свідчить

напис у нижній лівій частині екрана).

Оновлення BIOS

Виробники до моменту анонса певної моделі материнської плати не завжди

встигають розробити під неї оптимальну прошивку. Тому з часом випускаються

оновлення BIOS, доступні для скачування з офіційних сайтів виробників. Перелік

поліпшень, якими володіє та чи інша версія прошивки, часто наводяться в описі. Чи

варто постійно оновлювати BIOS материнської плати? Якщо ПК працює добре, а

139

розгін компонентів не обмежується платою, то робити цього не потрібно. Міняти

прошивку слід лише при значних змінах певних параметрів, розширенні

функціональності, іноді - впровадженні підтримки нових моделей процесорів.

Інформація про те, як відновити прошивку, також присутній на сайтах виробників.

Власники сучасних продуктів роблять це безпосередньо під ОС, використовуючи

спеціалізовані утиліти. Для оновлення прошивки старих плат треба обзавестися

дисководом. При апгрейді BIOS будьте гранично обережні - пропажа харчування,

передчасне натискання на кнопку Reset до того, як операція завершиться, - і

материнську плату доведеться відправляти у сервіс-центр. Можливі зависання,

викликані недоробками утиліт від виробників.

Базові розділи BIOS - де що шукати

Починаючому користувачеві абсолютно не обов'язково досконально вивчати

кожен пункт прошивки, щоб провести настройку системи. Тому ми коротко

розповімо про основні можливості, доступних у BIOS всіх плат.

З базових розділів виділимо Standard CMOS Features, Advan-ced BIOS Features і

Integrated Peripherals. У першому з них відображаються поточні дата і час, обсяг

ОЗУ, виводиться список IDE-і SATA-сумісних системних пристроїв. Змінити

показники годин можна і через ОС, тому цінність розділу полягає в початковій

діагностиці ПК: тут відслідковується, які приводи, жорсткі диски підключені і

визначаються на апаратному рівні, а які ні. У Advanced BIOS Features (або меню

Boot, якщо прошивка заснована на коді від AMI) виставляється пріоритет

послідовності завантаження. Бувають випадки, коли операційна система на HDD не

ініціалізується лише тому, що першим у списку пристроїв обраний FDD, в якому

знаходиться дискета, або CD-ROM із завантажувальним диском. Поки не витягнете

носії - не сподівайтеся побачити ОС. Відразу ставте перший жорсткий диск - ніколи

не помилитеся. Розділ Integrated Peripherals цікавий тим, що дозволяє відключати

контролери, розпаяні на материнській платі, керуючи таким чином

функціональністю ПК. Якщо у вашій системі при правильному приєднанні колонок

немає звуку - перевірте, активований чи аудіокодек (значення підменю повинно

бути Enabled або Auto). Аналогічні справи з мережевим контроллером, IEEE 1394 і

ін Зверніть увагу на пункти, присвячені USB. Обов'язково активуйте відповідний

контролер, увімкніть підтримку клавіатури і миші з USB-інтерфейсом. В залежності

від позиціонування материнської плати, її особливостей в розділах Advanced BIOS

Features і Integrated Peripherals можуть міститися різні системні установки. На

короткий вивчення запропонованих у них налаштувань слід звернути увагу.

З доступних у BIOS більшості плат виділимо також розділи системного

моніторингу (PC Health Status), управління живленням (Power Management Setup) і

конфігурування адрес шин даних (PnP / PCI Configurations). Два останніх для

більшості не представляють інтересу. Найціннішим для середньостатистичного

користувача є розділ моніторингу, в якому відображаються температури основних

компонентів ПК (CPU, чіпсет) і поточні напруги, що видаються блоком живлення, а

також є можливість керування швидкістю обертання вентиляторів.

Налаштування, що визначають швидкодію ПК, режими роботи основних

компонентів, розміщуються в одному або кількох суміжних підрозділах BIOS. Не

виключено, що їх може не виявитися зовсім, - не сподівайтеся знайти на дешевій

материнській платі для офісного комп'ютера опції для серйозного підняття живлячої

напруги, установки таймінгів ОЗП, контролю над параметрами CPU.

140

Рисунок 24– EFI однієї з плат MSI

Пару слів необхідно сказати і про новий інтерфейсі - EFI - прийдешньому на

заміну класичному BIOS. Безперечно, приємна графічна оболонка сподобається

окремим користувачам, однак про зручність його реалізації варто судити, лише

протестувавши відповідні продукти. Поки ж досвідчених оверклокерів цілком

влаштовують наявні можливості, при яких повне налаштування BIOS материнської

плати для оптимізації параметрів всіх компонентів і розгону ПК займає від

декількох десятків секунд до хвилини.

Основні виробники BIOS для ноутбуків, персональних комп'ютерів і серверів

(крім продавців-виробників):

• American Megatrends (AMI)

• Award Software

• Phoenix Technologies

141

Тема 2: Пам'ять для довгочасного зберігання даних: ROM, PROM,

EPROM, EEPROM (Flash memory), FRAM, MRAM

План:

1. Пам'ять для довготривалого зберігання

2. ROM

3. PROM

4. EPROM

5. EEPROM, Flash memory

6. FRAM

7. MRAM

Література:[ 5.с.229..232, 8.с.355..367]

Питання для самоконтролю:

1. Що таке пам'ять довготривалого зберігання?

2. Мікросхеми ROM і PROM?

3. Мікросхеми EPROM і EEPROM, Flash memory?

4. Мікросхеми FRAM?

Пам'ять для довготривалого зберігання

NVRAM використовується для довготривалого зберігання даних, які ні за яких

обставин не повинні бути загублені. Букви NV в назві позначають Non Volatile (не

тимчасова). Елементи NVRAM не потребують електроживлення і зберігають дані

протягом тривалого часу. Незалежна пам'ять використовується для зберігання коду

BIOS комп'ютера, BIOS карт розширення, конфігурації периферійних пристроїв,

скен-кодів клавіатури і ін.

Існує декілька типів незалежної пам'яті. Вони розрізняються за способом

перезапису інформації і застосовуються в різних областях.

ROM

Мікросхеми ROM (Read Only Memory) в даний час практично не

застосовуються, оскільки не дозволяють змінювати записану в них інформацію.

Програмування цих мікросхем здійснюється на етапі їх розробки. При зміні коду

необхідно було розробляти нову мікросхему.

PROM

Мікросхеми PROM (Programmable Read Only Memory) знайшли ширше

застосування. Ці мікросхеми програмуються спеціальними програматорами

одноразово після виготовлення. Крім того, мікросхеми PROM практично не чутливі

до електромагнітних полів.

EPROM

Стирані і багато разів перепрограмовані мікросхеми EPROM (Erasable

Programmable Read Only Memory) до недавнього часу були найпоширенішими

носіями BIOS системи і карт розширення. Крім того, мікросхеми EPROM

застосовуються як знакогенератор принтера.

На відміну від PROM, яка програмується тільки один раз, мікросхеми

EPROM- можна перепрограмувати за допомогою спеціального програматора, що

підключається до PC через СОМ- або LPT-порт.

142

Стирання записаної інформації здійснюється шляхом застосування

ультрафіолетового випромінювання через спеціальне вікно, наявне в корпусі

мікросхеми. Деякі мікросхеми не мають вікна; стирання інформації в них

відбувається за допомогою рентгенівського випромінювання. Під впливом

випромінювання вся інформація стирається одночасно декілька хвилин.

Запис може проводитися побайтно в будь-яку комірку мікросхеми за

допомогою електричних сигналів. Після запису вікно заклеюється з метою захисту

записаної інформації.

EEPROM, Flash memory

На відміну від EPROM інформація в мікросхемі EEPROM (Electrically Erasable

Programmable Read Only Memory) віддаляється за допомогою електричного сигналу.

Flash EEPROM (Flash Memory) може бути перезаписана без допомоги

спеціального програматора, а безпосередньо в PC. Основні її переваги в порівнянні з

EEPROM — малий час доступу і мала тривалість процесу стирання інформації.

Робота комірки, що запам'ятовує, цього типу пам'яті заснована на фізичному ефекті

Фаулі-Нордхайма (Fowler-Nordheim).

Більшість мікросхем BIOS відносяться до типа Flash EEPROM. Для установки

нової версії BIOS необхідна спеціальна програма (прошивальщик), яка, як правило,

поставляється разом з материнською платою (на дискеті або компакт-диску), і файл

з новою системою BIOS.

В даний час мікросхеми флеш-пам'яті випускають практично всі крупні

фірми-виробники мікросхем пам'яті.

Флеш-пам'ять широко використовується не тільки в PC, але і в стільникових

телефонах, мережевому устаткуванні, принтерах, факсах і т.д.

FRAM

Перші мікросхеми FRAM (Ferroelectric RAM) були створені корпорацією

Ramtron ще в 1984 р. Ліцензію на виробництво цих мікросхем придбали такі

найбільші виробники пам'яті, як Hitachi, Toshiba, Fujitsu і Samsung.

На відміну від традиційної кремнієвої технології виробництва елементів

пам'яті в FRAM застосовується сегнетоелектрична плівка на основі сплавів оксидів

металів (титану, цирконію, свинцю і т. п.).

Кристал ідеальної архітектури пам'яті Ramtron: "Чорний" атом, розташований

в центрі кристалічної решітки, під впливом електричного заряду може переміщатися

вгору або вниз, залишаючись в цьому положенні, поки не буде поданий

електричний сигнал. Зсув атома від центру грат в один бік відповідає логічній 1, в

іншу — 0.

У ферроелектричної пам'яті з випадковим доступом інформація зберігається

навіть після того, як відключена напруга живлення. FRAM має переваги динамічної

DRAM (можливість багатократного перезапису) і статичною SRAM (висока

швидкість), а також пам'яті ROM (незалежність). За рахунок комбінації цих

властивостей можна створити ідеальний пристрій, що запам'ятовує, — швидку

довготривалу пам'ять.

У листопаді 1998 р. корпорація Samsung Electronics оголосила про постачання

партії пробної мікросхеми FRAM місткістю 64 Кбайт. До виробництва

ферроелектричної пам'яті також готові компанії, як Siemens AG, Hyundai, Motorola,

NEC.

143

Фахівці вважають, що мікросхеми FRAM місткістю від 1 Мбіт і вище

потраплять на ринок вже в 1999 р. і поступово почнуть витісняти SRAM і Rash

EEPROM. Характеристики представлені в таблиці 7.

Таблиця 7 – Характеристики незалежної пам'яті різних типів

MRAM

MRAM (Magnetic RAM) — це нове покоління незалежної магнітної пам'яті,

розробленої в дослідницькому центрі IMEC (Бельгія) і корпорацією Toshiba.

Основою комірки мікросхеми, що запам'ятовує, є багатошаровий "магнітний

вентиль", виконаний у вигляді напівпровідникового кристала. Згідно наявної

інформації, цикл читання/запису для MRAM не перевищує 6 нс.

144

МОДУЛЬ 1. ОРГАНІЗАЦІЯ КОМП'ЮТЕРНИХ СИСТЕМ. ............................................................................................ 4

ТЕМА 1. РОЗВИТОК БАГАТОРІВНЕВИХ МАШИН. ВИНАХІД МІКРО ПРОГРАМУВАННЯ. ВИНАХІД ОПЕРАЦІЙНОЇ СИСТЕМИ. ........ 4 ТЕМА 2. РОЗВИТОК КОМП’ЮТЕРНОЇ АРХІТЕКТУРИ: МЕХАНІЧНІ КОМП’ЮТЕРИ, ЕЛЕКТРОННІ ЛАМПИ, ІНТЕГРАЛЬНІ СХЕМИ,

ЗВЕРХВЕЛИКА ІНТЕГРАЛЬНА СХЕМА. ......................................................................................................................................... 8 ТЕМА 3. ТИПИ КОМП’ЮТЕРІВ. ЗАКОН МУРА. СПЕКТР КОМП’ЮТЕРІВ. ................................................................................... 18 ТЕМА 4. СІМЕЙСТВА КОМП’ЮТЕРІВ: PENTIUM, ULTRASPARC, PICOJAVA. ........................................................................... 22 ТЕМА 5. ПРОЦЕСОРИ. СТРУКТУРА ЦЕНТРАЛЬНОГО ПРОЦЕСОРА. ВИКОНАННЯ КОМАНД. RISC ТА CISC. ............................. 28 ТЕМА 6. КОДИ СИМВОЛІВ. ASCII. UNICODE. ....................................................................................................................... 36

МОДУЛЬ 2. ШИНИ ТА ІНТЕРФЕЙСИ ВВОДУ – ВИВОДУ. ........................................................................................ 40

ТЕМА 1. МІКРОСХЕМИ ПРОЦЕСОРІВ. ВИВОДИ МІКРОСХЕМ ЦП. ............................................................................................. 40 ТЕМА 2. ШИНИ. СИСТЕМНА ШИНА. ШИРИНА ШИНИ. ............................................................................................................. 43 ТЕМА 3. СИНХРОНІЗАЦІЯ ШИНИ. СИНХРОННІ ШИНИ. ............................................................................................................. 47 ТЕМА 4. СИНХРОНІЗАЦІЯ ШИНИ. АСИНХРОННІ ШИНИ. ........................................................................................................... 51 ТЕМА 5. ЦЕНТРАЛІЗОВАНИЙ ТА ДЕЦЕНТРАЛІЗОВАНИЙ АРБІТРАЖ ШИНИ. ПРИНЦИП РОБОТИ ШИНИ. .................................... 53 ТЕМА 6. ШИНИ PCI, PCI EXPRESS. АРБІТРАЖ ТА СИГНАЛИ ШИНИ PCI. ШИНА AGP. ........................................................... 57 ТЕМА 7. ШИНИ USB ТА FIREWIRE. СТРУКТУРА USB. ФІЗИЧНИЙ ІНТЕРФЕЙС. ПРОТОКОЛ ІЕЕЕ 1394. ................................ 62 ТЕМА 8. ІНТЕРФЕЙСИ АТА ТА АТАРІ. РІЗНОВИДИ АТА. ЕЛЕКТРИЧНИЙ ІНТЕРФЕЙС. .......................................................... 67 ТЕМА 9. ІНТЕРФЕЙСИ SCSI. ХОСТ – АДАПТЕР SCSI. ТЕРМІНАТОРИ. ..................................................................................... 71

МОДУЛЬ 3. КЛАСИФІКАЦІЯ ТА ПОРІВНЯЛЬНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ МІКРОПРОЦЕСОРІВ. ...................... 74

ТЕМА 1. ЗАГАЛЬНИЙ ОГЛЯД МІКРОПРОЦЕСОРА. ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ ПРОЦЕСОРІВ. РЕЖИМИ РОБОТИ ПРОЦЕСОРА. ........... 74 ТЕМА 2. ШВИДКОДІЯ ПРОЦЕСОРА. ТАКТОВА ЧАСТОТА ПРОЦЕСОРА ТА МАРКУВАННЯ ТАКТОВОЇ ЧАСТОТИ СИСТЕМНОЇ

ШИНИ. ...................................................................................................................................................................................... 78 ТЕМА 3. ШИНА ДАНИХ ПРОЦЕСОРА. ВНУТРІШНІ РЕГІСТРИ. ШИНА АДРЕСИ. ......................................................................... 83 ТЕМА 4. РЕЖИМИ РОБОТИ ПРОЦЕСОРА. РЕАЛЬНІЙ, ЗАХИЩЕНИЙ ТА ВІРТУАЛЬНИЙ РЕЖИМИ. ................................................ 86 ТЕМА 5. SMM. ТЕХНОЛОГІЯ MMX. ІНСТРУКЦІЇ SSE. 3DNOW І ENHANCED 3DNOW. ДИНАМІЧНЕ ВИКОНАННЯ.

АРХІТЕКТУРА ПОДВІЙНОЇ НЕЗАЛЕЖНОЇ ШИНИ. ....................................................................................................................... 88 ТЕМА 6. ГНІЗДА ДЛЯ ПРОЦЕСОРІВ: (SOCKET 7, 8, 370, 423, 462), ГНІЗДА ZIF. РОЗ’ЄМИ ПРОЦЕСОРА: SLOT 1 I SLOT 2. ........ 94 ТЕМА 7. ПЕРШЕ Р1 (086), ДРУГЕ Р2 (286), ТРЕТЄ Р3 (386) ТА ЧЕТВЕРТЕ Р4 (486) ПОКОЛІННЯ ПРОЦЕСОРІВ. ........................ 98 ТЕМА 8. П’ЯТЕ ПОКОЛІННЯ ПРОЦЕСОРІВ: Р5 (586). .............................................................................................................. 102 ТЕМА 9. ШОСТЕ ПОКОЛІННЯ ПРОЦЕСОРІВ: Р6 (686). ............................................................................................................ 105 ТЕМА 10. СЬОМЕ ПОКОЛІННЯ ПРОЦЕСОРІВ: Р7 (INTEL PENTIUM 4). ВОСЬМЕ ПОКОЛІННЯ ПРОЦЕСОРІВ: ITANIUM. ............. 110

МОДУЛЬ 4. ЗАПАМ’ЯТОВУЮЧІ ПРИСТРОЇ. .............................................................................................................. 113

ТЕМА 1. ОПЕРАТИВНА ПАМ’ЯТЬ. ПРИНЦИП РОБОТИ ТА ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ МІКРОСХЕМ ПАМ’ЯТІ. ...................... 113 ТЕМА 2. ДИНАМІЧНА ПАМ’ЯТЬ. DRAM, FPM DRAM, EDO DRAM, BEDO DRAM, CDRAM, EDRAM, SDRAM, DDR

SDRAM, DIRECT RDRAM, SLDRAM. ................................................................................................................................ 119 ТЕМА 3: ФІЗИЧНА ПАМ'ЯТЬ. МОДУЛІ ПАМ’ЯТІ. МАРКУВАННЯ МОДУЛІВ ПАМ’ЯТІ. ............................................................. 126 ТЕМА 4: КЕШ-ПАМ'ЯТЬ CPU. КЕШ-ПАМ'ЯТЬ ПЕРШОГО РІВНЯ. КЕШ-ПАМ'ЯТЬ ДРУГОГО РІВНЯ. ОРГАНІЗАЦІЯ РОБОТИ КЕШ-

ПАМ’ЯТІ. ................................................................................................................................................................................ 130

МОДУЛЬ 5. БАЗОВА СИСТЕМА ВВОДУ - ВИВОДУ. .................................................................................................. 137

ТЕМА 1. BIOS. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ. ОСНОВНІ ОПЦІЇ BIOS. .............................................................................................. 137 ТЕМА 2: ПАМ'ЯТЬ ДЛЯ ДОВГОЧАСНОГО ЗБЕРІГАННЯ ДАНИХ: ROM, PROM, EPROM, EEPROM (FLASH MEMORY), FRAM,

MRAM................................................................................................................................................................................... 141

ПЕРЕЛІК НАВЧАЛЬНО-МЕТОДИЧНОЇ ЛІТЕРАТУРИ ........................ ОШИБКА! ЗАКЛАДКА НЕ ОПРЕДЕЛЕНА.

145

Перелік

навчально-методичної літератури

№

п/п Назва, автори, рік видання

Кількість

примірників

О С Н О В Н А

1. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 4-е

издание. Питер, 2002, 698 с.

2. Рудометов Е., Рудометов В. Материнские платы и

чипсеты. 3-е издание. Питер, 2002, 352 с.

3. Гук М. Дисковая подсистема ПК. Питер, 2001, 335 с.

4. Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. Питер, 2002,

527 с.

5. Колесниченко О., Шишигин И. Аппаратные

средства РС. 4-е издание. «БХВ - Петербург» Санкт

– Петербург, 2003, 1004 с.

6. Трасковский А. Секреты BIOS. «БХВ - Петербург»

Санкт – Петербург, 2003, 400 с.

7. Микляев А. Все настройки BIOS Setup. «Альтекс -

А» Москва, 2003, 192 с.

8. Мюллер С. Модернизация и ремонт ПК. 12-е

издание. Москва – Санкт – Петербург – Киев, 2001,

1182 с.

Д О П О М І Ж Н А

1. Соломенчук В. Аппаратные средства персональных

компьютеров. «БХВ - Петербург» Санкт –

Петербург, 2003, 502 с.

2. Хамахер К., Вранешич З., Зеки С. Организация

ЭВМ. 5-е издание. Питер, 2003, 845 с.

3. Мураховский В. Железо ПК. «Десс ком». Москва,

2002, 672 с.