Роз’єми для підключення зовнішніх пристроїв
Тема: загальна характеристика складових. Процесор.
План
1. Шина управління, шинні даних, особливості роботи, швидкості.
2. Мікропроцесор.
3. Материнська плата.
Основна література:
1. Гаєвський О.Ю. Інформатика 7-11. – К., Видавництво АСК, 2004, с. 37-41
2. Руденко В.Д. Практичний курс інформатики. /За ред. Мадзіюна В.М.. – К.: Фенікс, 2002, с. 11-12
Додаткова література
1. Н.М. Войтюшенко, А.І. Остапець. Інформатика і комп’ютерна техніка, с.19-28
Ключові поняття та терміни:
þ AGU
þ ChipSet
þ CMOS-пам’ять
þ FPU
þ LPT
þ USB
þ АЛП
þ Дешифратор інструкцій
þ Еволюція процесорів
þ Кеш-пам'ять
þ Материнська плата
þ Мікропроцесор
þ Розрядність, або ширина, шини
þ Слот
þ Тактова частота шини
þ Типи шин
þ УК
þ Функції процесора
þ Шина
Системна шина – це основна інтерфейсна система комп’ютера, яка забезпечує сполучення та зв’язок всіх його пристроїв між собою. Системна шина включає в себе: кодову шину даних (КЩД), кодову шину адреси (КША), кодову шину інструкцій (КШІ), шину живлення.
Материнська плата – це найважливіша частина комп’ютера, котра містить основні електричні компоненти машини. За допомогою материнської плати відбувається взаємодія між більшістю пристроїв машини.
Конструктивно материнська плата представляє собою печатну плату площею 100-150кв.,см, на якій розміщено велика кількість різноманітних мікросхем, роз’ємів та інших елементів.
Серцем материнської плати є процесор – CPU (Central Processing Unit). Він контролює, регулює робочий процес. Виконує арифметичні і логічні операції, задані програмою перетворення інформації, керує обчислювальним процесом і координує роботу пристроїв системи (запам'ятовуючих, сортуючих, вводу — виводу, підготовки даних і ін.).
1. Шина управління, шинні данні, особливості роботи,
Швидкості.
У більшості сучасних ПК в якості системного інтерфейсу використовується системна шина. Шина(bus) – це сукупність ліній зв’язку, по яким інформація передається одночасно. Під основною, або системною, шиною загалом розуміється шина між процесором та підсистемною шиною. Шини характеризуються розрядністю та частотою. Важливими функціональними характеристиками системної шини є кількість обслуговуваних нею пристроїв та її пропускна можливість, тобто максимально можлива швидкість передачі інформації. Пропускна здатність шини залежить від її розрядності (є шини 8-, 16-, 32- та 64-розрядні) та тактової частоти, на якій шина працює.
Розрядність, або ширина, шини(bus width), - кількість ліній зв’язку в шині, тобто число біт, які може бути передані по шині одночасно.
Тактова частота шини(bus frequency), - частота, з якою передаються послідовні біти інформації по лінії зв’язку.
В якості системної шини в різних ПК використовувались і можуть використовуватись:
· шини розширень – шини загального призначення, що дозволяють підключати велику кількість самих різноманітних пристроїв;
· локальні шини, які часто спеціалізуються на обслуговуванні не великої кількості пристроїв певного класу, переважно відеосистем.
В комп’ютерах широко використовуються також периферійні шини – інтерфейси для зовнішніх запам’ятовуючих та багаточисельних периферійних повільнодіючих пристроїв. Технічні характеристики деяких шин приведені в таблиці.
| Характеристика | Шина | |||||
| ISA | EISA | MCA | VLB | PCI | AGP | |
| Розрядність шини, біт. | 16 – дані/ 24 - адреса | 32/32 | 32/32 | 32/32 64/64 | 32/32 64/64 | 32/32 64/64 |
| Робоча частота, МГц | 8-33 | 10-20 | До 33 | До 66 | 66/133 | |
| Пропускна можливість, Мбайт/с | 132/ 264/ 528 | 528/1056/ | ||||
| Кількість пристроїв, що підєднуються |
Системна шина включає в себе:
· кодову шину даних (КШД) – яка містить провода та схеми “ сполучення” для паралельної передачі всіх розрядів числового коду (машинного коду) оперативну;
· кодову шину адреси (КША) - яка містить провода та схеми “сполучення” для паралельної передачі всіх розрядів коду адреси комірки основної пам’яті або порту вводу-виводу зовнішнього пристрою;
· кодову шину інструкцій (КШІ), яка містить провода та схеми “ сполучення” для передачі інформації (керуючих сигналів, імпульсів) у всі блоки машини;
· шину живлення, яка містить провода та схеми “ сполучення” для підключення блоків ПК до системи енергоживлення.
Системна шина забезпечує три направлення передачі інформації:
· між мікропроцесором і основною пам’яттю;
· між мікропроцесором та портами вводу-виводу зовнішніх пристроїв;
· між основною пам’яттю та портами вводу-виводу зовнішніх пристроїв (в режимі прямого доступу до пам’яті).
Управління системною шиною виконується мікропроцесором або безпосередньо чи через додаткову мікросхему контролер шини, яка формує основні сигнали управління. Обмін інформацією між зовнішніми пристроями та системною шиною виконується з використанням ASCII-кодів.
Особливості таких шин, як ISA, EISA, MCI, VLB, PCI, AGP розглянемо у розділі “материнська плата”.
Мікропроцесор
Мікропроцесор- центральний пристрій ЕОМ (або обчислювальної системи), що виконує арифметичні і логічні операції, задані програмою перетворення інформації, керує обчислювальним процесом і координує роботу пристроїв системи (запам'ятовуючих, сортуючих, вводу — виводу, підготовки даних і ін.). В обчислювальній системі може бути декілька паралельно працюючих процесорів; такі системи називають багатопроцесорними.
Основними характеристиками мікропроцесора є швидкодія і розрядність. Швидкодія - це число виконуваних операцій у секунду. Розрядність характеризує обсяг інформації, що мікропроцесор обробляє за одну операцію: 8-розрядний процесор за одну операцію обробляє 8 біт інформації, 32-розрядний - 32 біт. Швидкість роботи мікропроцесора багато в чому визначає швидкодія комп'ютера. Він виконує всю обробку даних, що надходять у комп'ютер і які зберігаються в його пам'яті, під керуванням програми, що також зберігається в пам'яті.
Функції процесора:
· обробка даних по заданій програмі шляхом виконання арифметичних і логічних операцій;
· програмне керування роботою пристроїв комп'ютера.
Моделі процесорів включають наступні спільно працюючі пристрої:
· Пристрій керування (УК). Здійснює координацію роботи всіх інших пристроїв, виконує функції керування пристроями, керує обчисленнями в комп'ютері.
· Арифметико-логічний пристрій (АЛП). Так називається пристрій для цілочислових операцій. Арифметичні операції, такі як додавання, множення і ділення, а також логічні операції (OR, AND, ASL, ROL і ін.) обробляються за допомогою АЛП. Ці операції складають переважну більшість програмних кодів у більшості програм. Всі операції в АЛП виробляються в регістрах - спеціально відведених осередках АЛП. У процесорі може бути декілька АЛУ. Кожен здатний виконувати арифметичні або логічні операції незалежно від інших, що дозволяє виконувати кілька операцій одночасно. Арифметико-логічний пристрійвиконує арифметичні і логічні дії. Логічні операції поділяються на дві прості операції: "Так" і "Ні" ("1" і "0"). Звичайно ці два пристрої виділяються чисто умовно, конструктивно вони не розділені.
· AGU(Address Generation Unit) - пристрій генерації адрес. Це пристрій не менш важливе, чим АЛП, тому що він відповідає за коректну адресацію при завантаженні або збереженні даних.
· Математичний співпроцесор (FPU).Процесор може містити кілька математичних співпроцесорів. Кожний з них здатний виконувати, щонайменше, одну операцію з крапкою, що плаває, незалежно від того, що роблять інші АЛП. Метод конвеєрної обробки даних дозволяє одному математичному співпроцесорові виконувати кілька операцій одночасно. Співпроцесор підтримує високоточні обчислення як цілочисельні, так і з крапкою, що плаває, і, крім того, містить набір корисних констант, що прискорюють обчислення. Співпроцесор працює паралельно з центральним процесором, забезпечуючи, таким чином, високу продуктивність.
· Дешифратор інструкцій(команд). Аналізує інструкції з метою виділення операндів і адрес, по яких розміщаються результати. Потім випливає повідомлення іншому незалежному пристроєві про те, що необхідно зробити для виконання інструкції. Дешифратор допускає виконання декількох інструкцій одночасно для завантаження усіх виконуючих пристроїв.
· Кеш-пам'ять. Особлива високошвидкісна пам'ять процесора. Кеш використовується як буфер для прискорення обміну даними між процесором і оперативною пам'яттю, а також для збереження копій інструкцій і даних, що недавно використовувалися процесором. Значення з кеш-пам'яті витягаються прямо, без звертання до основної пам'яті.
1. Кеш першого рівня (L1 cache). Кеш-пам'ять, що знаходиться усередині процесора. Вона швидше всіх інших типів пам'яті, але менше по обсязі. Зберігає зовсім недавно використану інформацію, що може бути використана при виконанні коротких програмних циклів.
2. Кеш другого рівня (L2 cache). Також знаходиться усередині процесора. Інформація, що зберігається в ній, використовується рідше, ніж інформація, що зберігається в кеш-пам'яті першого рівня, але зате по обсязі пам'яті він більше. Також у даний час у процесорах використовується кеш третього рівня.
3. Основна пам'ять. Набагато більше по обсязі, чим кеш-пам'ять, і значно менш швидкодіюча.
Шина- це канал пересилання даних, використовуваний спільно різними блоками системи. Шина може являти собою набір провідних ліній у друкованій платі, проводу, припаяні до виводів роз’ємів, у які вставляються друковані плати, або плоский кабель. Інформація передається по шині у виді груп бітів. До складу шини для кожного біта слова може бути передбачена окрема лінія (паралельна шина), або всі біти слова можуть послідовно в часі використовувати одну лінію (послідовна шина).
Типи шин:
1. Шина даних. Служить для пересилання даних між процесором і пам'яттю або процесором і пристроями введення-виведення. Ці дані можуть являти собою як команди мікропроцесора, так і інформацію, що він посилає в порти введення-виведення або приймає звідти.
2. Шина адрес. Використовується ЦП для вибору необхідної комірки пам'яті або пристрою введення-виведення шляхом установки на шині конкретної адреси, що відповідає однієї з комірок пам'яті або одного з елементів введення-виведення, що входять у систему.
3. Шина керування. По ній передаються керуючі сигнали, призначені пам'яті і пристроям введення-виведення. Ці сигнали вказують напрямок передачі даних (у процесор або з нього).
· BTB (Branch Target Buffer)- буфер цілей розгалуження. У цій таблиці знаходяться всі адреси, куди буде або може бути зроблений перехід.
· Регістри - це внутрішня пам'ять процесора. Являють собою ряд спеціалізованих додаткових комірок пам'яті, а також внутрішні носії інформації мікропроцесора. Регістр є пристроєм тимчасового збереження даних, числа або команди і використовується з метою полегшення арифметичних, логічних і пересильних операцій. Основним елементом регістра є електронна схема, називана тригером, що здатна зберігати одну двоїчну цифру (розряд).
Деякі важливі регістри мають свої назви, наприклад:
1. суматор — регістр АЛП, що бере участь у виконанні кожної операції.
2. лічильник команд — регістр УП, уміст якого відповідає адресі чергової виконуваної команди; служить для автоматичної вибірки програми з послідовних комірок пам'яті.
3. регістр команд — регістр УП для збереження коду команди на період часу, необхідний для її виконання. Частина його розрядів використовується для збереження коду операції, інші — для збереження кодів адрес операндів.
Еволюція процесорів
Через велику популярність процесорів фірми Intel, розглянемо еволюцію серію процесорів саме цієї фірми.
У 1969 році інженери Intel на чолі з Гордоном Муром і Робертом Нойсом розробили мікропроцесор загального призначення, призначений для застосування в калькуляторах. Це був однокристальний мікропроцесор, що одержав назву 4004 (4-розрядна шина даних і 16-контактний корпус). Нова технологія, практично відразу, лягла в основу створення програмувальних калькуляторів з величезним, по тим часам (від 4-х до 64-х кілобайт) обсягом оперативної пам'яті, здатних обробляти масиви даних.
Наступний процесор - восьмирозрядний і8008 (1972 рік) - був швидше попередника в два рази. і8008 послужив основою для прототипу процесора персональних комп'ютерів. У 1974 році був створений і8080 - перший "класичний" процесор.
У 1976 році фірма Intel почала успішно працювати над мікропроцесором 8086. Розмір його регістрів у порівнянні з 8080 був збільшений у два рази, що дало можливість збільшити його продуктивність у 10 разів. Крім того розмір інформаційних шин був збільшений до 16 розрядів, що дало можливість збільшити швидкість передачі інформації на мікропроцесор і з нього в два рази. Розмір його адресної шини також був істотно збільшений - до 20 біт. Це дозволило 86-му прямо контролювати 1М оперативної пам'яті.
У 1982 році Intel створила процесор 80286. Замість 20-розрядної адресної шини 8088/8086, 80286 мав 24-розрядну шину. Ці додаткові 4 розряди давали можливість збільшити максимум адресної пам'яті до 16 М.
Intel 80386 був створений у 1985 році. Зі збільшенням шини даних до 32 біт, число адресних ліній також було збільшено до 32. Саме по собі це розширення дозволило мікропроцесорові прямо звертатися до 4Гб фізичної пам'яті. Крім того він міг працювати з 16 трильйонами байт віртуальної пам'яті. Існує модифікація процесора Intel80386 — 386SX. Головна відмінність його від 80386 це 16-бітний вхід/вихід шини даних. Як наслідок його внутрішні регістри заповнюються в два кроки.
Усі процесори сімейства 486 мають 32-розрядну архітектуру, внутрішню кеш-пам'ять 8 Кб (у DX4 - 16 КВ). Моделі SX не мають убудованого співпроцесора, він був винесений на плату. Моделі DX2 реалізують механізм внутрішнього подвоєння частоти (наприклад, процесор 486DX2-66 установлюється на 33-мегагерцову системну плату), що дозволяє підняти швидкодію практично в два рази, тому що ефективність кешування внутрішньої кеш-пам'яті складає майже 90 відсотків. Процесори сімейства DX4 486DX4-75 і 486DX4-100 призначені для установки на 25-ти і 33-мегагерцові плати.
Створені в середині 1989 і 1995 року процесори Pentium і Pentium Pro значно відрізнялися по своїй архітектурі від своїх попередників. В основу архітектури була покладена суперскалярна архітектура, що і дала можливість одержати п'ятикратне одержання продуктивності Pentium у порівнянні з моделлю 80486. Хоча Pentium проектувався як 32-розрядний, для зв'язку з іншими компонентами системи використовувалася зовнішня 64-розрядна шина.
3. Материнська плата
Материнська плата– це найважливіша частина комп’ютера, котра містить основні електричні компоненти машини. За допомогою материнської плати відбувається взаємодія між більшістю пристроїв машини.
Конструктивно материнська плата представляє собою печатну плату площею 100-150кв.,см, на якій розміщено велика кількість різноманітних мікросхем, роз’ємів та інших елементів. На системній платі безпосередньо розміщені:
· Роз’єм для підключення мікропроцесора;
· 
Набір системних мікросхем (чіпсет), що забезпечують роботу мікропроцесора та інших вузлів машини;
· Мікросхема постійного запам’ятовуючого пристрою, що містить програми базової системи вводу-виводу (BIOS);
· Мікросхема енергонезалежної пам’яті (від акумулятора на МП) по технології виготовлення називаєма CMOS;
· Мікросхема кеш-пам’яті 2-го рівня;
· Роз’єми для підключення модулів оперативної пам’яті;
· Набір мікросхем та роз’ємів для системних, локальних та периферійних інтерфейсів;
· Мікросхеми мультимедійних пристроїв.
Існують базові типорозміри плат: Full-size AT розміром 12*13,8 дюйма, Baby AT розміром 8,57*13,04, LPX та Mini LPX розмірами 9*13 та 8,2*10,4 дюйма. АТХ – самий розповсюджений формат системних плат, розміром 9,6*12 дюймів
CMOS-пам’ять– зберігає інформацію про параметри багатьох пристроїв, що входять в ПК. Інформація в ній може змінюватись по мірі необхідності.
На системній платі розташована мікросхема постійно запам’ятовуючого пристрою, що містить програми BIOS, необхідних для управління багатьма компонентами комп’ютера. В BIOS є програма, яка називається System Setup – завдяки неї користувач управляє самими глибокими настройками системи. При завантаженні комп’ютера BIOS бере необхідну для своєї роботи інформацію про змінні параметри компонентів ПК з CMOS-пам’яті.
ChipSet- це набір або одна мікросхема, на яку, і покладається основне навантаження по забезпеченню центрального процесора даними і командами, а також, по керуванню периферією, як відео карти, звукова система, оперативна пам'ять, дискові нагромаджувачі і різні порти введення/виведення. Вони містять у собі контролери переривань прямого доступу до пам'яті, звичайно в одну з мікросхем набору входять також годинник реального часу з CMOS-пам'яттю й іноді - клавіатурний контролер. Однак ці блоки можуть бути присутніми і у виді окремих чіпів. В останніх розробках до складу мікросхем наборів для інтегрованих плат стали включатися і контролери зовнішніх пристроїв. Зовні мікросхеми Сhірsеt'а виглядають, як найбільші після процесора, по кількість виводів від декількох десятків до двох сотень. Назва набору звичайно походить від маркірування основної мікросхеми - і810,і810E,і440BX,I820,VIA Apollo pro 133A, Si630, UMC491, і82C437VX і т.п. При цьому використовується тільки код мікросхеми усередині серії: наприклад, повне найменування Si471 - Si85C471. Останні розробки використовують і власні імена; у ряді випадків це - фірмова назва (INTEL,VIA, Viper) Тип набору в основному визначає функціональні можливості плати: типи підтримуваних процесорів, структура обсяг кеша, можливі сполучення типів і обсягів модулів пам'яті, підтримка режимів енергозбереження, можливість програмного настроювання параметрів і т.п. На тому самому наборі може випускатися кілька моделей системних плат, від найпростіших до досить складних з інтегрованими контролерами портів, дисків, відео і т.д.
Різновиди слотів
Слот- роз’єми розширення розташовані на материнській платі. Вони бувають наступних типів ISA, EISA, VLB, PCI, AGP.
ISA (Industry Standard Architecture - архітектура промислового стандарту) - основна шина на комп'ютерах типу PC AT (інша назва - AT-Bus), розрядність - 16/24 (16 Мб), тактова частота - 8 МГц, гранична пропускна здатність - 5.55 Мб/с. Конструктив - 62-контактне роз’єм XT-Bus із прилягаючим до нього 36-контактним роз’ємом розширення.
EISA (Enhanced ISA - розширена ISA) - функціональне і конструктивне розширення ISA. Зовні роз’єми мають такий же вид, як і ISA, і в них можуть уставлятися плати ISA, але в глибині роз’ємна знаходяться додаткові ряди контактів EISA, а плати EISA мають більш високу ножову частину роз’ємну з двома рядами контактів розташованих у шаховому порядку одні ледве вище, інші трохи нижче. Розрядність - 32/32, працює також на частоті 8 Мгц. Гранична пропускна здатність - 32 Мб/с.
VLB (VESA Local Bus - локальна шина стандарту VESA) - 32-розрядне доповнення до шини ISA. Конструктивно являє собою додатковий роз’єм (116-контактний) при роз’ємі ISA. Розрядність - 32/32, тактова частота - 25..50 Мгц.
PCI (Peripheral Component Interconnect - з'єднання зовнішніх компонентів) -PCI є подальшим кроком у розвиток VLB. Розрядність - 32/32 (розширений варіант - 64/64), тактова частота - до 33 МГц (PCI 2.1 - до 66 МГц), пропускна здатність - до 132 Мб/с (264 Мб/с для 32/32 на 66 МГц і 528 Мб/с для 64/64 на 66 МГц).
AGP(Acselerated Graphic Port- Прискорений Графічний Порт)- Є подальшим розвитком PCI націленим на прискорений обмін із графічними акселераторами. Відмінності від PCI у фізичному розташуванні слота на материнській платі і його конструкції. Так як AGP слот конструювався для установки в нього відео плат, у ньому передбачена швидкісна передача даних у пам'ять відео карт, а так як вони не мають потреби в двосторонньому швидкісному обміні, то і відповідно зворотній зв'язок досить повільний. Пропускна здатність - 528 Мб/с, а з відео карти на системну шину до 132 Мб/с. Існує також новий стандарт AGP Pro. Коротко, суть його відмінностей від звичного AGP полягає в тім, що до звичайного роз’ємну AGP по краях додані виводи для підключення додаткових ланцюгів харчування 12В и 3.3В. Ці ланцюги покликані забезпечити збільшене енергоспоживання відео карти.
Роз’єми для підключення зовнішніх пристроїв
USB(Universal Serial Bus - універсальна послідовна магістраль) - один із сучасних інтерфейсів для підключення зовнішніх пристроїв. Передбачає підключення до 127 зовнішніх пристроїв до одного USB-каналу, принципово зроблений за принципом загальної шини, реалізації звичайно мають по двох каналу на контролер. Обмін по інтерфейсі - пакетний, швидкість обміну до 12 Мбіт/с.
LPTпорт- спочатку був призначений для підключення до нього принтера, але надалі з'явився ряд пристроїв здатних працювати через LPT порт (сканери, Zip приводи і т.д.). LPT порт конструктивно представляє із себе паралельний восьми розрядний порт плюс 4 розряди стану.
Питання для самоконтролю
1. Коли і яка фірма випустила перший мікропроцесор?
2. Назвіть властивості сучасних мікропроцесорів.
3. Які фірми випускають сучасні мікропроцесори для персональних комп’ютерів? Назвіть характеристики цих комп’ютерів.
4. Назвіть типи роз’ємів.
5. (Творче завдання) За каталогами або ціновими пропозиціями комп’ютерних магазинів визначте характеристики процесорів, що доступні на ринку комп’ютерів вашого регіону.