Архітектура комп'ютерів, системні плати

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

Бердичівський політехнічний коледж

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

№ 1 з дисципліни

«Архітектура комп'ютерів»

курс IV

(варіант №14)

студента групи ПЗС-404

ТОМАШОВА Олега Вікторовича

Перевірив викладач В.Ю. КОЗІК

м. Бердичів, 2006 р.

Зміст

1. Параметри процесорів

2. Загальні відомості формфакторів системних плат

3. Системи Plug&Play. Вибір системної плати

4. Покоління мікропроцесорів

Список використаної літератури

Параметри процесорів

Принцип мікропрограмного керування забезпечує найбільшу гнучкість при організації багатофункціональних мікропроцесорних модулів і шляхом певної комбінації мікрокоманд дає змогу здійснити проблемну орієнтацію мікроЕОМ. Завдяки цьому принципу є можливість використовувати макрооперації в МПС та ефективніше виконувати команди і програми, ніж при використанні підпрограм.

Мікропрограмне керування підвищує гнучкість пристроїв за рахунок можливості зміни мікропрограм, збільшує регулярність структури пристроїв за рахунок широкого використання матричних структур типу пам’яті, забезпечує паралельне розв’язування задач за розосередженого керування та розподіленості пам’яті, підвищує надійність пристроїв за рахунок використання чіпів пам’яті, спрощує контроль функціонування пристроїв, тому що контроль блока мікропрограмного керування зводиться до контролю вмісту запам’ятовуючого пристрою

“Мозком” персонального комп’ютера є мікропроцесор, або центральний процесор — CPU (Central Processing Unit). Мікропроцесор виконує обчислення і обробку даних (за винятком деяких математичних операцій, здійснюваних в комп’ютерах, що мають сопроцесор) і, як правило, є найдорожчою мікросхемою комп’ютера. У всіх PC – сумісних комп’ютерах використовуються процесори, що підтримують сімейство мікросхем Intel, але випускаються і проектуються вони не тільки самою Intel, але і компаніями AMD, Cyrix, IDT і Rise Technologies.

Компанія Intel асоціюється з винаходом першого процесора і його появою на ринку. Але, не дивлячись на це, два найвідоміших в кінці 70-х років процесора, використовуваних в ПК, не належали Intel. У персональних комп’ютерах того часу найчастіше використовувалися процесори Z-80 компанії Zilog і 6502 компанії Rise Technologies. Процесор Z-80 був поліпшеним і дешевшим аналогом процесора 8080. Сьогодні подібна ситуація відбулася з численними клонами процесорів Intel Pentium, створеними компаніями AMD, Cyrix (тепер VIA), IDT і Rise Technologies. Більш того, в деяких випадках аналог набував більшу популярність, ніж оригінал. Компанія AMD протягом минулого року зайняла значну частину ринку, одержавши в результаті великий прибуток.

Зоряна година компаній Intel і Microsoft наступила в 1981 році, коли IBM випустила перший персональний комп’ютер IBM PC з процесором Intel 8088 (4,77 Мгц) і операційною системою Microsoft Disk Operating System (DOS) версії 1.0. З цієї митою практично у всі персональні комп’ютери встановлюються процесори Intel і операційні системи Microsoft.

Перший процесор був випущений за 10 років до появи першого комп’ютера IBM PC. Він був розроблений компанією Intel, з ім’ям Intel 4004, а його випуск відбувся 15 листопаду 1971 року. Робоча частота цього процесора складала всього 108 кГц (0,108 Мгц!). Він містив 2 300 транзисторів і вироблявся за 10 – мікронною технологією. Шина даних мала ширину 4 розряди, що дозволяло адресувати 640 байт пам’яті. Цей процесор призначався для використання в програмованих калькуляторах.

У квітні 1972 року Intel випустила процесор 8008, який працював на частоті 200 кГц. Він містив 3 500 транзисторів і вироблявся все за тією ж 10 – мікронною технологією. Шина даних була 8 – розрядною, що дозволяло адресувати 16 Кбайт пам’яті. Цей процесор призначався для використання в терміналах і програмованих калькуляторах.

Наступна модель процесора, 8080, була анонсована в квітні 1974 року. Цей процесор містив 6 000 транзисторів і міг адресувати вже 64 Кбайт пам’яті. На ньому був зібраний перший персональний комп’ютер Altair 8800. У цьому комп’ютері використовувалася операційна система СР/М, а Microsoft розробила для нього інтерпретатор мови BASIC. Це була перша масова модель комп’ютера, для якого були написані тисячі програм.

З часом процесор 8080 став настільки відомий, що його почали копіювати. В кінці 1975 років декілька колишніх інженерів Intel, що займалися розробкою процесора 8080, створили компанію Zilog. У липні 1976 року ця компанія випустила процесор Z-80, який був значно поліпшеною версією 8080. Він був не сумісний з 8080 по контактних виводах, але поєднував в собі безліч різних функцій, наприклад інтерфейс пам’яті і схему оновлення ОЗУ (RAM), що дозволяло розробити дешевші і простіші комп’ютери. У Z-80 був також включений розширений набір команд процесора 8080, що дозволяв використовувати його програмне забезпечення, До цього процесора увійшли нові команди і внутрішні регістри, тому програмне забезпечення, розроблене для Z-80, могло бути використане практично зі всіма версіями 8080. Спочатку процесор Z-80 працював на частоті 2,5 Мгц (пізніші версії працювали вже на частоті 10 Мгц), містив 8,5 тис. транзисторів і міг адресувати 64 Кбайт пам’яті.

Компанія Radio Shack вибрала процесор Z-80 для свого першого персонального комп’ютера TRS-80 Model 1.

Z-80 став першим процесором, використовуваним в багатьох новаторських системах, до числа яких відносяться Osborne і Kaypro. Цьому прикладу послідували інші компанії, і незабаром Z-80 став стандартним процесором для систем, що працюють з операційною системою СР/М і найпоширенішим програмним забезпеченням того часу.

Процесори можна класифікувати по двох основних параметрах: розрядності і швидкодії. Швидкодія процесора — досить простий параметр. Вона вимірюється в мегагерцах (Мгц); 1 Мгц рівний мільйону тактів в секунду. Чим вища швидкодія, тим швидший процесор. Розрядність процесора – параметр складніший. У процесор входить три важливі пристрої, основною характеристикою яких є розрядність:

шина введення і виведення даних;

внутрішні регістри;

шина адреси пам’яті.

Швидкодія комп’ютера багато в чому залежить від тактової частоти. Вона визначається параметрами кварцового генератора, що є кристалом кварцу, який ув’язнений в невеликий олов’яний контейнер. Під впливом електричної напруги в кристалі кварцу виникають коливання електричного струму з частотою, визначеною 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. 2.1 показаний графік синусоїдального сигналу.

Мал. 2.1. Графічне представлення поняття тактова частота

Якнайменшою одиницею вимірювання часу (квантом) для процесора як логічного пристрою є період тактової частоти, або просто такт. На кожну операцію витрачається мінімум один такт.

Цикл 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.

Майже всі сучасні процесори, починаючи з 486DX2, працюють на тактовій частоті, яка рівна утворенню деякого множника на тактову частоту системної плати. Наприклад, процесор Celeron 600 працює на тактовій частоті, в дев’ять разів перевищуючої тактову частоту системної плати (66 Мгц), а Pentium III 1000 — на тактовій частоті, в сім з половиною разів перевищуючої 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 системній платі, розрахованій на 100 Мгц (133 Мгц). Деякі процесори компанії Cyrix розроблені для системної плати, розрахованої на 75 Мгц, і багато системних плат, призначених для Pentium, також можуть працювати на цій частоті.

Тактову частоту системної плати і множник можна встановити за 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 системна плата з тактовою частотою 133 Мгц, що підтримувала всі сучасні версії процесора Pentium III. В цей же час компанія AMD випустила системну плату Athlon і набори мікросхем з тактовою частотою 100 Мгц, використовуючи технологію подвійної 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.

У сучасних комп’ютерах використовується генератор змінної частоти, звичайно розташований на системній плати; 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. У додатку приведені тактові частоти процесорів Pentium і системної плати до них.

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.

Звичайно допускається 10-20 процентне 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 I, Slot А, Sockets, Socket 370 і Socket А автоматично визначають тип встановленого процесора і самостійно встановлюють необхідну напругу живлення. У більшості системних плат (особливо це торкається продукції компанії Intel) змінити ці значення вручну неможливо. Але інші виробники допускають ручну зміну напруги 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.

2. Загальні відомості формфакторів системних плат

У більшості нових систем використовується поліпшений формфактор системної плати, званий АТХ. У системах з системною платнею і корпусом цього типу поліпшене охолоджування процесора: він встановлений близько від джерела живлення, а вентилятор джерела живлення в більшості систем АТХ встановлений так, що обдуває процесор. І тому в таких системах можна використовувати пасивний теплоотвод (тобто обійтися без вентилятора процесора).

На мою думку, зі всіх складових сама важна — системна плату, і тому її виробник повинен бути визнаний законним виробником вашої системи. Найкрупніші фірми— складальники комп'ютерів розробили свою власну системну платню. Відповідно до матеріалів журналу Computer Reseller News фірми CompaqPackard Bell і IBM— три найкрупніших виробника настільних комп'ютерів останніми роками. Ці компанії розробляють і проводять власну системну плату, а також багато інших компоненти системи. Вони навіть розробляють чіпи і компоненти системної логіки для власної платні. Хоча ринок збуту цих трьох компаній великий, є ще більш крупний сегмент ринку, який можна назвати ринком компаній другого рівня. Другий рівень займають компанії, які насправді не проводять системи, а збирають їх, тобто придбавають системну платню, корпуси, джерела живлення, дисководи периферійні пристрої і ін., збирають комп'ютери і продають їх як готові вироби. Сьогодні Dell, Gateway і Micron — одні з найкрупніших складальників систем в світі, але, крім них, можна перерахувати ще сотні. В даний час це найбільший сегмент на ринку PC. Звичайно, за винятком дуже не багатьох випадків, можна придбати ту ж саму системну плату і інші компоненти, що використовуються цими виробниками, але їх роздрібна ціна, поза сумнівом, буде вище. Можна навіть самостійно зібрати фактично ідентичну систему із самого початку, але це — тема розділу 24, “Збірка і модернізація комп’ютера”.

Якщо Gateway, Dell, Micron і інші компанії не проводять власної системної плати, то хто ж це робить? Ви угадали— цим займається Intel. Не тільки названі компанія -60 Розділ 2. Компоненти PC, можливості і проектування систем іноді використовують виключно системну плату Intel, але більшість комп'ютерів на ринку другого рівня зібрана на основі цієї системної плати. Точніше, в цих восьми використовувався один і той же тип системної платні Intel, тобто ці системи відрізнялися тільки косметично деталями зовнішньої збірки, корпусами і тим, які відеоадаптери, дисководи, клавіатури і інше використовував складальник. Два інші комп'ютери, про які йшла мова в цьому огляді, хоча і використовували платню інших виробників (не Intel), були розраховані на вживання процесорів Intel Pentium II і в них були встановлені набори мікросхем системної логіки (чипсеты) Intel (їх вартість складає більш 90% вартості системної плати). Як і коли це трапилося?

Звичайно, Intel завжди була домінуючим постачальником процесорів для PC, оскільки IBM вибрала Intel 8088 як центральний процесор в першому IBM PC в 1981 році. Контролюючи ринок процесорів, ця компанія, природно, контролювала і ринок мікросхем, необхідних для установки процесорів в комп'ютери. А це, у свою чергу, дозволило Intel контролювати ринок мікросхем системної логіки. Ця компанія початку їх продавати в 1989 році, коли з'явилася мікросхема системної логіки 82350 EISA (Extended Industry Standard Architecture), і до 1993 року стала найбільшим (за об'ємом) і самим основним постачальником мікросхем системної логіки для системної плати. Але у такому разі, чом би компанії, що проводить процесор і всі інші чіпи, необхідні для системної плати, не усунути всі проміжні ланки і не проводити також системну плату цілком? Такий поворотний момент наступив в 1994 році, коли Intel стала найкрупнішим в світі виробником системної плати. З тих пір ця фірма контролює ринок системної плати: в 1997 році Intel провела більше системної платні, ніж восьми найкрупніших виробників системної плати разом узятих (об'єм збуту перевищив 30 млн плат, а їх вартість — 3,6 млрд доларів!). Ця плата встановлюється в комп'ютерах PC різними складальниками, тому більшість користувачів тепер купує комп'ютери, по суті, проведені фірмою Intel, і неважливо, хто конкретно загвинчував гвинти в корпусі.

Без сумніву, Intel здійснює контроль над стандартом апаратних засобів PC, тому що ця компанія контролює ринок системної платні PC. Вона не тільки випускає більшість системних плат, що використовується в даний час в комп'ютерах але і поставляє більшість процесорів і мікросхем системної логіки для системної плати інших виробників. Це означає, що, навіть якщо ваша системна плата фактично виготовлена не фірмою Intel, найімовірніше, на ній встановлений процесор Intel або мікросхема системної логіки цієї фірми.

3. Системи Plug&Play. Вибір системної плати

Декілька років назад виробники апаратури висунули визначну ідею створити новий принцип взаємодії пристроїв від різноманітних постачальників в межах однієї комп'ютерної системи. Суть полягає в тому, щоб кожний елемент апаратури настроював самий себе без конфліктів з іншими пристроями, присутніми в системі. Ця ідея була реалізована в концепції Plug end Play (вмикай і працюй). Концепцію Plug end Play реалізують три основних складники:

• BIOS специфікації Plug end Play.

• Пристрої та їх драйвери специфікації Plug end Play.

• Операційна система, що підтримує Plug end Play.

Специфікація Plug end Play дозволяє BIOS автоматично замінювати ресурси для приладів Plug end Play під час завантаження системи. Це відбувається до того, як Windows завантажиться в пам'ять, і якщо пристрій, що не підтримує Plug end Play, викличе конфлікт, то ОС може не завантажитися зовсім!

Для вирішення таких конфліктів в ОС Windows передбачений безпечний режим (Safe mode), щоб дозволити завантажувати систему з мінімальним набором драйверів і виконувати ручну конфігурацію через програмне забезпечення. При цьому можна змінити параметри, що викликають конфлікт.

Існує багато приладів Plug end Play, однак кожний пристрій повинен відповідати певним вимогам:

• Кожний пристрій повинен розпізнавати необхідні для його роботи системні ресурси.

• Кожний пристрій повинен мати унікальну ідентифікованість у системі.

• Кожний пристрій повинен знаходити програмне забезпечення, що їм управляє.

• Кожний пристрій повинен бути зконфігурований за допомогою програмного забезпечення.

Прилади, що підтримують Plug end Play, можуть здійснювати обмін інформацією з BIOS і з'ясовувати, які ресурси зайняті, а які вільні, щоб зайняти вільні ресурси. Основне призначення майстра встановлення обладнання - розбити складний процес інсталяції на прості етапи.

Встановлення обладнання складається із слідуючи етапів:

Автоматичне виявлення пристроїв Plug end Play

Початковий екран майстра містить стислі відомості про цю програму. Для того щоб розпочати встановлення нового обладнання, клацніть на кнопці Далее.

Перед усім ОС намагається виявити будь-яке нове обладнання Plug end Play, яке, можливо, було встановлене. Для початку процесу ви повинні «клацнути» на кнопці Далее.

Оскільки більшість додаткових приладів в нинішній час підтримує специфікацію Plug end Play, велика імовірність того, що нове обладнання буде виявлене і відображене в діалоговому вікні.

Навіть якщо в списку всього один елемент, ви повинні виділити його і клацнути на кнопці Далее. Після цього ОС спробує завантажити драйвер. Якщо потрібного драйвера на вашому жорсткому диску не виявиться, ОС запропонує вказати його місцеположення. Після завантаження драйвера часто необхідно перезавантажити систему.

Якщо обладнання, що ви намагаєтеся встановити, в списку буде відстунє, встановити перемикач Нет, устройство отсутствует в списке. Після цього клацніть на кнопці Далее. Автоматичне виявлення пристроїв, які не підтримують Plug end Play. Надайте ОС можливість знайти нове обладнання. Це займе деякий час, але, якщо обладнання буде знайдено, ОС автоматично буде знати, який драйвер завантажувати, і спробує це зробити. Якщо потрібного драйвера на вашому жорсткому диску немає, ОС запропонує вказати його місцеположення. Вибір обладнання із списку Якщо ОС не виявила ваше нове обладнання або якщо ви впевнені, що знаєте виробника і модель, тоді пристрій можна вибрати самостійно. Для вибору системної плати ми через панель інструментів заходимо в міню установка пристроїв якщо ми знаємо, що ця плата приєднана то ми вказуємо її марку і система сама ідентифікує плату і запускає для запису та встановлення необхідні драйвера для встановлення пристрою. Якщо ж цієї плати немає в переліку стандартних драйверів необхідно в пристрій зчитування компакт дисків вставити диск з необхідними драйверами і встановити системну плату. Після встановлення необхідно перезавантажити комп’ютер і перевірити через свойства комп’ютера чи всі дії ми виконали правільно.

Після завершення настроювання ОС найчастіше запропонує перезавантажити комп'ютер. Використання драйверів від виробника пристрою.

Якщо драйверів для вашого нового обладнання немає в складі ОС, можна скористуватися драйверами, наданими виробником. Як правило, драйвери додаються до пристрою і містяться на дискеті або компакт-диску. Для того, щоб використовувати драйвер від виробника, необхідно клацнути на кнопці Установить с диска у вікні майстра встановлення обладнання. Додатково до майстра встановлення обладнання в ОС Windows є декілька інших майстрів і процесів, якими можна скористатися для встановлення драйверів для нового обладнання. Всі вони схожі по зовнішньому вигляду і принципам роботи. Доступ до них можна отримати через панель управління, де містяться програми для конфігурування таких пристроїв: Мышь, Игровые устройства, Клавиатура, Модемы, Мультимедиа, Экран, Сеть.

4. Покоління мікропроцесорів

До першого покоління мікропроцесорів цього відносять процесори 8086 (липень 1978, Intel),8087, 8088, 80186, 80188. Були першими 16-розрядними процесорами. Мали 16-розрядну шину даних та 20 розрядну шину адрес, що дозволяло адресувати 1 Мбайт пам’яті. Перший комп’ютер IBM PC з процесором 8088 з’явився на ринку в серпні 1981 року і працював з частотою 4,77 МГц. Для виконання математичних операцій поряд з процесором був встановлений мікропроцесор (математичний процесор) 8087. Час виконання команди складав 12 тактів. Трохи згодом з’являються мікропроцесори другого покоління а саме мікропроцесор 286 (1981) та мікропроцесор 80287. Був сумісний з процесором 8088. Мав більшу продуктивність. Продуктивність першого комп’ютера 286 з тактовою частотою 6 МГц в 5 раз була більша від IBM PC (4,77 МГц). Час виконання команд складав 4,5 такта. Існують його різновиди з тактовими частотами 6, 8, 10, 12, 16, 20 МГц. Працював в двух режимах: реалному та захищеному. Підтримував багатозадачність. Недоліком була відсутність програмного переходу між режимами.

Мікропроцесор третього покоління 386 (1985) був повністю 32-розрядним. На виконання команд в реальному режимі використовував 4,5 такта. Міг програмно переключатися з режима в режим. Крім того в нього був передбачений віртуальний реальний режим. Підвищення реальної продуктивності було досягнуто за рахунок введення додаткових програмних режимів та значного вдосконалення диспетчера пам’яті MMU (Memory Managemet Unit).

386DX складався з 275 тисяч транзисторів. Мав 132 контактний корпус з струмом 400 мА. Тактова частота колебалась в межах від 16 до 40 МГц. Процесор міг адресувати пам’ять об’ємом до 4 Гбайт, а вбудований адміністратор пам’яті дозволяв працювати програмам з віртуальною пам’яттю об’ємом 64Тбайт.

386SX мав 16-розрядну шину даних хоча міг обробляв 32 біти даних. Шина адреса 24-розрядна. Міг адресувати пам’ять об’ємом 16 Мбайт. 386SL використовувався в пормативних системах, складався з 855 тисяч транзисторів. Тактова частота 25 МГц. До четвертого покоління відносять процесори 486 (Intel, 1989), 486 DX (1989), 486SL, 486SX (1991), DX2/OverDrive (1992), Pentium OverDrive (1995), AMD 486 (5x86), Cyrix/TI 486.

486 здобув вдвічі більшу продуктивність в порівнянні з 386 при однакових частотах за рахунок:

зменшення часу виконання команд до 2 тактів;

вбудованої кеш – пам’яті першого рівня;

зменшених циклів пам’яті (bust mode);

вбудованого синхронного сопроцесора.

Серед процесорів 486 можна виділити декілька груп:

486 SX відсутній сопроцесор;

486 DX з сопроцесором;

486 DX2 з подвійною швидкодією (OverDrive) та сопроцесором;

486DX4 з тройною швидкодією та сопроцесором.

Тактові частоти коливались в межах від 32 до 100 МГц. З множником частоти від 2х до 3х

Процесори AMD, сумісні з 486, являються самии швидкими в класі 486. Мають множник частоти 4х (133 МГц). Має сковзну кеш пам’ять 16Кбайт, що працює з тактовою частотою 133 МГц. Для охолодження використовується вентилятор.

Компанією Cyrix були розроблені процесори 486DX2/DX4 з назвою TI-486, розраховані на частоти 50 – 100 МГц. Були повністю смісні з Intel. Має кеш пам’ять з зворотнім записом об’ємом 8 Кбайт.

Список використаної літератури

Срібнер Л.А. Програмуючі пристрої автоматики: - К.: Техніка, 1984

Буреев Л.Н. Найпростіша мікро-ЕВМ: -М.; Енергоатоміздат, 1989.

Тулі М., Справочний посібник по цифровій техніці: М.: Энергоатоміздат, 1990.

Конспект лекцій.