Лекції по МПС

Персональний комп'ютер типу IBM PC має досить традиційну архітектуру мікропроцесорної системи і містить всі звичайні функціональні вузли: процесор, постійну і оперативну пам'ять, пристрої вводу/виводу, системну шину, джерело живлення.
Основні особливості архітектури персональних комп'ютерів зводяться до принципів компоновки апаратури, а також до вибраного набору системних апаратних засобів.

Мал. 7.1. Архітектура персонального комп'ютера типа IBM PC.

Функції основних вузлів комп'ютера наступні:

Центральний процесор - це мікропроцесор зі всіма необхідними допоміжними мікросхемами, включаючи зовнішню кеш-пам'ять і контролер системної шини. (Про кеш-пам'ять докладніше розказано в наступних розділах). В більшості випадків саме центральний процесор здійснює обмін по системній шині.
Оперативна пам'ять може займати майже весь простір пам'яті процесора, що адресується. Проте частіше всього її об'єм набагато менше. В сучасних персональних комп'ютерах стандартний об'єм системної пам'яті складає, як правило, від 64 до 512 Мбайт. Оперативна пам'ять комп'ютера виконується на мікросхемах динамічної пам'яті і тому вимагає регенерації.
Постійна пам'ять (ROM BIOS - Base Input/Output System) має невеликий об'єм (до 64 Кбайт), містить програму початкового запуску, опис конфігурації системи, а також драйвери (програми нижнього рівня) для взаємодії з системними пристроями.
Контролер переривань перетворить апаратні переривання системної магістралі в апаратні переривання процесора і задає адреси векторів переривання. Всі режими функціонування контролера переривань задаються програмно процесором перед початком роботи.
Контролер прямого доступу до пам'яті приймає запит на ПДП з системної магістралі, передає його процесору, а після надання процесором магістралі проводить пересилку даних між пам'яттю і пристроєм вводу/виводу. Всі режими функціонування контролера ПДП задаються програмно процесором перед початком роботи. Використовування вбудованих в комп'ютер контролерів переривань і ПДП дозволяє істотно спростити апаратуру вживаної плати розширення.
Контролер регенерації здійснює періодичне оновлення інформації в динамічній оперативній пам'яті шляхом проведення по шині спеціальних циклів регенерації. На час циклів регенерації він стає господарем (задатчиком) шини.
Перестановщик байтів даних допомагає проводити обмін даними між 16-розрядним і 8-розрядним пристроями, пересилати цілі слова або окремі байти.
Годинник реального часу і таймер-лічильник - це пристрої для внутрішнього контролю часу і дати, а також для програмної витримки тимчасових інтервалів, програмного задання частоти і т.д.
Системні пристрої вводу/виводу - це ті пристрої, які необхідні для роботи комп'ютера і взаємодії із стандартними зовнішніми пристроями по паралельному і послідовному інтерфейсам. Вони можуть бути виконані на материнській платі, а можуть розташовуватися на платі розширення.
Плата розширення встановлюється в слоти (роз'єми) системної магістралі і може містити оперативну пам'ять і пристрої вводу/виводу. Вони можуть обмінюватися даними з іншими пристроями на шині в режимі програмного обміну, в режимі переривань і в режимі ПДП. Передбачена також можливість захоплення шини, тобто повного відключення від шини всіх системних пристроїв на деякий час.

Важлива особливість подібної архітектури - її відкритість, тобто можливість включення в комп'ютер додаткових пристроїв, причому як системних пристроїв, так і плат розширення. Відкритість припускає також можливість простого вбудовування програм користувача на будь-якому рівні програмного забезпечення комп'ютера.
Перший комп'ютер сімейства, що набув широке поширення, IBM PC XT, був виконаний на базі оригінальної системної магістралі PC XT-Bus. Надалі (починаючи з IBM PC AT) вона була допрацьована до магістралі, стандартної, що стала, і одержала назву ISA (Industry Standard Architecture). До недавнього часу ISA залишалася основою комп'ютера. Проте, починаючи з появи процесорів i486 (в 1989 році), вона перестала задовольняти вимогам продуктивності, і її сталі дублювати більш швидкими шинами: VLB (VESA Local Bus) і PCI (Peripheral Component Interconnect bus) або замінювати сумісною з ISA магістраллю EISA (Enhanced ISA). Поступово шина PCI витіснила конкурентів і стала фактичним стандартом, а починаючи з 1999 роком в нових комп'ютерах рекомендується повністю відмовлятися від магістралі ISA, залишаючи тільки PCI. Правда, при цьому доводиться відмовлятися від вживання плати розширення, розробленої за довгі роки для підключення до магістралі ISA.
Інший напрям вдосконалення архітектури персонального комп'ютера пов'язаний з максимальним прискоренням обміну інформацією з системною пам'яттю. Саме з системної пам'яті комп'ютер читає всі виконувані команди, і в системній же пам'яті він береже дані. Тобто більш всього звертань процесор скоює саме до пам'яті. Прискорення обміну з пам'яттю приводить до істотного прискорення роботи всієї системи в цілому. Але при використовуванні для обміну з пам'яттю системної магістралі доводиться враховувати швидкісні обмеження магістралі. Системна магістраль повинна забезпечувати сполучення з великим числом пристроїв, тому вона повинна мати досить велику протяжність; вона вимагає вживання вхідних і вихідних буферів для узгодження з лініями магістралі. Цикли обміну по системній магістралі складні, і прискорювати їх не можна. В результаті істотного прискорення обміну процесора з пам'яттю по магістралі добитися неможливо.
Розробниками був запропонований наступний підхід. Системна пам'ять підключається не до системної магістралі, а до спеціальної високошвидкісної шини, що знаходиться «ближче» до процесора, не вимагаючої складних буферів і великих відстаней. У такому разі обмін з пам'яттю йде з максимально можливою для даного процесора швидкістю, і системна магістраль не уповільнює його. Особливо актуальним це стає із зростанням швидкодії процесора (зараз тактові частоти процесорів персональних комп'ютерів досягають 2-4 ГГц).
Таким чином, структура персонального комп'ютера з одношинної, застосовувалася тільки в перших комп'ютерах, стає трьохшинною .
Призначення шин наступне:

Мал. 7.2. Організація зв'язків у разі трьохшинної структури.

Всі три шини мають адресні лінії, лінії даних і управляючі сигнали. Але склад і призначення ліній цих шин не співпадають між собою, хоча вони і виконують однакові функції. З погляду процесора, системна шина (магістраль) в системі всього одна, по ній він одержує дані і команди і передає дані як в пам'ять, так і в пристрої вводу/виводу.
Тимчасові затримки між системною пам'яттю і процесором в даному випадку мінімальні, оскільки локальна шина і шина пам'яті сполучені тільки найпростішими швидкодійними буферами. Ще менше затримки між процесором і кеш-пам'яттю, що підключається безпосередньо до локальної шини процесора і що служить для прискорення обміну процесора з системною пам'яттю.

Якщо в комп'ютері застосовуються дві системні шини, наприклад, ISA і PCI, то кожна з них має свій власний контролер шини, і працюють вони паралельно, не впливаючи один на одного. Тоді виходить вже чотирьохшинна, а іноді і п'ятишинна структура. Приклад такої структури комп'ютера приведений на мал. 7.3 .
В найпоширеніших настільних комп'ютерах класу Desk-top як конструктивна основа використовується системна або материнська платна (motherboard), на якій розташовуються всі основні системні вузли комп'ютера, а також декілька роз'ємів (слотів) системної шини, для підключення дочірньої плати - плати розширення (інтерфейсних модулів, контролерів, адаптерів). Як правило, сучасна системна плата допускає заміну процесора, вибір його тактової частоти, заміну і нарощування оперативної пам'яті, вибір режимів роботи інших вузлів.
На системній платі зараз звичайно розташовуються також основні засоби зовнішнього інтерфейсу, що служать для приєднання як вбудованих пристроїв (наприклад, дискових носіїв), так і зовнішніх пристроїв комп'ютера (наприклад, клавіатури, миші, принтера, сканера, модему). Для підключення відеомонітора, як правило, використовується спеціальна платна розширення (контролер дисплея), що вставляється в один із слотів. Це дозволяє замінювати її більш могутньою при необхідності установки нового монітора.