SDRAM (Synchronous DRAM) - синхронна DRAM

BEDO (Burst EDO) - пакетна EDO RAM

Дворазове збільшення продуктивності було досягнуто лише в BEDO-DRAM (Burst EDO). Додавши в мікросхему генератор номера стовпця, конструктори ліквідували затримку CAS Delay, скоротивши час циклу до 15 нс. Після звертання до довільної комірки мікросхема BEDO автоматично, без вказівок з боку контролера, збільшує номер стовпця на одиницю, не вимагаючи його явної передачі. Через обмежену розрядність адресного лічильника (два біти) максимальна довжина пакета не могла перевищувати чотирьох комірок (2*2=4). Формула: одна адреса - багато даних.

Працює на частоті до 66МГц із формулою передачі: 5-1-1-1, що на ~40% швидше EDO-DRAM. Недоліком є обмежена частота та асинхронність із частотою процесора, що веде до додаткових тактів очікування.

SDRAM - це перша 64-розрядна пам'ять із синхронною передачею.

Мікросхеми SDRAM пам'яті працюють синхронно з контролером, що гарантує завершення циклу в строго заданий строк. В SDRAM реалізований удосконалений пакетний режим обміну. Контролер може запросити як одну, так і кілька послідовних комірок пам'яті аж до цілого рядка. Це стало можливим завдяки використанню повнорозрядного адресного лічильника вже не обмеженого, як в BEDO, двома бітами.

Кількість матриць (банків) пам'яті в SDRAM збільшено з одного до двох (а у деяких моделях до чотирьох). Це дозволяє звертатися до комірок пам’яті одного банку паралельно з перезарядженням внутрішніх ланцюгів іншого, що вдвічі збільшує гранично припустиму тактову частоту. Крім цього з'явилася можливість одночасного відкриття двох (чотирьох) сторінок пам'яті, причому відкриття однієї сторінки (тобто передача номера рядка) може відбуватися під час зчитування інформації з іншої, що дозволяє звертатися за новою адресою стовпця комірки пам'яті на кожному тактовому циклі.

На відміну від FPM-DRAM\EDO-DRAM\BEDO, які виконують перезарядження внутрішніх ланцюгів при закритті сторінки (тобто при дезактивації сигналу RAS), синхронна пам'ять виконує цю операцію автоматично, дозволяючи тримати сторінки відкритими настільки довго, скільки це потрібно.

Розрядність ліній даних збільшилася з 32 до 64 біт. Пам'ять має низку латентність. Формула читання довільної комірки із закритого рядка для SDRAM звичайно виглядає так: 5-1-x-x, а відкритої – 3-1-х-х.

Недоліком пам'яті є відносно низька робоча частота (до 133-166МГц), що обмежує збільшення її пропускної здатності.

DDR1, DDR2 і DDR3

DDR1 (Double Data Rate) - пам'ять із подвоєною швидкістю передачі даних. Подвоєння швидкості досягається за рахунок передачі даних і по фронту, і по спаду тактового імпульсу. Завдяки цьому ефективна частота збільшується у два рази. Маркується за пропускною здатністю. Наприклад, DDR 3200 означає, що пам'ять працює на частоті

3200/8байт/2посилки_за_такт=200МГц.

Пам'ять DDR2 характеризується тим, що дані передаються з частотою, збільшеною в 4 рази. У пам'яті DDR3 за один такт передається до 8 посилок даних.

Установка адреси для пам'яті DDR1-DDR3 здійснюється на частоті F_T, 2F_T і 4F_T. Недоліком DDR пам'яті є відносно висока латентність.

RDRAM (Rambus DRAM) - Rambus- пам'ять

Пам'ять Direct RDRAM розроблена компанією Rambus.

Її архітектура має три особливості:

1. Збільшено тактову частоту за рахунок скорочення розрядності шини.

2. Одночасна передача номерів рядка та стовпця комірки пам’яті.

3. Збільшення кількості банків для посилення паралелізму.

Недоліками такої пам'яті є значна латентність та висока вартість.

Рис. 5.2. Часові діаграми роботи сучасних типів пам'яті

Таблиця 5.2.

Контрольні питання

1. Приведіть основні характеристики блоків пам'яті.

2. Які способи підвищення швидкодії блоків пам'яті?

3. Порівняльні характеристики елементів FPM, EDO і BEDO.

4. Опишіть структуру пам'яті SDRAM.

5. Які особливості блоків DDR, DDR2, RAMBUS?

Частина 2. Базова архітектура ПЭВМ стандарту IBM PC/XT

Лекція 6. Історія появи стандарту PC. Фірми IBM, Microsoft, Intel, AMD

6.1. Внесок фірми IBM у створення та розвиток ПК

Фірма IBM (Internаtionаl Business Mаchines Corp.) завжди була законодавцем мод в області обчислювальної техніки.

1911р. - механічні арифмометри з перфокартковим уведенням.

1944р. - електрична обчислювальна машина на релейних логічних елементах.

1946р. - ЕОМ ENIAC на електронних лампах. Обидві машини використовувалися для наукових розрахунків.

Перше покоління ЕОМ пов'язують із масовим виробництвом UNIAC 1 з 1951р. Як елементи пам'яті використовувалися ртутні лінії затримки, запам'ятовуючі електронно-променеві трубки, магнітні барабани та сердечники.

Друге покоління (60-і роки) характеризується використанням транзисторів, які були винайдені в 1948р.

Третє та четверте покоління (середина 60-х та 70-і роки) пов'язані з появою малих і великих інтегральних мікросхем, а також із впровадженням методів автоматизованого складання ЕОМ. У цей час фірма IBM створює серію потужних багатокористувальницьких машин, у тому числі моделі 360 та 370.

П'яте покоління комп'ютерів має на увазі широке використання мікропроцесорів і виходить від середини 70-х років по теперішній час. З початку 90-х років з'являються ЕОМ шостого покоління із широким використанням оптоволоконої та іншої світлотехніки для надшвидкої передачі інформації.

Слід також зазначити великий внесок IBM по створенню програмних продуктів: від мови Фортран (1955р.) до досліджень в області штучного інтелекту.

До появи ПЭВМ IBM PC в 1982 р. фірми MITS (Altair), Apple, Commodore, Radio Shack уже створили перші ПЭВМ, апаратні засоби яких були закриті для користувачів і конкуруючих фірм.

IBM пізніше інших долучилась до боротьби за ринок персональних ЕОМ, але швидко стала переможцем. Це зв'язано не тільки з потужністю фірми, а також із правильною політикою її керівництва в області техніки, технології та бізнесу.

По-перше, була прийнята відкрита архітектура - можна "ритися в мізках" комп'ютера та підключати до нього практично будь-яке електричне кероване устаткування. Крім того, був прийнятий безперешкодний продаж ліцензій іншим фірмам-виготовлювачам (Сінгапур, Тайвань, Південна Корея, Японія).

Другою причиною успіху є ставка на перспективні мікропроцесори фірми Intel і програмну підтримку фірми Microsoft. Трохи пізніше до них активно підключилися фірми AMD, SIS, VIA, ATI, NVIDIA і багато інших. Таким чином, IBM є основним розроблювачем стандарту PC, що став домінуючим у світі.

Основи стандарту IBM/PC - відкрита архітектура, принцип магістральності, модульності, сумісність «згори-донизу». Процесор на базі 45нм технології виробництва з 820 мільйонами транзисторів буде виконувати програму, написану для CPU Intel 8086 c 29 тисячами транзисторів, створеного за технологією 2500нм біля тридцяти років тому.

У наш час фірма IBM зосередила свою увагу на традиційних для себе суперЕОМ, а також на розробці передових технологій вирощування кристалів мікропроцесорів.

6.2. Внесок фірми Microsoft у створення й розвиток ПК

Заснована в 1975р. Полом Аленом і Біллом Гейтсом корпорація Microsoft є визнаним світовим лідером у виробництві програмного забезпечення на всіх етапах еволюції стандарту PC. Насамперед це операційні системи для персональних комп'ютерів і серверів.

1981-1993рр. Текстова однозадачна 16-розрядна оболонка MS-DOS 1.0-5.0 розповсюджується разом з новим комп'ютером IBM PC 486.

1983-85рр.– Випуск Windows 1.0 – середовища, що доповнює DOS графічним інтерфейсом.

1987р. - Вихід Windows 2.0 – уперше використовується захищений режим CPU 286.

1990-92рр. - Вихід Windows 3.0-3.1. Уведено диспетчери програм і файлів.

1993-97рр.- Випуск Windows NT (скорочення від New Technology – нова технологія) – перша повністю 32-розрядна ОС, розрахована на корпоративних користувачів. Поява пов'язана, насамперед, з появою Pentium -систем.

1995р. - Виходить Windows 95. Уперше використовуються мережеві технології TCP/IP. За рівнем відповідає комп'ютерам Mac.

1998-1999рр.- Windows 98-98SE-ME. Змішана операційна система з елементами DOS.

2000р. – Windows 2000. Є спадкоємицею Windows NT.

2001р. – Windows XP. Повністю 32-розрядне середовище, що поєднує переваги Windows 2000 та Windows 98.

2003р. – Windows Server 2003.

2006р. – Vista – нова 32-64 розрядна операційна система.

2009р. – Windows 7– нова 64 розрядна операційна система.

Таким чином, фірма Microsoft є основним розробником операційних систем для PC.

6.3. Внесок фірми Intel у створення й розвиток ПК

Корпорація Intel (integrated electronics) була створена Робертом Нойсом, Гордоном Муром та Эндю Гроувом у 1968р. Всі троє прийшли з фірми Fairchild Semiconductors. Роберт Нойс відомий як винахідник мікросхеми в 1959р. Гордон Мур в 1965р. опублікував статтю, у якій передбачив експонентний характер збільшення продуктивності мікросхем від часу. Закон Мура говорить: «потужність мікросхеми подвоюється кожні вісімнадцять місяців». Эндю Гроув вважається одним з найвидатніших організаторів виробництва.

Первісною ідеєю фірми була розробка напівпровідникової пам'яті замість елементів на магнітних сердечниках. З'явилися запам'ятовувальні пристрої з ультрафіолетовим стиранням. Однак найбільші успіхи Intel пов'язані зі створенням мікропроцесорів.

1971р. – 4-розрядний мікропроцесор (МП) Intel 4004.

1979р. - перший CPU серії X86 - 8088, що містить близько 30 тис. транзисторів із кроком 2 мікрони (товщина людського волосся приблизно 100 мікронів). За ним пішли 16-розрядні 8086, 80186 і, нарешті, 80286 - самий популярний CPU до середини 80-х років (близько 100 тис. транзисторів).

В 1985р. представлений 32- розрядний CPU Intel386, що містить близько 300 тис. транзисторів.

В 1989р. випущений процесор Intel486. Уперше об'єднані CPU, математичний співпроцесор та кеш-пам'ять на одному кристалі із загальним числом транзисторів 1.2 мільйона. Intel486 за продуктивністю більш ніж в 50 разів перевершив свого попередника - CPU 8088 при повній сумісності з програмним забезпеченням, що використовувалось на більше ранніх моделях мікропроцесорів.

В 1993р. оголошений новий 32-розрядний CPU Pentium (P5) - самий потужний CPU сімейства X86. Pentium містив більше 3.1 млн. транзисторів із кроком 600нм і був швидше Intel486 майже в 2 рази. Структуру процесора запропонував Винод Дэм в 1989р.

Нове тисячоріччя фірма зустріла з процесором Pentium IV з тактовою частотою більше 1.4 ГГц та техпроцесом 130нм.

За 20 років розвитку стандарту PC лінійний розмір транзистора зменшився у 15 разів, а частота процесора збільшилася в 400 разів. При цьому кількість транзисторів на кристалі зросла в 3 тис. разів. У цілому, продуктивність процесора збільшилася приблизно в 10 тис. разів. За законом Мура продуктивність повинна була зрости в 2^(20років/1.5року)=16 тис. разів. Так що закон приблизно виконувався. Але, як заявив сам Гордон Мур, експонентний ріст уповільнюється та припиниться до 2015-2020р. після досягнення технологічної межі 16нм. Разом з тим, є інші способи підвищення продуктивності, зокрема, паралельні обчислення.

Таким чином, фірма Intel є піонером у створенні 16- та 32-розрядних мікропроцесорів для PC.

6.4. Внесок фірми AMD у створення й розвиток ПК

Фірма AMD була створена у 1969р. і пов'язана, насамперед, із Джерри Сандерсом, що ще працюючи в Fairchild Semiconductors (!) запропонував продавати транзистор за ціною 1$ при його початковій собівартості 100$. Так був виграний ринок у конкурентів, а собівартість транзистора за кілька років знизилася до 15 центів і первісні витрати себе окупили.

Спочатку власні розробки не вели, а здобували ліцензії на виробництво МС в інших фірм, у тому числі в Intel. Так з'явилися клони 8080, 8086, Am286, Am386 і Am486. З останніми процесорами зв'язані претензії Intel про незаконне використання мікрокоду з боку фірми AMD. У результаті AMD відсудила від Intel 1 млрд. доларів. Це дозволило фірмі AMD поглинути фірму NEX із групою розробників на чолі з Атиком Раза. Так з'явилися процесори K5 і K6, а за ними в 1999р. знаменитий Athlon. Нарешті, в 2003р. на ринок випущений перший 64-х розрядний процесор Athlon64.

Слід зазначити, що фірма AMD завжди використовувала передові технології виробництва, що разом із просунутої МП архітектурою дозволило створити самі продуктивні процесори.

Найбільш значимий внесок фірми AMD - випуск першого 64-розрядного процесора.

Контрольні питання

1. Який внесок фірми IBM в IT- індустрію.

2. Яка роль фірми Microsoft у комп'ютерній техніці?

3. Історичні етапи розробки процесорів фірмою Intel.

4. Яка роль фірми AMD у розвитку мікропроцесорної техніки?

5. Укажіть чотири найбільш революційних CPU для PC.

Лекція 7. Архітектура ПЭВМ IBM PC/XT і способи підключення

зовнішніх пристроїв

7.1. Функціональна схема ПЭВМ IBM PC/XT

Шинна організація персональних комп'ютерів

Шини персонального комп'ютера утворюють групи ліній передачі сигналів з адресною інформацією, даних, а також сигналів управління. Фактично їх можна розділити на три частини: адресну шину, шину даних і шину сигналів управління. Останню варто розуміти умовно, тому що сигнали управління в значній мірі розсіяні по системній платі. Рівні цих сигналів визначають стан системи в обраний момент часу.

На рис.7.1 зображена узагальнена структурна схема комп'ютерів IBM PC, що складається із синхрогенератора 82x84, мікропроцесора 80x86 і системного контролера 82x88 (дешифратор керуючих сигналів). Крім того, зазначені три шини: адреса, даних і сигналів управління.

Синхрогенератор видає тактовий сигнал для CPU і інші МС. Сигнал -RESET переводить CPU і інші МС у початковий стан (ініціалізація). Сигнал READY# призначений для подовження циклів при роботі з повільними периферійними пристроями.

На адресну шину, що складається з 20-64 ліній, CPU виставляє адресу байта або слова, що буде пересилатися по шині даних у процесор або з нього. Крім того, шина адресу використовується CPU для вказівки адресу периферійних портів (10 ліній молодших розрядів), з якими проводиться обмін даними.

Рис. 7.1. Спрощена структурна схема ПК IBM PC

Шина даних складається з 8-64 ліній для двонаправленої передачі байтів і слів. Шина управління формується сигналами, що надходять безпосередньо від CPU, сигналами від системного контролера, а також сигналами, що йдуть від інших МС та периферійних адаптерів.

CPU використовує системний контролер для формування керуючих сигналів, що визначають перенесення даних по шині. Він виставляє три сигнали S0#, S1#, M/IO# (S2#), які визначають тип циклу шини: підтвердження переривання (INTA), читання та запис у порт введення/виводу (IOR# і IOW#), останов (HALT), читання та запис у пам’ять (MEMR# і MEMW#).

На підставі сигналів S0-S2 системний контролер формує динаміку циклу шини. Це відбувається протягом 4 тактів CLK (2-х станів CPU по 2 такти CLK).

Організація системних шин PC/XT

Вище розглянута локальна шина L в архітектурі комп'ютера. Є також основна системна шина S для зв'язку системної плати із зовнішніми пристроями. Вона виведена на 8 спеціальних слотів (ламелеві роз’єми з дюймовим кроком). У них установлюються плати периферійних адаптерів (дисплея, вінчестера, миші, принтера і т.д.).

Лінії адреси, що йдуть від МП, утворюють шину L. Для передачі цієї адреси на шину S в XT частково, а AT для всіх ліній є спеціальні буферні регістри-клямки. Ці регістри передають адресу з L на S-шину, але також і роз'єднують їх якщо буде потреба. Наприклад, коли здійснюється прямий доступ до пам'яті. У цьому випадку адреси на шину S виставляють контролер ПДП і так звані сторінкові регістри. Таким чином, наявність трьох шин дозволяє виставляти адреси різним МС.

Усе БІС на системній платі, крім процесора та співпроцесора, підключені до X-Шини, у якій є адресна частина ( XA-шина), лінія даних ( XD-шина) і сигнали управління (XCTRL-шина). Вони відділені від процесора двома буферами: між L- і S-шинами та між S- і X-шинами. Ширина шин даних LD і SD в XT дорівнює 8 біт, а в AT дорівнює 16 біт.

Крім L-, S-, X-шин у комп'ютері є М-шина для відділення системної шини від оперативної пам'яті. Ширина MD-шини становить 16 ліній для комп'ютера AT і 8 ліній для XT. Ширина адресної шини MА-шини дорівнює 10 лініям, оскільки перехід адреси на неї відбувається через мультиплексори: спочатку виставляються молодші 10 розрядів адресу, а потім 10 старших розрядів.

На рис.7.2 наведена структура системи PC/XT. На рис.7.2 використані наступні умовні позначення: CPU - центральний процесор; COPR - математичний співпроцесор; I/O - співпроцесор введення/виводу; Buf - шинний формувач або регістр (буфер); BIOS - базова система введення/виводу (ROM); PPI - програмований периферійний інтерфейс; PIT - програмований інтегральний таймер; PIC - програмований контролер переривань; DMА - контролер прямого доступу до пам’ті; RTC - годинник реального часу; RАМ – оперативний запам’ятовувальний пристрій; FDC - контролер flopy-диска; HDC - контролер вінчестера; VA - відеоадаптер; MD - модем; PP - паралельний порт (Centronics); SP - послідовний порт (RS-232); Device - зовнішній адаптер або інший пристрій.

Рис. 7.2. Структура системи PC/XT

7.2. Способи підключення зовнішнього пристрою до комп'ютера

З розглянутої шинної організації витікає, що зовнішній пристрій (стандартний адаптер або спеціалізований цифровий пристрій) можуть бути включені в комп'ютерну систему або через послідовний порт, або через паралельний порт, або шляхом підключення безпосередньо до системної шини S.

Стосовно зовнішнього пристрою CPU може перебуває в активному, пасивному стані або в режимі переривань. Відповідно до цього використовуються 3 варіанти підключення зовнішнього пристрою до ЕОМ.

Включення через послідовний порт

Особливість такого варіанта складається в можливості використання довгої лінії зв'язку пристрій-ЕОМ із малим (4-6) числом проводів. Однак швидкодія цієї лінії невисока (не більше 19 кБод, тобто частки або одиниці кілобайт у секунду). Зазначеним способом у режимі переривань підключаються, наприклад, маніпулятор "миша" або модем.

Рис. 7.3. Включення через послідовний порт