Системная шина

Системная шина- это основная интерфейсная система ПК, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Основной функцией системной шины является передача информации между процессором и остальными устройствами ЭВМ. Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие разъемы подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры).

Управление системной шиной осуществляется непосредственно, либо, чаще через контроллер шины. Обмен информацией между ВУ и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов. Системная шина состоит из трех шин: шины управления, шины данных и адресной шины. По этим шинам циркулируют управляющие сигналы, данные (числа, символы), адреса ячеек памяти и номера устройств ввода-вывода. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

· Адресная шина.У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распростра­нены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комби­нация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

· Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе про­цессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

· Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, из тех областей, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укла­дываются в один байт, однако, есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (напри­мер, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Процессор.

Процессор (ЦП) выполняет логические и арифметические операции, определяет порядок выполнения операций, указывает источники данных и приемники результатов. Работа процессора происходит под управлением программы.

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки опе­ративной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изме­няться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имею­щих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие);

При первом знакомстве с ЭВМ считают, что процессор состоит из пяти устройств: арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), регистров общего назначения (РОН), кэш-памяти и генератора тактовых частот.

•устройство управления (УУ)—формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импуль­сы), обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ, т.е. отвечает за порядок выполнения команд, из которых состоит программа.

•арифметико-логическое устройство (АЛУ)—предназначено для вы­полнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполнения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор), Промежуточные результаты сохраняются в РОН.

•местная память (МПП) — служит для кратковременного хра­нения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах общего назначения (РОН) и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо оперативная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

· Кэш- память служит для повышения быстродействия процессора, путем уменьшения времени его непроизводительного простоя. Она применяется для кратковременного хра­нения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. Кэш- память строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо оперативная память (ОП) не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.

Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням кеш L1 (level1-первого уровня) и L2 (level2 – второго уровня). Кэш первого уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, имеет объем порядка десят­ков Кбайт и обычно работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора. Кэш второго уровня находится либо в кристалле процессора, либо она размещена на материнской плате вблизи процессора, тогда ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

· генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта работы машины или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая опера­ция в машине выполняется за определенное количество тактов:

Система команд процессора.В процессе работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти. Часть данных он интерпретирует непосред­ственно как данные, часть данных — как адресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относя­щиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Про­цессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и не взаимозаменяемы.

Совместимость процессоров.Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процес­сором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовмести­мы или ограниченно совместимы на программном уровне.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86.

Основные параметры процессоров.Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты (множитель) и размер кэш-памяти.

Рабочее напряжениепроцессора обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы (их надо выбирать совместно). По мере развития процессорной техники происходит постепенно! понижение рабочего напряжения. Ранние модели процессоров х86 имели рабочее напряжение 5 В, а в настоящее время оно составляет менее 3 В. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность.

Разрядность процессорапоказывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Первые процессоры х86 был 16-разрядными. Начиная с процессора 80386, они имеют 32-разрядную архитектуру. Современные процессоры семейства Intel Pentium остаются 32-разрядными, хотя и работают с 64-разрядной шиной данных (разрядность процессора определяете не разрядностью шины данных, а разрядностью командной шины).

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. В настенных часах такты колебаний задает маятник, а в персональном компью­тере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессор­ный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в еди­ницу времени, тем выше его производительность.

По чисто физическим причинам, так как она представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводни­ков и микросхем, материнская плата не может рабо­тать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внут­реннее умножение частотына коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более, т.о. если частота системной шины 133 Мгц, а коэффициент (множитель ядра) равен 8, то рабочая тактовая частота составит 1Ггц.

Вся история IBM PC связана с процессорами фирмы Intel, которая выпускает эти микросхемы с 1970г, начиная с четырехразрядного 4004. Дадим неформальную характеристику основных параметров этих процессоров.