Анализ и оценка аппаратных средств современных ПЭВМ

Анализ и оценка аппаратных средств современных ПЭВМ

Государственный комитет по связи и информатике

МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ

И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра ВТ и УС

Курсовая работа

по теме

Анализ и оценка аппаратных средств современных ПЭВМ

Выполнил:

Студент гр. А19301

Рыбалко С.О.

Проверил:

д.т.н. Козырева

Москва

1997

Введение

В наше время трудно представить себе, что без компьютеров можно

обойтись. А ведь не так давно, до начала 70-х годов вычислительные машины

были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, а их применение, как

правило, оставалось окутанным завесой секретности и мало известным широкой

публике. Однако в1971 г. произошло событие, которое в корне изменило

ситуацию и с фантастической скоростью превратило компьютер в повседневный

рабочий инструмент десятков миллионов людей. В том вне всякого сомнения

знаменательном году еще почти никому не известная фирма Intel из небольшого

американского городка с красивым названием Санта-Клара (шт. Калифорния),

выпустила первый микропроцессор. Именно ему мы обязаны появлением нового

класса вычислительных систем - персональных компьютеров, которыми теперь

пользуются, по существу, все, от учащихся начальных классов и бухгалтеров

до маститых ученых и инженеров. Этим машинам, не занимающим и половины

поверхности обычного письменного стола, покоряются все новые и новые классы

задач, которые ранее были доступны (а по экономическим соображениям часто и

недоступны - слишком дорого тогда стоило машинное время мэйнфреймов и мини-

ЭВМ) лишь системам, занимавшим не одну сотню квадратных метров. Наверное,

никогда прежде человек не имел в своих руках инструмента, обладающего столь

колоссальной мощью при столь микроскопических размерах.

Процессоры

Первый шаг

15 ноября 1971 г. можно считать началом новой эры в электронике. В

этот день компания приступила к поставкам первого в мире микропроцессора

Intel 4004 - именно такое обозначение получил первый прибор, послуживший

отправной точкой абсолютно новому классу полупроводниковых устройств.

Создав новый рынок и захватив на нем господствующие высоты, Intel тем

не менее стремилась расширить его границы, и за 25 лет процессоры проделали

поистине гигантский путь.

Рассмотрим типы процессоров, которые применяются в данное время:

80286

Процессор i80286 был анонсирован 1 февраля 1982 г. Архитектура и

характеристики чипа оказались весьма впечатляющими. Оставшись 16-разрядным

прибором, по производительности новый ЦП в 3—6 раз превзошел своего

предшественника (i8086) при тактовой частоте первой модификации 8 МГц.

Благодаря использованию многовыводного корпуса разработчики смогли

применить схему с раздельными шинами адресов и данных. 24 разряда адреса

позволили обращаться к физической памяти объемом до 16 Мбайт — такую же

емкость имели тогда и старшие модели большинства мэйнфреймов. Встроенная

система управления памятью и средства ее защиты открывали широкие

возможности использования МП в многозадачных средах. Кроме того, аппаратура

i80286 обеспечивала работу с виртуальной памятью объемом до 1 Гбайт.

Новый ЦП имел два режима работы - реальный и защищенный. В первом

случае он воспринимался как быстрый ЦП i8086 с несколько расширенной

системой команд и прекрасно подходил тем потребителям, для которых, помимо

скоростных характеристик, жизненно важным было сохранение существующего

задела ПО. Работа в защищенном режиме позволяла использовать преимущества

прибора в полном объеме, и прежде всего — большой объем основной памяти.

Первенец 32-разрядных систем

Первенец 32-разрядных систем i80386 был представлен 17 октября

1985 г. и имел все права на звание процессора для ЭВМ общего назначения.

Использование КМОП-технологии с проектными нормами 1 мкм и двумя

уровнями металлизации позволило разместить на кристалле 275 тыс.

транзисторов и реализовать полностью 32-разрядную архитектуру ЦП. 32

разряда адреса обеспечили адресацию физической памяти объемом до 4 Гбайт и

виртуальной памяти емкостью до 64 Тбайт. Помимо работы с виртуальной

памятью допускались операции с памятью, имевшей страничную организацию.

Предварительная выборка команд, буфер на 16 инструкций, конвейер команд и

аппаратная реализация функций преобразования адреса значительно уменьшили

среднее время выполнения команды. Благодаря этим архитектурным

особенностям, процессор мог выполнять 3 - 4 млн. команд в секунду, что

примерно в 6 - 8 раз превышало аналогичный показатель для МП i8086.

Безусловно, новый прибор остался совместимым со своими предшественниками на

уровне объектных кодов.

Особый интерес представляли три режима работы кристалла ( реальный,

защищенный и режим виртуального МП i8086. В первом обеспечивалась

совместимость на уровне объектных кодов с устройствами i8086 и i80286,

работающими в реальном режиме. При этом архитектура i80386 была почти

идентична архитектуре 86-го процессора, для программиста же он вообще

представлялся как ЦП i8086, выполняющий соответствующие программы с большей

скоростью и обладающий расширенной системой команд и регистрами. Благодаря

этим качествам 32-разрядного продукта компания сохранила прежних клиентов,

которые хотели модернизировать свои системы, не отказываясь от имевшегося

задела в области программного обеспечения, и привлекла тех, кому изначально

требовалась высокая скорость обработки информации.

Одно из основных ограничении реального режима было связано с

предельным объемом адресуемой памяти, равным 1 Мбайт. От него свободен

защищенный режим, позволяющий воспользоваться всеми преимуществами

архитектуры нового ЦП. Размер адресного пространства в этом случае

увеличивался до 4 Гбайт, а объем поддерживаемых программ до 64 Тбайт.

Системы защищенного режима обладали более высоким быстродействием и

возможностями организации истинной многозадачности.

Наконец, режим виртуального МП открывал возможность одновременного

исполнения ОС и прикладных программ. написанных для МП i8086, i80286

и80386. Поскольку объем памяти, адресуемой 386-м процессором, не ограничен

значением 1 Мбайт, он позволял формировать несколько виртуальных сред

i8086.

10 апреля 1989 г. корпорация Intel объявила о начале выпуска 32

разрядного прибора второго поколения - i80486, ставшего после устройств

i8080 и !8086 еще одним долгожителем.

Pentium

Стремительное усложнение программного обеспечения и постоянное

расширение сферы применения компьютеров настоятельно требовали

существенного роста вычислительной мощи центральных процессоров ПК. Ко

всему прочему на пятки стали наступать и RISC-процессоры. Хотя в конце 80-х

годов некоторые эксперты предсказывали близкий конец кристаллов СISC,

корпорация Intel вполне справедливо посчитала, что до этого еще далеко и в

микропроцессорах использованы не все возможности СISC-архитектуры. Кроме

того, фирме вряд ли простили бы отказ от программной совместимости с

предшествующими моделями - стоимость накопленного системного и прикладного

ПО уже измерялась в миллиардах долларов.

Как это случалось не раз, проработки нового процессора начались, когда

проект создания 486-го МП вступил в заключительную стадию. В основу

продукта была положена суперскалярная архитектура (еще один атрибут из мира

мэйнфреймов), которая и дала возможность получить пятикратное повышение

производительности по сравнению с моделью 486DХ. Высокая скорость

выполнения команд достигалась благодаря двум 5-ступенчатым конвейерам,

позволявшим одновременно исполнять несколько инструкций. Для постоянной

загрузки обоих конвейеров из кэш’а требуется широкая полоса пропускания .

Совмещенный буфер команд и данных обеспечить ее не мог, и разработчики

воспользовались решением из арсенала RISC-процессоров, оснастив Pentium

раздельными буферами команд и данных. При этом обмен информацией с памятью

через кэш данных осуществлялся совершенно независимо от процессорного ядра,

а буфер инструкций был связан с ним через высокоскоростную 256-разрядную

внутреннюю шину. Несмотря на то что новый кристалл был спроектирован как 32-

разрядный, для связи с остальными компонентами системы использовалась

внешняя 64-разрядная шина данных с максимальной пропускной способностью 528

Мбайт/с. Еще одной «изюминкой» архитектуры, позаимствованной у

представителей универсальных ЭВМ стала схема предсказания переходов.

По скорости выполнения команд с плавающей точкой Pentium в пять - семь

раз превзошел процессор 486DX2/50 и почти на порядок - микросхему 486DX/33.

Pentium Pro

27 марта 1995 г. Intel представила микропроцессор шестого поколения,

получивший название Pentium Pro. Стремление выжать из CISC-архитектуры

практически все, на что она способна, заставило разработчиков этого

продукта пользоваться почти всеми техническими решениями, которые ранее

применялись в супер ЭВМ и мэйнфреймах (благо, достигнутая степень

интеграции это уже позволяла). Прежде всего речь идет об использовании

механизма динамического разделения порядка выполнения команд нескольких

многоступенчатых конвейеров вместо двух 5-ступенчатых конвейеров,

характерных для Pentium. Новый ЦП имеет их три, в каждом из которых 14

ступеней. Подобный многофазный конвейер позволил обеспечить высокую

тактовую частоту процессора (133 МГц в первой модели). Для осуществления

постоянной загрузки конвейера необходимы высокоэффективный кэш команд и

высококачественная схема предсказания переходов. Поэтому в отличие от

своего предшественника, имевшего двухвходовой ассоциативный кэш инструкций,

Pentium Pro обладает более эффективным четырехвходовым кэш’ем, а также

схемой предсказания ветвлений на 512 входов. Кроме того, для повышения

производительности была применена буферная память второго уровня емкостью

256 Кбайт, расположенная в отдельном чипе и смонтированная в том же

корпусе, что и процессор. Кристалл кэш’а связан с процессором собственной

синхронной 64-разрядной шиной, работающей на тактовой частоте процессора .

Технические характеристики нового ЦП обеспечили ему устойчивый сбыт в

секторе высокопроизводительных серверов и рабочих станций, на долю которого

приходится пока наибольший объем продаж кристалла. Что касается

персональных компьютеров, то здесь распространение Pentium Pro пока

сдерживается относительно высокой стоимостью и недостаточным объемом

прикладного ПО, в полной мере использующего все преимущества процессора.

Материнские платы

Почти все современные платы используют шину PCI и поддерживают

спецификацию PCI-2.0. Архитектура системных плат с шиной PCI за довольно

короткий промежуток времени претерпела существенные изменения, направленные

в конечном счете, на повышение производительности, — от РСI Bridge до РСI

Host Concurrent Bus, допускающей конкурентные циклы процессор-память и PCI-

память.

CHIPSET

Появление chipset Triton фирмы Intel, со значительно расширенными по

сравнению с ранними версиями возможностями по управлению шиной и применению

новых типов памяти, установило новый стандарт на производительные системы

на основе процессоров типа Pentium (90, 100, 120 MHz и т. д.).

Triton (82430FX PCIset) поддерживает:

. спецификацию РС1 РС12.0 (Triton VX— РС1 2.1); внешние тактовые

частоты 50/ 60/ 66 MHz;

. обмен по шине РС1 на частотах 25/30/33 MHz;

. 256 или 512 KB кэш-памяти второго уровня — pipeline burst SRAM,

асинхронную SRAM;

. от 4 до 128 MB EDO DRAM или FPM DRAM;

содержит встроенный Bus Master IDE контроллер на 4 устройства (режимы

PIO mode 4 и MultiWord DMA mode 2).

Естественно, что все новые модели chipset по своим возможностям

находятся примерно на уровне Triton и, кроме того, поддерживают и Pentium,

и процессоры К5 и М1 фирм AMD и Cyrix.

Chipset фирмы Acer Laboratory Inc. под названием Aladdin M1511/12/13

предназначен как для двухпроцессорных, так и однопроцессорных конфигураций.

Рассчитан на процессоры Pentium (от 60/66 MHz на 5V до 150 MHz, 2.5 V). В

однопроцессорной конфигурации можно применять также Cyrix М1 и AMD К5.

Предусмотрена поддержка pipeline burst SRAM и EDO DRAM. Имеется встроенный

контроллер Enhanced IDE.

Новые chipset для процессоров семейства 486, например ALI М 1489

фирмы, используют некоторые решения, разработанные для Pentium, в

частности, возможность применения памяти типа EDO DRAM, а также

поддерживают процессоры MISC фирмы Cyrix и Enhanced 486 фирмы AMD.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ВСТРОЕННЫЕ УСТРОЙСТВА

Во всех новых моделях системных плат для Pentium предусмотрена

поддержка процессоров не только на 90/100 MHz, но и 120, 133, 150 MHz, а в

некоторых —155, 167, 180 и 200 MHz. Разные значения напряжения питания,

требующиеся для разных моделей процессоров, обеспечиваются регуляторами

напряжения, как встроенными, так и в виде внешних модулей Voltage Regulator

Module — VRM (для них предусмотрены специальные разъемы). Практически

обязательными стали встроенные контроллеры Enhanced IDE на 4 устройства с

поддержкой режимов PIO mode 3, 4 и DMA Mode 2 (Bus Master IDE). На почти во

все системные платы, как для Pentium, так и для семейства 486, встраивают

также контроллеры флоппи-дисков и Enhanced Ports. Последовательные порты,

благодаря применению универсального асинхронного приемопередатчика UART

16550 с FIFO регистром, позволяют осуществлять безошибочный

высокоскоростной обмен данными. В некоторых случаях предусмотрена также

поддержка последовательного инфракрасного порта Infrared (IrDA).

Соответствующий модуль подключается через 5-штырьковый разъем. IrDA

обеспечивает обмен данными на расстоянии до одного метра со скоростью 115

kbps. Инфракрасными портами снабжаются в настоящее время многие переносные

устройства (notebook, laptop), а также принтеры.

Системные платы типа AII-In-One, в которых кроме встроенных

контроллеров и портов имеется также и графический адаптер и, зачастую,

звуковая плата, выпускаются в больших количествах, особенно фирмой Intel.

Применение плат All-In-One ограничивалось всегда необходимостью

использования специального корпуса типа slim, ultra slim, super slim и,

кроме того, небольшим числом слотов расширения и недостаточными

возможностями для дальнейшей модернизации. Тем не менее, тенденция

интегрировать, как можно больше устройств в системную плату прослеживается

вполне отчетливо (и не обязательно только в платах типа AII-In-One). Так,

например, встроенные SCSI-адаптеры применяются уже достаточно давно.

СИСТЕМНЫЕ ПЛАТЫ PENTIUM

Фирма ASUSTeK выпускает широкий набор системных плат под Pentium, как

в однопроцессорной, так и в двухпроцессорной конфигурации. Используются

chipset фирмы Intel (Triton, Neptune), а также фирмы SiS. Во всех платах

применены версии BIOS фирмы AWARD и SCSI BIOS фирмы NCR, реализованные на

основе Flash EPROM емкостью 1 M bit.

Пример: Модель РС1/1-Р55ТР4ХЕ рассчитана на процессоры Р54С с

тактовыми частотами 75, 90, 100, 120, 133, 150 MHz. В ней используется

chipset Intel Triton. Встроенный Bus Master Enhanced IDE контроллер

обеспечивает обмен данными в режимах Р10 mode 3 и 4 и DMA mode 2. Имеются

контроллеры флоппи-дисков и Enhanced Ports. BIOS фирмы Award поддерживает

режим Plug&Play. Плата снабжена дополнительным слотом MediaBus, который

может использоваться совместно со слотом РС1 для подключения

комбинированных адаптеров, например графического, совмещенного со звуковой

платой (шина MediaBus является неким аналогом шины ISA, только выведена на

другой разъем).

СИСТЕМНЫЕ ПЛАТЫ 486

Фирма ASUSTeK поставляет классические, очень тщательно

сконструированные модели плат для процессоров семейства. 486. Используется

chipset фирм Intel и SiS. Все платы поддерживают широкую номенклатуру

процессоров производства Intel (включая Pentium OverDrive Р24Т), AMD,

Cyrix, UMC. Хотя локальная шина VLB, разработанная в свое время специально

под процессоры семейства 486, сейчас активно вытесняется шиной РС1, на

рынке все еще имеется большое количество качественных графических и других

адаптеров, выполненных в этом конструктиве. Поэтому разъем под шину VLB

сохранен даже в системных платах, использующих РС1. Модель PVI-486SP3 (с

шинами PCI/VLB/ISA) собрана на chipset SiS 85С496&85С497, использует BIOS

фирмы Award и поддерживает до 512 KB кэш-памяти. Плата имеет полный набор

встроенных контроллеров. Модель PVI-486AP4 использует chipset Intel Green

PC 824.20EX PCIset (Intel Aries) и содержит только Enhanced IDE контроллер.

Страницы: 1, 2, 3, 4