Главная | Обратная связь

Основные системы материнской платы

Процессор – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки данных, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) либо сверхбольших (СБИС) интегральных схем.

В зависимости от набора команд, которые может выполнить процессор над данными – системы команд, различают процессоры с полным набором команд (типа CISC) и с сокращенным набором команд (типа RISC). Система команд CISC-процессоров в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд, что позволяет использовать их в универсальных вычислительных системах. Однако на выполнение даже самой короткой команды требуется не менее четырех тактов работы процессора. RISC-процессоры содержат набор только простых, чаще всего встречающихся в программах команд. На выполнение каждой такой команды тратится 1 машинный такт. Однако сложные операции приходится реализовывать последовательностями простейших команд, которые часто оказываются далеко не эффективными. Поэтому RISC-процессоры используются в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций. Для ПК в последнее время ориентируются на выпуск процессоров, основная часть которых (ядро) выполняется по RISC-архитектуре, а внешняя – по архитектуре CISC.

Функционально процессор состоит из двух частей:

- операционной, содержащей устройство управления, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и процессорную память;

- интерфейсной, содержащей адресные регистры процессорной памяти, блок регистров команд, схему управления системной шиной и портами. Регистры – сверхбыстродействующие ячейки памяти. Порт – аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к данному устройству другое устройство.

Упрощенная функциональная схема устройства управления показана на рис. 4.3. В регистре команд хранится код команды. Расположен он в блоке регистров команд интерфейсной части процессора. Дешифратор операций – логический блок, активизирующий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропрограмм хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Импульс, сформированный дешифратором операций, считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую совокупность управляющих сигналов, которая передается через шину (группа проводников) управления во все блоки машины. Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части процессора) по адресной части команды и содержимому регистров процессорной памяти вычисляет полный адрес ячейки основной оперативной памяти. По шине адреса передается адрес, указывающий на одну из ячеек основной оперативной памяти. По шине данных происходит копирование данных из основной оперативной памяти в регистры процессора и обратно, а также команд из той же оперативной памяти.

АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций над данными. Функционально АЛУ (рис. 4.4) состоит обычно из двух регистров, сумматора и местного устройства управления (УУ). Сумматор – вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения двоичных чисел. Сумматор имеет разрядность двойного машинного слова. Регистр 1 (Рг1) имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Рг2) – разрядность слова. При выполнении операций в Рг1 помещается первый операнд, а по завершении операции – результат; в Рг2 – второй операнд.

Принимать информацию с шины данных могут оба регистра, а выдавать в нее информацию – только Рг1. УУ принимает по шине управления управляющие сигналы от устройства управления процессора и преобразует их в сигналы для управления работой регистров и сумматора. АЛУ выполняет арифметические операции только над целыми двоичными числами. Выполнение операций над числами с плавающей запятой и над двоично-десятичными числами осуществляется с привлечением математического сопроцессора.

Процессорная память имеет небольшую емкость, но чрезвычайно высокое быстродействие (время обращение измеряется наносекундами). Она предназначена для хранения информации, непосредственно участвующей в ближайших вычислениях. Процессорная память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не меньшей машинного слова, которые разделяются на специальные регистры и регистры общего назначения. В специальных регистрах хранятся различные адреса (например, адреса команд), признаки выполнения операций и режимов работы ПК. Большинство из них программно недоступны. Регистры общего назначения, наоборот, программно доступны и используются для хранения любой информации.

Интерфейсная часть процессора предназначена для его связи и согласования с системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд. Обмен информацией процессора с другими устройствами производится посредством портов ввода-вывода и с помощью схемы управления системной шиной и портами. Всего портов может быть 65536. Каждый порт имеет адрес (номер), соответствующий адресу ячейки памяти, которая является частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти ПК. Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти, один из которых предназначен для обмена данными, а другой – для обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства, как НВП, клавиатура, принтер, имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода. Схема управления системной шиной и портами выполняет следующие функции:

- формирование адреса управляющей информации для порта (переключение порта на прием или передачу и другие);

- прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;

- организацию сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода-вывода и процессором.

Схема управления системной шиной и портами использует для связи с портами все три шины процессора. При доступе к порту процессор посылает сигнал по шине управления, который оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на шине адреса является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. Устройство, адрес порта которого совпадает, дает ответ о готовности, после чего по шине данных осуществляется обмен данными.

Основная память содержит оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства.

ОЗУ предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК. ОЗУ – энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, стирается. Основу ОЗУ составляют БИС, содержащие матрицы ячеек памяти. Ячейки расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных линий матрицы. При обращении к конкретной ячейке памяти соответствующий адрес преобразуется в ОЗУ в электрические импульсы по тем линиям матрицы, которые соединены с выбранной ячейкой.

Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящихся в ПЗУ, записывают («зашивают») на этапе изготовления микросхемы. Этот пакет программ образует базовую систему ввода-вывода (BIOS). Основное его назначение состоит в проверке состава и работоспособности компьютерной системы, а также в обеспечении взаимодействия с клавиатурой монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется всегда один и тот же адрес, указывающий на ПЗУ. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам не только наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, но и вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

В ходе работы все программы пользователя и соответствующие данные размещаются в ОЗУ. Таким образом, чем больше емкость ОЗУ, тем реже возникает необходимость обращения к «винчестеру» и, следовательно, выше скорость обработки информации.

Энергонезависимая память CMOS (названа по технологии изготовления) от ОЗУ отличается тем, что ее содержимое не стирается при выключении компьютера, а от ПЗУ – тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с изменением состава оборудования. Относительно внешних устройств этими данными являются драйверы. Драйвер – специальная программа, управляющая данным внешним устройством ЭВМ и организующая обмен информацией между процессором, ОЗУ и внешним устройством. Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

Микросхема CMOS постоянно подпитывается от небольшого аккумулятора, расположенного на материнской плате. Заряда этого аккумулятора хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

Системная шинавключает в себя:

- шину данных, содержащую электрические проводники и схемы сопряжения (входят в чипсет) для параллельной передачи разрядов операнда или команды;

- шину адреса, включающую электрические проводники и схемы сопряжения (входят в чипсет) для параллельной передачи разрядов адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

- шину управления, содержащую электрические проводники и схемы сопряжения (входят в чипсет) для передачи управляющих сигналов во все блоки машины;

- шину питания, имеющую электрические проводники и схемы сопряжения (входят в чипсет) для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации: во-первых, между процессором и основной памятью, во-вторых, между процессором и портами ввода-ввода внешних устройств, в-третьих, между основной памятью и портами ввода-ввода внешних устройств. Управляют системной шиной логические устройства микросхем чипсета.

Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и пропускная способность. Пропускная способность (максимально возможная скорость передачи информации) зависит от разрядности шины и тактовой частоты, на которой шина работает.