Основы микропроцессорной техники

Раздел 7. Организация персонального компьютера

Как уже отмечалось, персональный компьютер представляет собой наиболее развитый вид микропроцессорных систем. На основе персональных компьютеров можно строить самые сложные контрольно-измерительные, управляющие, вычислительные и информационные системы. Имеющиеся в персональном компьютере аппаратные и программные средства делают его универсальным инструментом для самых разных задач.

В случае вычислительных и информационных систем персональный компьютер не нуждается в подключении нестандартной аппаратуры, все сводится к подбору или написанию необходимого программного обеспечения. В случае же контрольно-измерительных и управляющих систем персональный компьютер оснащается набором инструментов для соединения с внешними устройствами и соответствующими программными средствами. Во многих случаях строить систему на основе персонального компьютера оказывается гораздо проще, быстрее и даже дешевле, чем проектировать ее с нуля на базе какого микропроцессора, микропроцессорного комплекта или микроконтроллера.

Конечно, в большинстве случаев система на основе персонального компьютера оказывается сильно избыточным, это плата за универсальность. Но в то же время тот же компьютер может решать самые разнообразные задачи. Например, в системе управления технологическими процессами или научными установками он может математически моделировать процессы, происходящие, выдавать в реальном времени управляющие сигналы, принимать в реальном времени соответствующие сигналы, накапливать информацию, обрабатывать ее, обмениваться информацией с другими компьютерами и т.д . Развитый интерфейс пользователя (видеомонитор, полноразмерная клавиатура, мышь) делают работу с персональным компьютером комфортной и эффективной. А стоимость персональных компьютеров вследствие большого объема выпуска постоянно снижается. Поэтому их использование не только удобно, но и экономически выгодно.

Но чтобы грамотно и полноценно использовать персональный компьютер в составе любых систем, нужно иметь представление о его архитектуре, об основных принципах построения, об устройствах, входящих в его состав, наконец, о внешние интерфейсы.

7.1. Архитектура персонального компьютера

Персональный компьютер типа IBM PC имеет довольно традиц� �онную архитектуру микропроцессорной системы и содержит все обычные функциональные узлы: процессор, постоянную и оперативную память, устройства ввода / вывода, системную шину, источник питания (Рис.7.1). Основные особенности архитектуры персональных компьютеров сводятся к принципам компоновки аппаратуры, а также в избранное набора системных аппаратных средств.

Рис. 7.1 Архитектура персонального компьютера типа IBM PC.

Функции основных узлов компьютера следующие:

• Центральный процессор - это микропроцессор со всеми необходимыми вспомогательными микросхемами, включая внешнюю кэш-память и контроллер системной шины. (О кэш подробнее будет рассказано в следующих разделах. В большинстве случаев именно центральный процессор осуществляет обмен системной шиной.
• Оперативная память может занимать почти весь адресован пространство памяти процессора. Однако зачастую ее объем намного меньше. В современных персональных компьютерах нормальный объем системной памяти составляет, как правило, от 64 до 512 Мбайт. Оперативная память компьютера выполняется на микросхемах динамической памяти и поэтому требует регенерации.
• Постоянная память (ROM BIOS - Base Input / Output System) имеет небольшой объем (до 64 Кбайт), содержит программу начального запуска, описание конфигурации системы, а также драйверы (программы нижнего уровня) для взаимодействия с системными устройствами.
• Контроллер прерываний превратит аппаратные прерывания системной магистрали в аппаратные прерывания процессора и задает адреса векторов прерывания. Все режимы функционирования контроллера прерываний задаются программно процессором перед началом работы.
• Контроллер прямого доступа к памяти принимает запрос на ПДП из системной магистрали, передает его процессору, а после предоставления процессором магистрали проводит пересылку данных между памятью и устройством ввода / вывода. Все режимы функционирования контроллера ПДП задаются программно процессором перед началом работы. Использование встроенных в компьютер контроллеров прерываний и ПДП позволяет существенно упростить аппаратуру применяемых плат расширения.
• Контроллер регенерации осуществляет периодическое обновление информации в динамичной оперативной памяти путем проведения шиной специальных циклов регенерации. На время циклов регенерации он становится хозяином (задатчик) шины.
• Перестановник байт данных помогает проводить обмен данными между 16-разрядным и 8-разрядным устройствами, пересылать целые слова или отдельные байты.
• Часы реального времени и таймер-счетчик - это устройства для внутреннего контроля времени и даты, а также для программной выдержки временных интервалов, программного задания частоты и т.д.
• Системные устройства ввода / вывода - это те устройства, которые необходимы для работы компьютера и взаимодействия со стандартными внешними устройствами параллельным и последовательным интерфейсами. Они могут быть выполнены на материнской плате, а могут располагаться на платах расширения.
• Платы расширения устанавливаются в слоты (разъемы) системной магистрали и могут содержать оперативную память и устройства ввода / вывода. Они могут обмениваться данными с другими устройствами на шине в режиме программного обмена, в режиме прерываний и в режиме ПДП. Предусмотрена также возможность захвата шины, т.е. полного отключения от шины всех устройств системы на время.

Важная особенность подобной архитектуры - ее открытость, т.е . возможность включения в компьютер дополнительных устройств, причем как устройств системы, так и различных плат расширения. Открытость предполагает также возможность простого встраивания пользовательских программ на любом уровне программного обеспечения компьютера.

Первый компьютер семейства, получивший широкое распространение, IBM PC XT, был выполнен на базе оригинальной системной магистрали PC XT-Bus. В дальнейшем (начиная с IBM PC AT) она была доработана до магистрали, ставшей стандартной и получила название ISA (Industry Standard Architecture). Недавно ISA оставалась основой компьютера. Однако, начиная с появления процессоров и486 (в 1989 году), она перестала удовлетворять требованиям производительности, и ее стали дублировать более быстрыми шинами: VLB (VESA Local Bus) и PCI (Peripheral Component Interconnect bus) или заменять совместимой с ISA магистралью EISA (Enhanced ISA). Постепенно шина PCI вытеснила конкурентов и стала фактическим стандартом, а начиная с 1999 года в новых компьютерах рекомендуется полностью отказываться от магистрали ISA, оставляя только PCI. Правда, при этом приходится отказываться от применения плат расширения, разработанных за долгие годы для подключения к магистрали ISA.

Другое направление совершенствования архитектуры персонального компьютера связан с максимальным ускорением обмена информацией с системной памятью. Именно из системной памяти компьютера читает все команды, которые выполняются, и в системной же памяти он хранит данные. То есть больше всего обращений процессор делает именно к памяти. Ускорения обмена с памятью приводит к существенному ускорению работы всей системы в целом. Но при использовании для обмена с памятью системной магистрали приходится учитывать скоростные ограничения магистрали. Системная магистраль должна обеспечивать соединение с большим количеством устройств, поэтому она должна иметь достаточно большую длину, она требует применения входных и выходных буферов для согласования с линиями магистрали. Циклы обмена системной магистралью сложные, и ускорять их нельзя. В результате существенного ускорения обмена процессора с памятью магистралью добиться невозможно.

Производителями был предложен следующий подход. Системная память подключается не к системной магистрали, а к специальной высокоскоростной шины, находится "ближе" к процессору, не требующих сложных буферов и больших расстояний. В таком случае обмен с памятью идет с максимально возможной для данного процессора скоростью, и системная магистраль не замедляет ее. Особенно актуальным это становится с ростом быстродействия процессора (сейчас тактовые частоты процессоров персональных компьютеров достигают 1-3 ГГц).

Таким образом, структура персонального компьютера с одношиннои, применявшаяся только в первых компьютерах, становится трьохшинною (Рис. 7.2).

Рис. 7.2 Организация связей в случае трьохшиннои структуры.

Назначение шин следующее:

• к локальной шины подключаются центральный процессор и кэш-память (быстрая буферная память);
• к шине памяти подключается оперативная и постоянная память компьютера, а также контроллер системной шины;
• к системной шины (магистрали) подключаются все другие устройства компьютера.

Все три шины имеют адресные линии, линии данных и управляющие сигналы. Но сочетание и назначение линий этих шин не совпадают между собой, хотя они и выполняют одинаковые функции. С точки зрения процессора, системная шина (магистраль) в системе в� �его одна, по ней он получает данные и команды и передает данные как в память, так и в устройства ввода / вывода.

Временные задержки между системной памятью и процессором в данном случае минимальны, так как локальная шина и шина памяти соединены только простейшими быстродействующими буферами. Еще меньше задержки между процессором и кэш-памятью, подключаемого непосредственно к локальной шины процессора, которая служит для ускорения обмена процессора с системной памятью.

Если в компьютере применяются две системные шины, например, ISA и PCI, то каждая из них имеет свой собственный контроллер шины, и работают они параллельно, не влияя друг на друга. Тогда получается уже чотирьохшинна, а иногда и пьятишинна структура. Пример такой структуры компьютера приведен на Рис. 7.3.

Рис. 7.3 Пример багатошиннои структуры.

В наиболее распространенных настольных компьютерах класса Desk-top как конструктивная основа используется системная или материнская плата (motherboard), на которой располагаются все основные системные узлы компьютера, а также несколько разъемов (слотов) системной шины для подключения дочерних плат - плат расширения (интерфейсных модулей, контроллеров, адаптеров). Как правило, современные системные платы допускают замену процессора, выбор его тактовой частоты, замену и наращивание оперативной памяти, выбор режимов работы других узлов.

На системной плате сейчас преимущественно располагаются также основные средства внешнего интерфейса, служащих для присоединения как встроенных устройств (например, дисковых носителей), так и внешних устройств компьютера (например, клавиатуры, мыши, принтера, сканера, модема. Для подключения видеомонитора, как правило, используется специальная плата расширения (контроллер дисплея), который вставляется в один из слотов. Это позволяет заменять ее более мощной при необходимости установки нового монитора.

Отметим, что для портативных персональных компьютеров класса ноутбук (notebook), которые сейчас получают все большее распространение, применяются несколько иные конструктивные решения. В частности, в них отсутствуют слоты расширения системной шины, а практически все узлы компьютера выполняются на одной плате. Но мы, в основном, будем говорить о компьютерах типа desktop (настольных), так как именно они наиболее приспособлены для построения сложных систем, допускают довольно простую модернизацию (upgrade) и настройки на конкретные нужды пользователя.