Эволюция шинной архитектуры IBM PC

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Архитектура компьютера — логическая организация и структура аппаратных и программных ресурсов вычислительной системы. Архитектура заключает в себе требования к функциональности и принципы организации основных узлов ЭВМ.

Архитектура персонального компьютера это компоновка его основных частей, таких как процессор, ОЗУ, видеоподсистема, дисковая система, периферийные устройства и устройства ввода-вывода.

В настоящее время наибольшее распространение получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, в то время как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.

Гарвардская архитектура — архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете.

В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру компьютера для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), так как она была проще в реализации. Гарвардская архитектура не использовалась до конца 70-х годов.

1. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ И ПРИНЦИП АРХИТЕКТУРЫ IBM PC

Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и миниЭВМ. Это стало предметом серьезного беспокойства фирмы IBM (International Bussines Machines Corporation) ведущей компании по производству больших ЭВМ, и в 1979 году фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных компьютеров.

Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка и рассматривало создание компьютера всего лишь как мелкий эксперимент что-то вроде одной из десятков проводившихся в фирме работ по созданию нового оборудования.

Чтобы не тратить на этот эксперимент слишком много денег, руководство фирмы предоставило подразделению, ответственному за данный проект, невиданную в фирме свободу. Ему было разрешено не конструировать персональный компьютер "с нуля", а использовать блоки, изготовленные другими фирмами. И это подразделение сполна использовало предоставленный шанс.

Прежде всего, в качестве основного микропроцессора компьютера был выбран новейший тогда 16-разрядный микропроцессор Intel-8088.

Его использование позволило значительно увеличить потенциальные возможности компьютера, так как новый микропроцессор позволял работать с 1 Мбайтом памяти, а все имевшиеся тогда компьютеры были ограничены 64 Кбайтами. В компьютере были использованы и другие комплектующие различных фирм, а его программное обеспечение было поручено разработать небольшой фирме Microsoft.

В августе 1981 года новый компьютер под названием IBM PC был официально представлен публике и вскоре после этого он приобрел большую популярность у пользователей. Через один-два года компьютер IBM PC занял ведущее место на рынке, вытеснив модели 8-битовых компьютеров. Фактически IBM PC стал стандартом персонального компьютера. Сейчас такие компьютеры (совместимые с IBM PC) составляют около 90% всех производимых в мире персональных компьютеров.

В основу архитектуры IBM PC-компьютеров положен принцип шинной организации связей между процессором и остальными компонентами компьютера. Хотя с тех пор неоднократно менялись типы используемых шин и их устройство, но архитектура основной принцип внутренней организации компьютера осталась без изменений.

Центральный процессор (CPU) является ядром компьютерной системы. Связь с остальными компонентами осуществляется посредством внешней шины процессора. Внутри процессора имеются шины для взаимодействия между собой АЛУ, устройства управления и регистров памяти. Внешняя шина процессора состоит из линий, по которым передаются данные, адреса (указывающие, откуда берутся и куда передаются эти данные) и команды управления. Поэтому общая шина подразделяется на шину данных, шину адреса и шину управления. По каждой линии может передаваться один бит данных, адреса или команды управления. Количество линий в шине называется разрядностью шины. Разрядность шины определяет максимальное количество одновременно передаваемых бит, отчего в свою очередь зависит общая производительность компьютера. То есть чем больше разрядность шины, тем больше данных одновременно может передаваться, тем выше производительность. Вторым параметром, влияющим на производительность, является скорость передачи данных по шине, которая определяется тактовой частотой шины.

Частота шины достаточно важная характеристика, но всё же не определяющая производительность компьютера. Наиболее важными параметрами для общей производительности компьютера являются тактовая частота и разрядность центрального процессора. И это естественно по многим причинам. Именно процессор выполняет основные задачи по обработке данных. Тактовая частота определяет скорость выполнения операций, а разрядность количество данных, обрабатываемых в процессе одной операции.

Блок-схема устройства компьютера.

Поскольку данные в процессе работы хранятся в оперативной памяти, важным параметром является скорость записи в память и чтения из памяти, определяемая как время доступа к памяти. Если в процессе работы CPU приходится считывать данные и программы с внешних устройств и накопителей, на общее быстродействие начинает влиять скорость обмена данными, обеспечиваемая контроллером устройства, и быстродействие самого устройства.

Из внешних устройств очень большое влияние на производительность мультимедийного компьютера оказывает видеоконтроллер или видеокарта. При большом потоке видеоданных, используемом в современных играх, требуются быстродействующие видеокарты с видеоускорителями, или акселераторами.

Кроме рассмотренных устройств большую роль играют: BIOS (базовая система ввода-вывода) и набор системных программ, определяющий многие параметры взаимодействия элементов компьютера. BIOS записывается и хранится в микросхеме постоянной памяти. В современных компьютерах для этих целей применяются микросхемы на основе флэш-технологии, позволяющие многократно перепрограммировать BIOS.

К одной из микросхем или, как говорят, чипе хранятся установки конфигурации компьютера и показания часов реального времени. Выполняется эта микросхема по технологии CMOS, характеризующейся малым энергопотреблением. Для сохранения конфигурационных данных и обеспечения хода часов реального времени после выключения компьютера микросхема питается от встроенного в материнскую плату аккумулятора.

Такой принцип построения компьютера сохранен и по сей день. Хотя, используя современную элементную базу, на материнской плате можно разместить большую часть компонентов компьютера.

2. ШИННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ IBM PC

В основу архитектуры IBM PC изначально был положен принцип открытости, который стал ее отличительной чертой. Основные конкуренты IBM в области персональных машин пришли к этому только через несколько лет после того, как указанный принцип позволил персональным компьютерам фирмы IBM практически завоевать компьютерный рынок.

Принцип открытости основывается во-первых, на чрезвычайно развитой в IBM PC системе прерываний, которая позволяет “подключать” программы пользователя ко всем ресурсам системы на любом уровне, доступном пользователю, а во-вторых, на системе шин, организующей информационные потоки таким образом, чтобы не только позволить пользователю подключать к ресурсам процессора свои аппаратные средства, но и дать возможность самой архитектуре совершенствоваться и развиваться за счет введения дополнительных или новых компонентов без каких-либо принципиальных изменений в организации информационных потоков.

Шинная организация информационных потоков берет свое начало с первой модели IBM PC и эволюционирует сегодня. Шину микрокомпьютера образует группа линий передачи сигналов с адресной информацией, информацией о передаваемых данных, а также управляющих сигналов. Фактически ее можно разделить на три части: адресную шину, шину данных и шину управления.

Уровни этих сигналов в каждый момент времени определяют состояние всей вычислительной системы в этот момент. На рис.1 изображено ядро гипотетической вычислительной системы, включающей, например, синхрогенератор i82284, микропроцессор i80286 и математический сопроцессор i80287, а также шинный контроллер i82288.

Рис 1. Шины компьютера.

Синхрогенератор генерирует тактовый сигнал CLK для синхронизации внутреннего функционирования процессора и других микросхем. Сигнал RESET производит сброс процессора в начальное состояние. Сигнал READY, также формируется с помощью синхрогенератора, предназначен для удлинения циклов шины при работе с медленными периферийными устройствами. На адресную шину, состоящую из 24 линий, микропроцессор i80286 выставляет адрес байта или слова, которые будут пересылаться по шине данных в процессор или из него. Кроме того, шина адреса используется микропроцессором для указания адресов (номеров) периферийных портов, с которыми производится обмен данными.

Шина данных состоит из 16 линий, по которым возможна передача как отдельных байтов, так и двухбайтовых слов. При пересылке байтов возможна передача отдельно как по старшим 8 линиям, так и по младшим. Шина данных двунаправленна, т.к. передача байтов и слов может производиться как в микропроцессор, так и из него. Шина управления формируется сигналами, во-первых, поступающими непосредственно от микропроцессора, во-вторых, сигналами, сформированными системным контроллером, и, в-третьих, сигналами, идущими к микропроцессору от других микросхем и периферийных адаптеров. Микропроцессор использует системный контроллер для формирования управляющих сигналов, определяющих правила переноса данных по шине. Он выставляет три сигнала S0, S1, M/IO, которые определяют тип цикла шины (подтверждение прерывания, чтение порта ввода/вывода, запись в порт ввода/вывода, остановка, чтение памяти, запись в память). На основании значений этих сигналов системный контроллер формирует управляющие сигналы, определяющие последовательность процессов данного типа цикла шины.