Структурная схема ПЭВМ

.

− кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разделов числового кода (машинного слова) операнда;

Рис. 3. Структура системной шины

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между микропроцессором и основной памятью;

2) микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

3) основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Все блоки (их порты ввода-вывода) через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры).

Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему – контроллер шины, формирующий основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII-кодов.

Конструктивно ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительные устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами – адаптерами внешних устройств.

На системной плате (часто ее называют материнской платой – Mouther Board) размещаются: микропроцессор, математический сопроцессор, генератор тактовых импульсов, блоки (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ, адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД, контроллер прерываний, таймер и др.

3. Внутримашинный системный интерфейс.

Внутримашинный системный интерфейс – система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой – представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов. Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса.

1. Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами. Он применяется только в простейших бытовых ПК.

2. Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.

В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. Ее важнейшими функциональными характеристиками являются: количество обслуживаемых устройств и пропускная способность, т. е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от разрядности (8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой она работает. В качестве системной шины в разных ПК используются:

− шины расширений, или шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;

− локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.

Сравнительные технические характеристики некоторых шин приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики шин.

Начало табл. 1.

Шины расширений.

Шина Multibus имеет две модификации: PC/XT bus (Personal Computer eXtended Technology – ПК с расширенной технологией) и PC/AT bus (PC Advanced Technology – ПК с усовершенствованной технологией).

Шина PC/XT bus – 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память (DMA – Direct Memory Access). Шина адреса ограничивает адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт; используется с МП 8086,8088.

Шина PC/AT bus – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины может делить частоту пополам; имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала DMA; используется с МП 80286.

Шина ISA (Industry Standard Architecture – архитектура промышленного стандарта) – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 8 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент деления увеличен); по сравнению с шинами PC/XT и PC/AT увеличено количество линий аппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа к памяти DMA с 7 до 11. Благодаря 24-разрядной шине адресное пространство увеличилось с 1 до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт/с, но реально она ниже (около 4–5 Мбайт/с) ввиду ряда особенностей ее использования. С появлением 32-разрядных высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения быстро-действия ПК.

Шина EISA (Extended  ISA) – 32-разрядная  шина  данных и  32-разрядная шина адреса, создана в 1989 г. Адресное пространство шины 4 Гбайт, пропускная способность 33 Мбайт/с, причем скорость обмена по каналу микропроцессорной КЭШ-памяти определяется параметрами микросхем памяти, увеличено число разъемов расширений (теоретически может подключаться до 15 устройств, практически – до 10); улучшена система прерываний, шина EISA обеспечивает автоматическое конфигурирование системы и управление DMA; полностью совместима с шиной ISA (есть разъем для подключения ISA), поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем; весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях.

Шина МСА (Micro Channel Architecture) – 32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987 г. для машин PS/2, пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10–20 МГц, по своим прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку ЭВМ PS/2 не получили широкого распространения из-за отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина МСА также используется не очень широко.

Локальные шины.

Современные вычислительные системы характеризуются:

− стремительным ростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине данных) и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);

− появлением программ, требующих  выполнения  большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики в Windows, работа в среде Multimedia).

Пропускной способности шин расширения ПК, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, так как компьютеры стали подолгу «задумываться».

Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами, основной и внешней памятью, видеосистемами и др.

В настоящее время существуют два основных стандарта универсальных локальных шин: VLB и РСI.

Шина VLB (VESA Local Bus – локальная шина VESA) разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA – Video Electronics Standards Association), поэтому часто ее называют шиной VESA.

Шина VLB по существу является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером, платами Multimedia, сетевым адаптером. Разрядность шины 32 бит, на подходе 64-разрядный вариант шины. Скорость передачи данных по VLB 80 Мбайт/с (теоретически достижимая скорость 132 Мбайт/с).

Недостатки шины:

1)          рассчитана на работу с МП 80386, 80486, пока не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro, Power PC;

2)          жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);

3)          малое количество подключаемых устройств (к шине VLB могут подключаться только четыре устройства);

4)          отсутствует арбитраж шины (могут быть конфликты между подключаемыми устройствами).

Шина РСI (Peripheral Component Interconnect – соединение внешних устройств) разработана в 1993 г. фирмой Intel.

Шина РСI является намного более универсальной, чем шина VLB, имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП (80486, Pentium, Pentium Pro, Power PC и др.); она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, имеет свой арбитраж, средства управления передачей данных. Разрядность РСI  32 бита с возможностью расширения до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайт/с, а в 64-битовом варианте – 263 Мбайт/с (реальная – вдвое ниже).

Шина РСI, хотя и является локальной, выполняет многие функции шины расширения, в частности, шин расширения ISA, EISA, МСА (она совместима с ними) при наличии шины РСI подключаются не непосредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB), а к самой шине РСI (через интерфейс расширения).

Конфигурация систем с шиной РСI показана на рисунке 4. Следует иметь в виду, что использование в ПК шин VLB и РСI возможно только при наличии соответствующей VLB- или PCI-материнской платы. Выпускаются материнские платы с мульти-шинной структурой, позволяющей использовать ISA/EISA, VLB и РС1, так называемые материнские платы, с шиной VIP (по начальным буквам VLB, ISA и РС1).

Локальные шины IDE (Integrated Device Electronics), EIDE (Enhanced IDE), SCSI (Small Computer System Interface) используются чаще всего в качестве интерфейса только для внешних запоминающих устройств.

Рис. 4. Конфигурация системы с шиной PCI

4. Функциональные характеристики ПЭВМ.

Основными характеристиками ПК являются:

1. Быстродействие, производительность, тактовая частота. Единицами измерения быстродействия служат:

− МИПС (MIPS – Mega Instruction Per Second) – миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);

− МФЛОПС (MFLOPS – Mega FLoating Operations Per Se-cond) – миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);

− КОПС (KOPS – Kilo Operations Per Second) – для низкопроизводительных ЭВМ  тысяча неких усредненных операций над числами.

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций, поэтому для характеристики ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более объективно определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для своего выполнения вполне определенного количества тактов. Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

2. Разрядность машины и кодовых шин интерфейса.

Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.

3. Типы системного и локальных интерфейсов.

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют подключать разное количество внешних устройств и различные их виды.