19338-1 (Анализ и оценка аппаратных средств современных ПЭВМ)

Анализ и оценка аппаратных средств современных ПЭВМ

Курсовая работа выполнена студентом гр. А19301 Рыбалко С.О.

Государственный комитет по связи и информатике

МОСКОВСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ СВЯЗИ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра ВТ и УС

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.