Курсовая работа: Анализ и оценка аппаратных средств современных ПЭВМ

Пример: Модель РС1/1-Р55ТР4ХЕ рассчитана на процессоры Р54С с тактовыми частотами 75, 90, 100, 120, 133, 150 MHz. В ней используется chipsetIntelTriton. Встроенный BusMasterEnhancedIDE контроллер обеспечивает обмен данными в режимах Р10 mode 3 и 4 и DMAmode 2. Имеются контроллеры флоппи-дисков и EnhancedPorts. BIOS фирмы Award поддерживает режим Plug&Play. Плата снабжена дополнительным слотом MediaBus, который может использоваться совместно со слотом РС1 для подключения комбинированных адаптеров, например графического, совмещенного со звуковой платой (шина MediaBus является неким аналогом шины ISA, только выведена на другой разъем).

СИСТЕМНЫЕ ПЛАТЫ 486

Фирма ASUSTeK поставляет классические, очень тщательно сконструированные модели плат для процессоров семейства. 486. Используется chipset фирм I ntel и SiS. Все платы поддерживают широкую номенклатуру процессоров производства Intel (включая PentiumOverDrive Р24Т), AMD, Cyrix, UMC . Хотя локальная шина VLB, разработанная в свое время специально под процессоры семейства 486, сейчас активно вытесняется шиной РС1, на рынке все еще имеется большое количество качественных графических и других адаптеров, выполненных в этом конструктиве. Поэтому разъем под шину VLB сохранен даже в системных платах, использующих РС1. Модель PVI-486SP3 (с шинами PCI/VLB/ISA) собрана на chipset SiS 85С496&85С497, использует BIOS фирмы Award и поддерживает до 512 KB кэш-памяти. Плата имеет полный набор встроенных контроллеров. Модель PVI-486AP4 использует chipsetIntelGreenPC 824.20EXPCIset (IntelAries) и содержит только EnhancedIDE контроллер. Наконец модель VL/1-486SV2GX4 на популярной микросхеме SiS 471 ориентирована на шину VLB (2 слота). Среди особенностей можно отметить поддержку кэш-памяти большого объема - до 1МВ. Новые версии плат PVI предусматривают Plug&Play, для более старых возможен upgrade для BIOS.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Системная плата должна обеспечивать достижение максимально высокой производительности как процессора и оперативной памяти, так и других частей компьютера — графических адаптеров, жестких дисков и прочих. Поэтому тестирование системной платы на производительность, предполагающее оценку быстродействия практически всех компонентов, дает полезную информацию не только о ней самой, но и об этих компонентах. Сопоставление результатов может помочь в выборе того или иного технического решения и конкретных типов комплектующих. Следует сразу оговориться, что не стоит абсолютизировать результаты какого-либо тестирования. Идеальных тестов не бывает, они в той или иной мере рассчитаны на оценку либо выделенных подсистем компьютера, либо на некоторые интегральные характеристики. В данном случае это не более чем ориентир, особенно полезный при настройке системы. Лучший тест - это конкретная рабочая среда конкретного пользователя.

Анализ результатов тестирования показывает, что хотя применение новых типов памяти и дает некоторый выигрыш в производительности, он невелик. Это легко понять с учетом того, что даже стандартная кэш-память второго уровня обеспечивает для типовых задач доступ к оперативной памяти со скоростью, достаточно близкой к максимально возможной для данного типа процессора, так что дальнейшее ускорение дается с большим трудом и не может быть значительным. Тем не менее, применение новых типов памяти является вполне оправданным, так как позволяет поднять реальную производительность при работе со многими приложениями и в мультизадачной среде. Из некоторых источников и публикаций можно сделать и еще один важный вывод. Он заключается в том, что главное средство повышения производительности всех подсистем компьютера, включая графическую и, с некоторыми оговорками, жесткие диски, — это использование более мощного процессора.

Оперативная память

Практически все компьютеры используют три вида памяти: оперативную, по стоянную и внешнюю.

Оперативная память предн азначен а для хранения переменной информации, как она допускает из менение своего содержимого в ходе выполнения микропроц ессором вычислительных операций. Таким образом, этот вид памяти обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборко й — RAM (Random Access M em oiy ). Для построения запоми на ющих устройс тв типа RAM используют микросхемы статической и динамической памяти.

Постоянная память обычно содержит такую информацию, кот орая не должна меняться в ходе выполнения микропроцессоров программы. Постоянная память имеет собственное наз-вание — ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, чт' о она обеспечивает только режимы считывания и хранения. П остоянная память обладает тем преимуществом, что может сохранягь информацию и при отключенном питании. Это свойство получило название энергонезависимость. Все микрос хемы постоянной памяти по способу занесения в них информации ( программи рованию) делятся на масочные (ROM), программируемые изготовителем, однократно программируемые пользователем (Programmable ROM) и многократно программируемые пользователем (Erasable PROM). Последние в свою очередь подр азделяются на стираемые электрически и с помощью ультрафиолетового облучения. К элементам ЕР ROM с электрическим стиранием информации относятся и микросх емы флэш -памяти. От обычных EPROM они отличаются высокой скоростью доступа и стирания записанной.информации. Веш няя память реализована обычно на магнитных носител ях.

Оперативная память

Оперативная память составляет не большую, но, безусловно, важнейшую часть персонального компьютера. Если от типа процессора зависит количество адресу емой памяти, то быстродействие используемой оперативной памяти во многом определяет скорость работы процессора, и в конечном итоге влияет на производительность всей системы.

Практически любой персональный IBM-совместимый компьютер оснащен оперативной памятью, реализованной микросхемами динамического типа с произвольной выборкой. (DRAM, Dynamic Random Access Memory). Каждый бит такой памяти физически представлен в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. Поскольку время хранения заряда конденсатором ограничено (из-за «паразитных» ; утечек), то, чтобы не потерять имеющиеся данные, необход]имо периодическое восстановление записанной информации, которое и выполняется в циклах регенерации (refresh cycle). Это является, пожа луй, одним из основных недостатков динамической памяти, в то время, как по критерию, увеличивающему информ ационную емкость, стоимость и энергопотребление, этот ти п памяти во многих случаях предпочтит ельнее ст ати ческой памяти (SRAM, Static RAM). Последняя в качес тве элемента рной ячейки памяти использует так называемый статический триггер. Этот тип памяти обладает высоким быстзодействием и, как правило, используется в самых «узки х» . местах системы, например, для организации памяги.

Корпуса и марк и ровка

Эле менты дин амической памяти для персональных компьютеров бывают конструктивно выполнены либо в виде отдельны х микрос хем в корпусах типа DIP (Dual In line Packag e), либо в виде модулей памяти типа SIP/SIPP (Single In line Pin Pack age) или типа SIMM (Single In line Mernory Module). Модул и памяти представляют собой небольшие текстол итовые платы с печатным монтажом с установленными на них микросхемами памяти в DIP-корпусах. При этом для подключения к систем ной плате на SIMM используется печатный («ножевой») разъем, а на модулях SIP — штыревой.

Логическая организация памяти

Используемый в IBM PC/XT процессор i808 6 через свои 20 адресных линий может иметь доступ к простран ству памяти всего в 1 Мбайт. Но в то время, когда появились эти компьютеры, возможность уве личения доступной оперативной памяти в 10 раз (по сравнению с обычными 64 Кбайт) была просто фантастической. Отсюда наверно и появилась « волюн таристская» цифра — 640 Кбайт. Эти пе рвые 640 Кбайт адре суемого пространства в IBM-совместимых компьютерах называют обычно стандартной памятью (conventional mem ory). Оставшиеся 384 Кбайт были зарезервированы для систем использования и носят название памяти в верхних или высших адресах (U MB, Upper Memory Blocks). Эта область памяти резервируется под размещение сис темного ROM BIOS (Read Only Меш Basic Input Output System), видеопамяти и ROM-памяти, полнительных адаптеров.

Дополнительная , ил и ехрanded-памягь

Почти на всех персон альных компьютерах область UMB редко оказывается заполнен ной полностью. Пустует, как пра вило, область расширен ия системного ROM BIOS часть видеопамяти и области под дополнительные модули ROM. На этом и базируется спецификация дополнительной памяти EMS (Ex panded Memory Specification), разработка фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft (поэтому называемая иногда LIM-спецификацией) еще в 1985 г. и позволяющая использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. При нцип использования дополнительной памят и основан на пере клю чении блоков (страниц) памяти. В выд еляется незанятое « окно » ( page frame) в 6 4- Кбайт, кото рое р азбито на 16-килобайтные ст раницы. Программные и аппаратные средс тва позволяют отображать любой 16-килобайтный с егмент эт ой допо лни тель ной expanded-иамйти в любой из выделенных 16-ки лобайтных ст раниц окна. Хотя микропроцессор всегда о бращается к данным, хран имым в окне (ад рес 1 Мбайт), адреса этих данных могут быть смещены в до полн ительной памяти относительно окна на несколько мегабайт. Спецификация LIM/EMS 4.0 позволяет использовать до 2048 логических страниц и расширить объем адресуемой памяти до 32 Мбайт. Кроме этого, как и в EMS, физические страницы могут быть расположены в любом месте памяти , отличный от 16 Кбайт. Таким образом могут задей ствоваться области видеопамяти и UMB. Возможности спецификации позволяют, в частности, организовать многозадачный режим работы.

Paсширенная, или ехрanded-памягь

Компьютеры, использующие процессор i80286 с 24-разрядными адресными шинами, физически могут адресовать 16 Мбайт, а в случае процессоров i80386/486 — 4 Гбайта памяти. Такая возможность появляется толь ко при защищённом режиме работы процессора (protected mode), которого операционная система MS DOS не поддерживает. Расширенная память располагается выше области адресов 1 Мбайт . Для работы с extended-памятью микропроцессор должен переходить и з реального в защи щенный режи м и обратно. Микропроцессоры i80386/486 выполняют эту операцию достаточно легко, чего не скажешь о i80286. При наличии соответствующего программного драйвера расширенную память можно эмулировать как дополнительную. Апп аратную поддержку в этом случае должен обеспечивать процессор не ниже i80386 или вспомогательный набор специальных микросхем.

Кэш-память

Кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких, например как динамическая память с относительно быстрым микропроцессором. Использование кэш-памяти позволяет избегать циклов ожидания в его работе, которые снижают п рои зводительность всей системы.

У микропроцессора, синхронизируемого, нап ример, тактовой частотой 33 МГц, такто вый период составляет приблизительно 30 нс. Обычные современные микросхемы динамической памяти имеют время выборки от 60 до 80 нс. Отсюда, в частности, следует, что центральный процессор вынужден простаивать 2-3 периода тактовой частоты (т.е. имеет 2-3 цикла ожидания), пока информация из соответствующих микросхем памяти установится на системной шине данных компьютера. Понятно, что в это время процессор не может выполнять никакую другую работу. Такая ситуация ведет обычно к тому, что общая производительность системы снижается, что, разумеется, крайне нежелательно.

С помощью технологии обработки, использующей кэш-память, обычно делается попытка согласовать работу медленных внешних устройств с быстрым процессором. В переводе с английского слово «сасhе» означает не что иное, как убежище или тайник. Эти значения, очевидно, можно толковать по-разному: и как то, что кэш, по сути, является промежуточным буферным запоминающим устройством, и как то, что работа кэш-памяти практически прозрачна (т.е. невидима) для пользователя. Кстати, в отечественной литературе синонимом кэш-памяти является термин «сверхоперативная память».

Соответствующий контроллер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды и данные, которые будут необходимы микропроцессору в определенный момент времени, оказывались в кэш-памяти именно к этому моменту. При некоторых обращениях к оперативной памяти соответствующие значения заносятся в кэш. В ходе последующих операций чтения по тем ке адресам памяти обращения происходят только к кэш-память, без затраты процессорного времени на ожидание, которое неизбежно при работе с основной динамической памятью. В персональных компьютерах технология использования кэш-памяти находит применение прежде всего при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью, а также между основной памятью и внешней (накопителями на магнитных носителях).

На кристалле микросхемы оперативной памяти SRАМ находится огромное количество транзисторов. Как уже говорилось, принщп работы ячейки динамической памяти состоит в сохранении ; заряда на крошечном конденсаторе, выполненном в полупроводниковой структуре кристалла. Понятно, что для того чтобы зарядить конденсатор до определенного значения, необходимо некоторое время. Чтобы конденсатор разрядился, также необходимо определенное время. Таким образом, в результате процессов заряда и разряда конденсатора ячейка памяти устанавливает либо в состояние 1, либо в состояние 0. Поскольку для заряда и разряда конденсатора необходимо вполне определенное (и немалое) время, то в этом и кроется причина ограниченного быстродействия динамической памяти.

Статическая же память основана на триггерах, в которых применяются интегральные транзисторы-переключатели. Такие транзисторы используют ключевой принцип работы: они либо закрыты, либо открыты. Конечно, на переход транзистора из одного состояния в другое также необходимо какое-то время, однако оно существенно меньше времени заряда-разряда конденсатора, выполняющего роль элемента памяти. Наряду с таким достоинством, как быстродействие по отношению к динамической памяти, статическая память имеет и недостатки. Она потребляет больший ток и имеет более сложную архитектуру -- на одну ячейку памяти требуется больше транзисторов. Как следствие этого, статическая память существенно дороже динамической. Кроме того, при одинаковом коэффициенте интеграции статическая память обладает значительно меньшей информационной емкостью.

При обмене данными возникает похожая проблема. Адреса данных, которые вскоре понадобятся процессору для обработки, находятся в большинстве случаев рядом с адресами данных, обрабатываемых непосредственно в данное время. Поэтому кэш-контроллер должен также заботиться о размещении всего блока данных в статической памяти.

Метод Write Through, называемый также методом сквозной записи, предполагает наличие двух копий данных — одной в основной памяти, а другой — в кэш-памяти. Каждый цикл записи процессора в память идет через кэш. Это обусловливает, конечно, высокую загрузку системной шины, так как на каждую операцию модификации данных приходится две операции записи. Поэтому каждое обновление содержимого кэш-памяти ощутимо сказывается на работе шины. С другой стороны, микропроцессор по-прежнему вынужден ожидать окончания записи в основную память.

Метод Buffered Write Through является разновидностью метода Write Through и называется также методом буферизованной сквозной записи. Для того чтобы как-то уменьшить загрузку шины, процесс записи выполняется в один или несколько буферов, которые работают по принципу FIFO (First Input-First Output). Таким образом, цикл записи для микропроцессора заканчивается практически мгновенно (т.е. когда данные записаны в буфер), хотя информация в основной памяти еще не сохранена. Сам же микропроцессор может выполнять дальнейшую обработку команд. Конечно, соответствующая логика управления должна заботиться о том, чтобы своевременно опустошать заполненные буферы. При использовании данного метода процессор полностью освобожден от работы с основной памятью.

При использовании метода Write Back, называемого также методом обратной записи, цикл записи микропроцессора происходит сначала в кэш-память, если там есть адрес приемника. Если адреса приемника в кэш-памяти не оказывается, то информация записывается непосредственно в память. Содержимое основной памяти обновляется только тогда, когда из кэш-памяти в нее записывается полный блок данных, называемый длиной строки-кэша (cache-line).

При работе с кэш-памятью применяется ассоциативный принцип, когда старшие разряды адреса используются в качестве признака, а младшие — для выбора слова. Архитектура кэш-памяти определяется тем, каким образом память отображается на кэш. Существуют три разновидности отображения: кэш-память с прямым отображением, частично ассоциативная и полностью ассоциативная. При прямом отображении каждая ячейка основной памяти может отображаться только на одну ячейку кэша, в частично ассоциативной —на две и больше (т.е., если одна ячейка кэша занята, можно использовать другую). В случае наличия четырех входов кэш-память называют 4-канальной частично ассоциативной, как, например, у i486. При полностью ассоциативном подходе в качестве разрядов признаков используются все адресные разряды.

BIOS и CMOS RAM

Базовая система ввода-вывода BIOS (Basic Input Output System) называется так потому, что включает в себя обширный набор программ ввода-вывода, благодаря которым операционная система и прикладные программы могут взаимодействовать с различными устройствами как Самого компьютера, так и с устройствами, подключенными к нему. Вообще говоря, в архитектуре IBM-совместимого компьютера система BIO