Текст книги "Организация ЭВМ и периферийные устройства"

М. В. Рыбальченко
Организация ЭВМ и периферийные устройства учебное пособие

Введение

Компьютерная техника оказывает большое влияние на прогресс в самых разных сферах деятельности человека. Компьютеры и периферийные устройства являются базой современных информационных систем и технологий. Поэтому значительное внимание уделяется изучению организации ЭВМ и периферийных устройств (ПУ) при подготовке студентов по направлению «Информационные системы и технологии». Понятие «организация» (от лат. organizo – делать сообща, устраивать) трактуется здесь как взаимодействие частей единой системы с помощью совокупности процессов, обеспечивающих это взаимодействие.

Автор при изложении материала стремился представить как классические основы, так и современные научно-технические достижения в области компьютерной техники. В рамках учебного пособия ряд вопросов излагается достаточно кратко, в связи с чем по этим вопросам может быть рекомендована дополнительная литература [1–3].

Планируется издание следующей части пособия, в которой будут рассмотрены построение, функционирование и разновидности оперативной и кэш-памяти, механизмы взаимодействия периферийных устройств с компьютером, основные периферийные устройства и их интерфейсы.

1. Основные понятия

Компьютер (вычислительная машина) – физическая система, предназначенная для автоматизации процесса алгоритмической обработки информации.

Вычислительная система – совокупность компьютеров или процессоров, периферийного оборудования и соответствующего программного обеспечения, предназначенная для выполнения информационно-вычислительных процессов.

Будем использовать узкое определение понятия «информация», ориентированное на практическое использование.

Информация 11
  Существует множество различных определений понятия информации. Так, в соответствии с философским определением, информация – это отражение объективной реальности как неотъемлемое свойство материи. Энциклопедическое определение информации представляет её как совокупность сведений, определяющих меру наших знаний о тех или иных явлениях, событиях и фактах.


[Закрыть] – все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования.

Электронная вычислительная машина (ЭВМ) – совокупность электронных устройств, выполняющих алгоритмическую обработку информации, представленной, как правило, в цифровом виде.

Архитектура компьютера – совокупность общих принципов организации аппаратных средств, определяющих функциональные возможности компьютера.

Аппаратура компьютера представляется тремя уровнями:

1) физические устройства (интегральные схемы, платы, разъёмы, перемычки, накопители и т.д.);

2) микроархитектура – определяется количеством и типом внутренних регистров процессора, типом, количеством и характеристиками исполнительных устройств (выборка и исполнение команд), способом обработки, объёмом и архитектурой кэш-памяти и т.д.;

3) машинный язык – набор команд (от 50 до 300) некоторого процессора или семейства процессоров, обеспечивающих выполнение процессором основных функций обработки и управления (пересылка данных, арифметико-логические операции, ввод-вывод и другие).

2. Производительность компьютеров и её оценка

Производительность компьютера является объективной мерой эффективности его функционирования и используется в качестве одного из основных его технических параметров. Производительность определяется архитектурой и рабочей частотой процессора, пропускной способностью системной шины, типом и объёмом оперативной и кэш-памяти и другими особенностями конфигурации. Кроме того, она зависит от типа используемой ОС, применённых для получения программы трансляторов с языков программирования, конкретных приложений и др.

Таким образом, понятие производительности компьютера является весьма многоплановым, в связи с чем для её оценки используется целый ряд различных показателей.

2.1. Показатели производительности

Различают следующие показатели производительности:

1. Пиковая – максимально достижимая производительность процессорной подсистемы компьютера, включающей процессор, кэш– и оперативную память.

2. Номинальная – средняя производительность процессорной подсистемы компьютера.

3. Системная – средняя производительность всей аппаратно-программной системы ПК в целом, т.е. с учётом обмена данными с жёстким диском, видеосистемой, и другими внешними устройствами, взаимодействия с ОС.

4. Эксплуатационная – производительность компьютера на реальной рабочей нагрузке, с учётом конкретных используемых приложений, например текстовых процессоров, систем автоматизации проектирования, компиляторов и др.

Очевидно, что для обычного пользователя наибольший интерес представляет именно эксплуатационная производительность компьютера на наиболее часто используемых приложениях. Если же набор таких приложений не определён, то используются значения системной, номинальной и пиковой производительности.

2.2. Методы определения показателей производительности

Пиковая производительность – производительность процессорной подсистемы компьютера при выполнении коротких команд, т.е. команд, не выполняющих обращений к оперативной и кэш-памяти. Такие команды обычно связаны с выполнением различных регистровых операций (например, инкремент регистра INC AX, пересылка данных MOV AX, BX) и могут выполняться за один цикл работы процессора.

Таким образом, пиковая производительность – число команд типа «регистр – регистр», выполняемых процессорной подсистемой в единицу времени без учета статистического веса таких команд в реальных программах. Обычно пиковая производительность оценивается для команды типа «Нет операции» (NOP – No OPeration)22
  Данная команда выбирается из оперативной памяти, декодируется и не выполняет никаких действий, в связи с чем имеет минимальное время вполнения.


[Закрыть].

Пиковая производительность зависит как от тактовой частоты процессора, так и от его архитектуры и микроархитектуры. Для выявления эффективности архитектуры и микроархитектуры целесообразно проводить сравнение пиковой производительности процессоров при одинаковой частоте.

Номинальная производительность – среднее число команд, включая команды обмена с оперативной памятью, выполняемых в единицу времени процессорной подсистемой. Используемые при этом наборы команд подбирают с учетом их статистического веса (частоты использования) в популярных приложениях и имитируют реальную нагрузку на процессорную подсистему.

Номинальная производительность измеряется при помощи как абсолютных (количество операций в секунду), так и относительных единиц (программные тесты).

В качестве абсолютных используются следующие единицы:

• количество миллионов инструкций (команд) в секунду, MIPS (Million Instructions Per Second);

• количество операций в секунду над числами с плавающей точкой, FLOPS (FLoating-point Operations Per Second), а также производные единицы MFLOPS, GFLOPS, TFLOPS, PFLOPS и др.

Для оценки номинальной производительности широко используется тестовый пакет SPEC CPU от фирмы SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation)33
  Последняя версия тестового пакета SPEC CPU2006 V 1.2 (2011 г.) вычисляет оценки SPECint2006 и SPECfp2006.


[Закрыть]. Пакет вычисляет две оценки – SPECint и SPECfp, представляющие целочисленные вычисления и вычисления над числами с плавающей точкой соответственно.

Тест SPECint использует универсальные наборы команд над числами с фиксированной точкой и сбалансирован по типам операций, глобальных и локальных переменных и констант в результате статистического исследования и усреднения по большому числу реальных программ (архивация, компиляция с С, комбинаторная оптимизация, искусственный интеллект, игра в шахматы, сжатие видео). Таким образом, тест фактически оценивает производительность процессорной подсистемы без учёта математического сопроцессора.

Тест SPECfp использует базовые арифметические команды над числами с фиксированной и плавающей точками одинарной и двойной точности с равновероятным распределением команд, операции вычисления тригонометрических функций, логарифмов и др. (распознавание речи, уравнение Максвелла, вычисление 3-мерных моделей в гидравлике, моделирование биомолекулярных систем, имитация отжига, симплес-метод).

Результат измерения выдается в виде коэффициента соотношения производительности тестируемой системы к производительности эталонной системы. В качестве эталонной системы корпорация SPEC выбрала систему Sun «Ultra Enterprise 2» на базе процессора Sun UltraSPARC II с частотой 296 МГц (1997 г.), но с увеличенным объемом кэша и оперативной памяти.

Результаты оценки системной производительности некоторого компьютера обычно приводятся относительно базового компьютера стандартной конфигурации либо относительно некоторого набора компьютеров. Результаты оформляются в виде сравнительных таблиц, двухмерных и трёхмерных графиков и диаграмм.

Одним из известных тестов системной производительности является Business Winstone44
  Последняя версия пакета Winstone вышла в 2004 г.


[Закрыть]. Тест Winstone измеряет среднюю производительность компьютера при выполнении популярных офисных Windows– приложений с учётом величины занимаемого этими приложениями сектора рынка (текстовые процессоры, электронные таблицы, системы управления базами данных, программы деловой графики, издательские системы и т.д.). Результаты теста Winstone представляются в виде индекса производительности относительно базового ПК.

Примечание

Сектор рынка, занимаемый некоторым приложением, косвенно определяет удельный вес общего компьютерного времени, используемого данным приложением.

Популярным тестом системной производительности является также пакет SYSmark. Он широко используется специалистами по информационным технологиям, производителями компьютерного оборудования, аналитиками и журналистами. Тесты SYSmark SE разделены на два сценария: создание интернет-контента и офисная производительность. В тесте создания интернет-контента можно выделить три тестовые группы: 3D-графика, 2D-графика и web-публикация. Сценарий офисной производительности также разделён на три тестовые группы: связь (электронная почта, календарь и просмотр web-страниц), создание документов и анализ данных. Приложения запускаются не последовательно, одно за другим (как в предыдущих версиях), а одновременно, и в процессе прохождения теста осуществляется переключение между ними, что точнее соответствует реальным условиям типичной офисной работы.

Эксплуатационная производительность – производительность компьютера (либо его компонента или подсистемы) при выполнении конкретных приложений. Так, например, если компьютер предполагается использовать преимущественно для решения задач автоматизации проектирования, то целесообразно протестировать его тестами AutoCAD, которые интегрально оценивают производительность ПК на этой нагрузке. Соответственно оценивается производительность тестами С Сomplier (тест компиляции с языка Си), Adobe Photoshop (тест фотоэффектов программы PhotoShop), текстовых процессоров (загрузка, прокрутка, печать документов, поиск/замена фрагментов текста), Quake (игровой тест) и т.д.

В случае систематического использования на компьютере нескольких приложений для оценки эксплуатационной производительности может быть сформирован интегральный показатель на основе определения весовых коэффициентов отдельных приложений.

2.3. Производительность процессоров

Достаточно продолжительное время основной мерой производительности процессоров и компьютеров в целом служила их тактовая частота. Однако по мере усложнения внутренней организации микропроцессоров (кэш-память, конвейерная обработка, суперскалярность, многоядерность и т.д.) этот параметр утратил своё определяющее значение. В настоящее время для оценки производительности процессоров используется ряд специальных единиц.

Для измерения производительности своих 32-разрядных процессоров фирма Intel в 1992 г. предложила следующую единицу: индекс относительной производительности микропроцессоров Intel, называемый iCOMP Index (Intel COmparative Microprocessor Performance Index).

В 1996 г. была введена новая единица – iCOMP Index 2.0, ориентированная на Pentium (MMX) – процессоры. При вычислении этого индекса полностью исключены 16-битные операции и добавлен мультимедийный тест (≈20 %).

В последней версии индекса iCOMP Index 3.0 (≈2000 г.) было учтено возросшее использование трёхмерной графики, мультимедийных средств, технологий Internet, обработки потоковых данных и вычислительных задач. При вычислении данного индекса используются команды из набора команд SSE. Базовым был выбран процессор Pentium II 350 МГц, индекс производительности которого принят равным 1000 единицам, а, например, Pentium III 1000 МГц имеет значение iCOMP 3.0, равное 3280.

Производительность процессоров оценивается также с помощью специальной единицы, называемой Pentium-рейтинг или P-Rating (PR). P-Rating некоторого процессора соответствует частоте эквивалентного ему по производительности Intel Pentium – процессора на тестах WinStone, выраженной в МГц. Например, P-Rating некоторого процессора, равный 4000+, означает, что данный процессор на эталонных тестах WinStone имеет производительность не ниже, чем Pentium 4000 МГц.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое пиковая производительность компьютера и как она определяется?

2. Дайте понятие номинальной производительности и охарактеризуйте методы её определения.

3. Поясните понятие системной производительности и укажите способы её определения.

4. Что такое эксплуатационная производительность компьютера? Приведите примеры тестов эксплуатационной производительности.

5. Поясните способы и единицы измерения производительности процессоров.

3. Структура компьютера

Структурная схема компьютера приведена на рис. 1. Отметим, что в конкретных системах некоторые компоненты могут быть реализованы не в составе процессора или чипсета, а вынесены на системную плату. Рассмотрим функциональное назначение основных компонентов ПК.

3.1. Системная плата и шины

Системная или материнская плата (system board, mother board) – печатная плата, содержащая и связывающая посредством различных шин основные компоненты компьютера (процессор, оперативную память, чип-сет, графический контроллер и т.д. (рис. 1)). В настоящее время наиболее популярным типоразмером или форм-фактором (form factor) системных плат является форм-фактор ATX (305 × 244 мм), в котором за счёт оптимального размещения компонентов улучшены условия охлаждения процессора, сокращены длины кабелей для подключения накопителей, что существенно для обеспечения быстрых режимов обмена, облегчён доступ к различным компонентам внутри корпуса (упрощение Upgrade и ремонта).

Рис. 1. Структурная схема компьютера

Шина (bus) – система проводников (как правило, параллельных).

Системная шина (host bus) – шина, посредством которой осуществляется связь между основными системными компонентами компьютера (процессор, оперативная память, кэш-память, системный контроллер-концентратор)55
  Здесь под системными подразумеваются наиболее важные, системообразующие устройства (иногда системными считают устройства, требующие каких-либо системных ресурсов: прерываний, портов, адресного пространства памяти, каналов прямого доступа к памяти). В первых поколениях ПК к системной шине подключались все его компоненты, включая контроллеры внешних устройств.


[Закрыть].

Шина расширения (expansion bus, local bus) – шина, предназначенная для расширения возможностей компьютера путём подключения к ней контроллеров внешних устройств. Шины расширения могут взаимодействовать с системной шиной через схемы сопряжения («мосты» или хабы).

Любая шина обычно включает шину данных, адресную шину и шину управления, в соответствии с типом передаваемой по ним информации. По способу организации передачи информации различают выделенные и мультиплексированные шины. По выделенным шинам передаётся информация только одного типа, например, только данные.Для уменьшения разрядности по одним и тем же проводникам может передаваться разная информация в различные моменты времени, например, адреса и данные (мультиплексирование).

3.2. Процессор, основная память, чипсет

Центральный процессор (ЦП) – центральное обрабатывающее устройство компьютера, которое исполняет программы и под их управлением реализует обработку данных. ЦП называют также CPU от англ. Central Processing Unit66
  Помимо центрального процессора в состав компьютера могут входить различные периферийные и специализированные процессоры (графические, арифметические и др.)


[Закрыть]. Процессор, выполненный в микроэлектронном исполнении, т.е. в виде интегральной микросхемы, называется микропроцессором (МП). В настоящее время микропроцессоры реализуются в виде сверхбольших интегральных микросхем (СБИС). Например, кристаллы процессоров Intel Core i7 содержат 2,6 и более миллиардов транзисторов [4].

При выполнении на компьютере программ, связанных с моделированием, инженерными и математическими расчётами, его производительность сильно зависит от скорости выполнения операций над числами с плавающей точкой (операции умножения, деления, возведения в степень, вычисление логарифмических и тригонометрических функций). Для ускорения выполнения указанных операций и функций в состав ЦП, начиная с i486, интегрирован математический (арифметический) сопроцессор77
  Первые три поколения процессоров не имели встроенного сопроцессора, который поставлялся в виде отдельной микросхемы.


[Закрыть]. По аналогии с CPU он обозначается как FPU (Floating-point Processing Unit) или NPU (Numerical Processing Unit). Сопроцессор выполняет указанные функции не чисто программным способом, а большей частью аппаратно, за счёт чего и достигается его высокая производительность (в десятки раз большая, чем у CPU без сопроцессора).

Оперативная память (ОП) – основное запоминающее устройство, обеспечивающее хранение и доступ к информации (данные и команды), непосредственно обрабатываемой процессором. Для того чтобы процессор мог выполнить некоторую программу, она должна быть предварительно загружена в ОП (хотя бы частично). Характерные особенности ОП:

• ОП строится на основе памяти адресного типа – содержит массив запоминающих элементов, каждый из которых имеет свой адрес (номер), используемый для получения доступа к элементу;

• ОП относится к устройствам памяти с произвольным доступом к отдельным запоминающим элементам (RAM – Random Access Memory), при котором доступ к любому элементу осуществляется за одно и то же время независимо от адреса элемента;

• ОП строится на основе элементов памяти динамического типа (DRAM – Dynamic RAM), которые требуют периодической регенерации хранящейся информации, что снижает её быстродействие, но обеспечивает приемлемую стоимость.

Кэш-память (от англ. cache – резервный запас, хранилище) – высокоскоростная память, логически расположенная между ЦП и ОП, исключающая во многих случаях необходимость обращения ЦП к более медленной оперативной памяти. То есть предполагается, что кэш-память с высокой вероятностью содержит данные и команды, необходимые процессору в текущий момент.

Весь обмен данными между процессором и оперативной памятью в целях его ускорения осуществляется через кэш-память. Характерные особенности кэш-памяти:

• для доступа к ячейкам кэш-памяти используется так называемый ассоциативный метод доступа – разновидность произвольного доступа, при котором поиск информации осуществляется не по адресу, а по ассоциативному признаку;

• высокое быстродействие кэш-памяти обусловлено тем, что она строится на элементах памяти статического типа SRAM (Static RAM), имеющих малое время доступа и не требующих регенерации;

• в связи с высокой стоимостью кэш-памяти её объём в современных процессорах в сотни и тысячи раз меньше объёма ОП.

Наличие кэш-памяти существенно повышает общую производительность компьютера. Современные процессоры содержат несколько уровней кэш-памяти.

System BIOS (от англ. Basic Input Output System – базовая система ввода-вывода) – это микросхема постоянного или перепрограммируемого запоминающего устройства (ПЗУ или ППЗУ)88
  ПЗУ также обозначается как ROM от англ. Read Only Memory – память только для чтения. В современных ПК BIOS хранится в перепрограммируемых ЗУ, что позволяет проводить его обновление непосредственно на системной плате.


[Закрыть], расположенная на системной плате, в которой хранятся служебные программы для выполнения наиболее простых и универсальных операций ввода-вывода. Такими операциями являются, например, вывод символа на экран, запись сектора на диск, ввод символа с клавиатуры и др. BIOS содержит также следующие программы:

• тестовую программу для самотестирования компьютера, проверяющую работу памяти и других устройств компьютера при включении питания (программа POST – Power On Self Test);

• программы управления режимами энергосбережения;

• программы автоматического конфигурирования устройств системы (технология Plug and Play);

• программу SETUP, служащую для установки параметров конфигурации компьютера, в том числе вручную;

• программу начальной загрузки операционной системы.

В связи с этим BIOS иногда рассматривают как аппаратно-зависимую часть ОС.

Память конфигурации с автономным питанием (CMOS RAM или RTC CMOS RAM) – память, содержащая информацию о текущей конфигурации компьютера и сохраняющая свои данные даже при выключенном питании за счёт аккумулятора, расположенного на системной плате. Такая память обычно строится на транзисторах с применением КМОП-структур99
  КМОП – комплиментарная структура металл – оксид – полупроводник.


[Закрыть], которые характеризуются низким уровнем энергопотребления. В соответствии с англоязычным сокращением она обозначается как CMOS от Complementary Metal Oxide Semiconductor. В CMOS RAM хранится следующая информация:

• текущая дата и время (т.е. реализован календарь и системные часы реального времени – Real Time Clock (RTC));

• статусы (состояния) батареи и прочих устройств (дисковый контроллер, размер памяти, установленные адаптеры);

• перечень установленных в системе устройств (сопроцессор, накопители, видеокарта, клавиатура и др.).

Данные в этой памяти могут быть изменены программно с помощью утилиты Setup, входящей в состав BIOS. Срок службы батареи составляет 3–5 лет, и после замены батареи, возможно, придётся повторить настройку системы, включая ввод даты и времени1010
  В современных ПК параметры конфигурации определяются автоматически с помощью программ BIOS.


[Закрыть].

Чипсет (Chip Set) – набор специализированных микросхем, обслуживающих отдельные подсистемы и функциональные блоки компьютера, например, процессорную подсистему, подсистему ввода вывода, подсистему памяти и т.д. Современные чипсеты состоят всего из нескольких (обычно одной или двух) СБИС. Как правило, в состав чипсета входят системный контроллер-концентратор и контроллер-концентратор ввода-вывода.

Системный контроллер-концентратор осуществляет связь с ядром ЦП, управляет оперативной памятью, осуществляет интерфейс с быстрыми шинами расширения, может содержать графический контроллер. В настоящее время компоненты этого контроллера-концентратора интегрированы в центральный процессор.

Контроллер-концентратор ввода-вывода содержит контроллер шины дисковых накопителей, сетевой и аудиоконтроллеры, осуществляет интерфейс с шинами расширения среднего быстродействия.

Эти контроллеры-концентраторы связаны посредством магистрали с высокой пропускной способностью (например, DMI – Direct Media Interface компании Intel [5]).