Текст книги "Аппаратные средства персональных компьютеров"

В компьютерах с процессором х86 исторически сложилась довольно сложная система адресации памяти. Мы постепенно разберем все основные варианты, а сейчас просто отметим, что хотя с каждым новым поколением процессоров внедрялись новые принципы управления памятью, но даже самый современный Pentium 4 должен уметь работать с памятью так же, как любой из его предшественников. Это, конечно, не всегда удобно для пользователей, которые не используют старого программного обеспечения, но зато гарантирует, что любую программу, созданную для компьютеров, совместимых с IBM PC, можно заставить работать на новом персональном компьютере (бывают исключения, связанные с особенностью архитектуры некоторых старых компьютеров).

Одна из особенностей процессоров х86 заключается в том, что в процессоре 8086 с целью сокращения общего числа контактов для шины адреса и шины данных использовались одни и те же контакты. Соответственно, для получения информации из памяти вначале процессор должен был выработать адрес нужного байта, который запоминался одной из микросхем системной платы, а уже потом его прочитать. Начиная с процессора 80286, шина адреса получила на корпусе процессора отдельные контакты. Но по традиции все равно приходится считать, что процессор сначала устанавливает адрес, а уж потом данные. (Ограничения на количество контактов коснулись также и ряда микросхем оперативной памяти, где одни и те же контакты используются для адресации и ввода/вывода данных.)

Другая особенность процессоров х86 – это различная размерность шины данных и адреса. Для 16-разрядного процессора 8086 использовалась 20-разрядная шина адреса, а для 80286 – 24-разрядная. В 32-разрядных процессорах 386 и 486 шина адреса была увеличена до 32 битов, а в процессорах Pentium до 64 битов.

Так как компьютеры оперируют адресным пространством, кратным 2ⁿ, где n – разрядность шины, то получается следующий практический ряд:

• 16 линий (битов) – 65 536 байтов, или 64 Кбайт;

• 20 линий (битов) – 1 048 576 байтов, или 1 Мбайт;

• 22 линии (бита) – 4 194 304 байтов, или 4 Мбайт;

• 24 линии (бита) – 16 777 216 байтов, или 16 Мбайт;

• 26 линий (битов) – 67 108 864 байтов, или 64 Мбайт;

• 28 линий (битов) – 268 435 456 байтов, или 256 Мбайт;

• 30 линий (битов) – 1 073 741 824 байт, или 1024 Мбайт, или 1 Гбайт;

• 32 линии (бита) – 4 294 967 296 байтов, или 4 Гбайт.

Кроме всего прочего, у первых микропроцессоров количество выводов было ограничено, поэтому адрес передавался по шине данных в два этапа – сначала младшую половину бита, а потом старшую. В дальнейшем от такого способа отказались, но потом снова стали использовать для адресации ячеек памяти в микросхемах динамической памяти.

Обычно полагают, что матрица запоминающей микросхемы имеет квадратный вид, поэтому принято считать, что младшая половина адреса – это сигнал CAS (Column Access Strobe), или адрес столбца запоминающей матрицы, а старшая половина адреса – это сигнал RAS (Row Access Strobe), или адрес строки матрицы. Если матрица памяти по каким-либо причинам является прямоугольной, то сокращается размерность адреса RAS.

При обращении к запоминающему устройству с микросхемами динамической памяти контроллер памяти, который может быть в чипсете или в самой микросхеме памяти, устанавливает сигнал RAS, а потом – CAS (рис. 3.20). В разных типах микросхем DRAM длительности сигналов RAS и CAS и порядок их следования различны. Излюбленным приемом повышения производительности ОЗУ является однократная установка сигнала RAS, а последовательным изменением сигнала CAS считывается вся строка. В более новых микросхемах присутствует счетчик, который автоматически увеличивает адрес RAS при считывании большого массива данных.

Рис. 3.20. Временные диаграммы микросхем DRAM

В программе настройки BIOS предусмотрена установка параметров сигналов CAS и RAS, а также возможность указания порядка их чередования. Для настройки пакетного режима с памятью служит установка параметров, например, 5-3-3-3 или 5-1-1-1. Первый случай предусматривает 5 тактов для задания базового адреса блока памяти и по 3 такта для чтения или записи каждого машинного слова (байта), второй, соответственно, только по 1 такту для чтения или записи каждого байта. Если «поиграть» параметрами пакетного режима, можно получить значительный выигрыш в производительности, правда, при этом следует пользоваться тестовыми программами, чтобы удостовериться в устойчивой работе компьютера с новыми настройками.

За несколько десятилетий было разработано множество типов микросхем динамической памяти, начиная от простеньких микросхем DRAM, применявшихся в компьютерах IBM PC, и до необычайно сложных по структуре современных микросхем DDR SDRAM. Впрочем, популярными становились совсем немногие, поэтому ниже даны характеристики только тех микросхем динамической памяти, которые до сих пор работают в персональных компьютерах, а также тех, которые были специально разработаны для использования с процессорами гигагерцового диапазона.

Наиболее длительное время были популярны два типа микросхем DRAM – FPM и EDO, которые используются в компьютерах с процессорами 486 и Pentium. Заметим, что хотя оба типа микросхем по механическим и электрическим характеристикам аналогичны, но отличия в логике работы интерфейсных цепей не позволяют устанавливать их вместе. Кроме того, следует помнить, что только небольшое число системных плат поддерживают оба типа микросхем.

Микросхемы FPM DRAM (Fast Page Mode, быстродействующий страничный режим) были разработаны для компьютеров с 486 процессорами и реализовывали, как следует из названия, страничный режим. Время доступа для этих микросхем составляло 60 и 70 не (для наиболее распространенных типов). Первые компьютеры с процессорами Pentium также использовали FPM DRAM. Без задержек эти микросхемы могли работать только с частотой системной шины, не превышающей 28 МГц.

Для сокращения потерь времени, связанных с отключением шины данных, когда начиналось задание нового адреса, FPM DRAM модернизировали, и новые микросхемы получили название EDO DRAM (Extended Data Output, память с расширенным выводом данных). Основное достоинство EDO DRAM в том, что чтение данных происходит на 10–15 % быстрее, чем у FPM DRAM. До частоты системной шины в 50 МГц эти микросхемы могли работать без специальных циклов ожидания (задержки). Временные диаграммы работы микросхем приведены на рис. 3.21.

Рис. 3.21. Временные диаграммы микросхем FPM и EDO DRAM

В дальнейшем были разработаны и другие модификации микросхем EDO DRAM, например, BEDO DRAM, в которых был добавлен генератор номера столбца, чтобы сократить время доступа к большим блокам данных. Ряд других типов микросхем нашли применение в узлах видеопамяти карт видеоадаптеров.

У микросхемы FPM и EDO DRAM есть серьезный недостаток – они являются асинхронными элементами, у которых выходные сигналы жестко не синхронизированы с тактовой частотой системной шины. На момент появления сигнала на выходе у этих микросхем влияют температура, старение элементов, созданных на полупроводниковом кристалле, а раз так, то могут пропускаться рабочие такты. Поэтому следующим шагом по повышению производительности памяти стала разработка микросхем синхронной динамической памяти – SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory),  – у которой все операции синхронизированы с тактовой частотой системной шины. Микросхемы SDRAM могут работать на частотах 66, 75, 83, 100 и 125 МГц. За счет сокращения тактов ожидания удалось увеличить производительность системы ОЗУ-процессор. Кроме того, в этих микросхемах предусмотрены различные способы адресации и доступа к данным, например, чередование адресов, пакетный режим, конвейерная адресация.

На частоте системной шины выше 100 МГц первые микросхемы SDRAM работали неустойчиво (дополнительные проблемы вносили недостатки чипсетов и неудачная разводка системных плат, которые приходилось приспосабливать к работе на высокой частоте). Для решения проблем корпорация Intel разработала новую спецификацию для микросхем памяти – РС100. На ее основе стали производиться сначала микросхемы РС100 SDRAM, а потом и РС133 SDRAM. Можно отметить, что в настоящее время модули памяти РС133 SDRAM с объемом 128 и 256 Мбайт наиболее дешевы, а вследствие этого очень популярны у пользователей. Работа оперативной памяти на частоте в 10 раз ниже частоты ядра процессора явно создает массу проблем при обработке больших массивов информации, когда объема кэша второго уровня просто недостаточно. Поэтому очень кстати пришлась новая технология для создания ОЗУ, предложенная фирмой Rambus. Корпорация Intel, заинтересованная в повышении производительности компьютеров с процессорами Pentium III и 4, разработала чипсеты и системные платы, которые поддерживали модули памяти с различными микросхемами RDRAM (Rambus Dynamic Random Access Memory).

Основной изюминкой в технологии Rambus стала возможность поднять тактовую частоту, на которой работали микросхемы памяти. К тому же, она предусматривала пересылку данных как по переднему фронту тактового сигнала, так и по заднему. Таким образом удалось достигнуть пропускной способности канала ОЗУ —процессор в 1,6 и 3,2 Гбайт/с. Правда, разрядность шины данных у Rambus-модулей оказалась равным 8 и 16 битам. Обратите внимание, что повышение тактовой частоты перевело систему RDRAM —чипсет в разряд СВЧ-устройств, а это повлекло значительные сложности в разводке системных плат и модулей памяти, а также в согласовании импендансов (сопротивлений) информационных и тактовых линий. Блок-схема ОЗУ на микросхемах RDRAM показана на рис. 3.22.

Рис. 3.22. Блок-схема ОЗУ на микросхемах RDRAM

Примечание

Внутренняя магистраль Rambus работает теперь на частоте 400 МГц с чтением данных по переднему и заднему фронту синхросигнала, что дает результирующую частоту 800 МГц. Но для процессора контроллер Rambus организует передачу так, чтобы частотные и временные характеристики модулей Rambus соответствовали возможностям системной шины процессора (как и у модулей DDR DRAM).

При появлении нового типа памяти каждый раз громогласно объявляется, что за памятью этого типа – светлое будущее компьютерной индустрии. Вот только проходит пара лет, и появляется другой тип памяти, который и дешевле, и вполне может конкурировать со своими предшественниками. Точно так же обстояло дело и с памятью Rambus. Вначале казалось, что новая технология – это панацея, которая позволит использовать оперативную память чуть ли не на тактовой частоте процессора. Но, увы, модули с микросхемами Rambus оказались слишком капризными и дорогими.

Проблемы с Rambus-памятью привели к тому, что было разработано второе поколение микросхем SDRAM, которое получило название DDR SDRAM (Double Data Rate). Технология DDR SDRAM позволяет передавать данные по обоим фронтам каждого тактового импульса, что дало возможность удвоить пропускную способность памяти. В дальнейшем удалось за один тактовый импульс передавать уже 4 порции данных. Кроме всего прочего, микросхемы DDR SDRAM разработаны с учетом последних достижений полупроводниковой технологии, поэтому удалось серьезно снизить потребляемую энергию.

На рис. 3.23 показаны этапы развития всех микросхем оперативной памяти, которые нашли применение в персональных компьютерах. Затенением выделены те типы микросхем, которые до сих пор производятся и успешно работают в компьютерах. Их потомки – DDR SDRAM и DirectRDRAM – уже подешевели, а потому широко начали применяться в новых персональных компьютерах. Двумя отдельными ветками показаны типы микросхем, которые используются в кэш-памяти и видеопамяти. Обратите внимание, что кроме DDR SDRAM и DirectRDRAM, сегодня производятся микросхемы SynchLink (открытый стандарт на микросхемы DRAM), DDR SGRAM для видеопамяти и DDR SSRAM для кэш-памяти.

Рис. 3.23. Этапы развития микросхем памяти

Чтобы у вас не сложилось впечатление, что микросхемы DRAM используются только с процессорами семейства х86, приведем информацию о конкурирующих процессорах. Например, процессор G4 7470 с тактовой частотой 1,5 ГГц производства корпорации Motorola, предназначенный для персональных компьютеров Apple, поддерживает память РС2100 DDR SDRAM. Процессоры G4 работают с системной шиной на тактовой частоте 133 и 166 МГц (266 и 333 МГц). А разрабатываемые сейчас процессоры G5 с тактовой частотой 1,5 ГГц будут поддерживать скорость обмена данными с памятью на уровне 12 Гбайт/с.

Постоянные запоминающие устройства

Традиционно сложилось, что под термином ПЗУ понимают полупроводниковую микросхему, в которой записана информация. Причем считается, что изменить информацию в ПЗУ невозможно, или этот процесс требует специальных действий, недоступных в домашних условиях, например, из-за необходимости иметь программатор. Но развитие полупроводниковых технологий размыло это определение, т. к. появились микросхемы флэш-памяти, которые близки по характеристикам к обычной оперативной памяти (например, флэш-карты в цифровых фотоаппаратах). Даже для ПЗУ с программой BIOS теперь используется микросхема флэш-памяти, которую пользователь может сам очень просто перепрограммировать, переустановив (и то не всегда) джампер на системной плате и запустив программу перезаписи.

Первыми полупроводниковыми ПЗУ были масочные микросхемы, которые выпускаются до сих пор, но используются только в устройствах для массового производства, когда требуется минимальная цена. Информация в них раз и навсегда занесена при изготовлении с помощью специальных трафаретов-масок, как при печати книг. Для таких микросхем используют также термин «заказная микросхема», т. к. их производят отдельными уникальными партиями, используя спецификации заказчика. Маркировка масочных микросхем, за исключением серийных данных производителя, всегда уникальна. Изменить хоть один бит в масочной микросхеме нельзя. Главные достоинства таких ПЗУ – дешевизна.

В старых компьютерах масочные ПЗУ чаще всего используются для хранения BIOS. Замене они не подлежат, но, к счастью, цоколевка наиболее популярных масочных ПЗУ совпадает с цоколевкой микросхем однократно или многократно программируемой постоянной памяти, что позволяет установить аналог, записав в него нужную информацию.

Микросхемы с однократным программированием появились как следствие того, что для множества применений использование масочных ПЗУ экономически невыгодно. В ряде случаев изготовителю прибора (компьютера) удобнее самому записать нужную информацию в «чистую» микросхему. Такие микросхемы, называемые программируемыми ПЗУ (ППЗУ, PROM), разрабатывались по технологии с пережигаемыми металлическими перемычками или полупроводниковыми зонами. У этих типов микросхем есть достаточно серьезные недостатки – пережженный контакт со временем мог восстановиться, искажая записанную информацию, и не все микросхемы в одной партии могли быть правильно запрограммированы. Несмотря на проблемы, ППЗУ с пережигаемыми контактами широко применяются в различной радиоаппаратуре и компьютерах. Программировать такого типа ППЗУ можно только в специальных программаторах, т. к. требуется подача на выводы микросхемы напряжений, значительно отличающихся от тех, которые используются при чтении.

Следующим шагом развития полупроводниковой технологии стало появление многократно записываемых ПЗУ, называемых сейчас репрограммируемыми ПЗУ (РПЗУ, EPROM), в которых можно было стереть ранее записанную информацию и записать новую.

В наиболее массовых типах РПЗУ информация стиралась с помощью ультрафиолетового облучения кристалла микросхемы. В таких микросхемах для доступа ультрафиолетового света сделано специальное окошечко, закрытое кварцевым стеклом (рис. 3.24), которое после программирования обязательно надо заклеивать непрозрачной липкой лентой для защиты от самопроизвольного стирания от люминесцентного и солнечного света. Время, необходимое для стирания, примерно 5 —10 минут (излишне долгое время стирания проводит к сокращению срока службы микросхемы и даже к невозможности нового программирования). Основной недостаток РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием заключается в деградации запоминающих областей на полупроводниковом кристалле, что приводит к весьма малому количеству циклов перепрограммирования – всего около 10.

Рис. 3.24. Микросхемы ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации

Наиболее популярные восьмибитные РПЗУ, используемые в старых компьютерах, а также в различных периферийных устройствах, имеют обозначение 27.xx-t и 27Cxx-t, где xx – обозначает их емкость в килобайтах (8, 16, 32, 64 Кбайт). Для микросхем емкостью 128 и 256 Кбайт используются обозначения 27010 и 27020. Для 16-битных микросхем емкостью 64 К слов (1 Мбайт) и 128 К слов (2 Мбайт) используются обозначения 27001 и 27002. Буква t обозначает время доступа к данным, которое обычно лежит в диапазоне 50 —250 не. Хотя приведенная система маркировки микросхем РПЗУ широко применяется, многие фирмы используют и свои системы обозначений, которые не соответствуют приведенной выше. Программирование таких микросхем производится с помощью специальных программаторов, но более простых, чем для однократно программируемых. Возможно программирование микросхемы и в составе устройства, если разработчики предусмотрели возможность подачи повышенного напряжения (обычно 12–26 В, что указывается на корпусе микросхемы) на вывод программирования, правда, надо учитывать, что такты программирования значительно длиннее, чем такты чтения. Существуют отечественные аналоги: 2716 – К573РФ2 и К573РФ5, 2764 – К573РФ6.

С использованием вышеприведенных РПЗУ связана интересная особенность, которая вначале приводит пользователя в недоумение – в кроватку типа DIP-32 можно вставить микросхему с корпусом DIP-28, а в кроватку DIP-28 – DIP-24, пропуская контакты, ближние к ключу.

Рассмотренные ППЗУ и РПЗУ для изменения содержащейся в них информации требовали, в общем случае, дополнительного оборудования для ее записи и стирания. Для многих применений такое положение не устраивало разработчиков и пользователей, поэтому были разработаны микросхемы, где световой поток заменили электрическими импульсами, а в остальном они оказались аналогичными РПЗУ со стиранием ультрафиолетовыми лучами. Но по-прежнему для таких микросхем при программировании требовалось подавать на выводы повышенное напряжение.

Дальнейшим развитием микросхем ПЗУ с электрическим стиранием стала флэш-технология, которая позволяла приблизить параметры ПЗУ к параметрам обычной статической памяти. Первые такие микросхемы выпустила корпорация Intel в 1988 г. Флэш-память позволяет достичь более плотной упаковки запоминающих ячеек на кристалле, чем у микросхем динамической памяти, при этом информация не теряется при выключении питания.

Низкая стоимость, малое энергопотребление и высокая надежность флэш-памяти обусловили ее популярность, поэтому были разработаны микросхемы с интерфейсами, которые имитировали работу ранее выпущенных популярных серий памяти как ПЗУ, так и различных видов RAM. Например, выпускаются микросхемы флэш-памяти с интерфейсом DRAM, которые предназначены для установки на модули SIMM и DIMM, а также на модули PostScript для лазерных принтеров. Частота считывания информации из флэш-памяти с синхронным интерфейсом достигает 66 МГц. Специально для ноутбуков выпускаются PCMCIA-модули (PC Card) с IDE-интерфейсом, имитирующим жесткий диск. Для ряда применений изготавливается флэш-память с двухпроводным интерфейсом ЙС, который позволяет использовать корпуса всего с восьмью выводами, что удобно для применения, например, в модемах. Кроме того, микросхемы с таким интерфейсом и с небольшим объемом памяти используются в различных устройствах для идентификации, например модулей памяти DIMM или в аппаратных ключах, где пароль доступа хранится в ячейках, доступных только для чтения.

Наиболее существенный недостаток флэш-технологии в том, что хотя количество циклов записи и достигает 1 млн., для использования в качестве обычной оперативной памяти этого маловато. Но все же параметры современных микросхем на основе такой технологии вполне сопоставимы с винчестерами недавнего прошлого, что позволяет применять их, например, для хранения графических файлов в электронных фотоаппаратах.

Первое поколение флеш-памяти по параметрам соответствовало микросхемам с ультрафиолетовым стиранием, а число гарантированных циклов стирания-программирования достигало всего 10 000. Стирание информации в микросхемах допускалось только целиком, а запись побайтно. Микросхемы выпускались однобайтными и имели следующую маркировку: 28F256, 28F512, 28F010, 28F020 (аналогично серии 27xx). Для примера в табл. 3.4 приведена маркировка некоторых микросхем флэш-памяти.

Во флэш-микросхемах второго поколения уже допускалось стирание не всего массива информации целиком, а поблочно. Длительный цикл записи у таких микросхем можно было безболезненно прерывать для чтения информации.

Третье поколение флэш-памяти делалось уже по технологии Smart Voltage, что допускает стирание и запись информации при напряжении 5 В, а чтение – при напряжении 3,3 и 2,7 В.

Микросхемы флэш-памяти могут иметь различную организацию массивов ячеек:

• Bulk Erase – вся информация может быть стерта только целиком;

• Boot Block – ячейки памяти объединены в несколько блоков различного размера, причем один из блоков может иметь защиту от стирания и записи;

• Flash File – все ячейки памяти разделены на одинаковые и равноправные блоки.

Таблица 3.4. Маркировка микросхем флэш-памяти

Наиболее интересной для пользователей PC является флэш-память с организацией ячеек Boot Block, которую удобно применять для хранения BIOS. В такой флэш-памяти, как минимум, существуют два блока – один блок используется для хранения BIOS, которую можно оперативно изменять, а второй блок, аппаратно защищенный от записи и стирания, используется для хранения программы-загрузчика (Boot Recovery code). Программу-загрузчик можно рассматривать как неизменяемую часть BIOS, которая используется для начальной записи BIOS или при ее восстановлении после некорректной записи или воздействия вируса-вандала. Один из вариантов организации такой BIOS показан на рис. 3.25. Принцип использования заключается в том, что основной блок BIOS может изменять свое положение в адресном пространстве. При нормальной работе блок BIOS располагается по стандартным адресам, поэтому при первоначальной загрузке компьютера будут выполняться его команды. При записи новой версии BIOS или в аварийной ситуации перестановкой джампера на место стандартного BIOS подставляется блок начального загрузчика, с помощью которого можно произвести новую запись основного блока. Конкретный способ переключения между блоками флэш-памяти зависит от типа системной платы и используемой микросхемы.

Рис. 3.25. Реконфигурирование флэш-BIOS

Несмотря на кажущуюся простоту перепрограммирования BIOS, любые работы по изменению информации в ее микросхеме требуют соблюдения следующих условий:

• навыков программирования микросхем;

• документации на системную плату или периферийное устройство с инструкцией по программированию BIOS;

• наличия копии старой версии BIOS;

• наличия источника бесперебойного питания (желательно).

Несоблюдение этих условий может, в крайних случаях, привести к необходимости замены микросхемы BIOS, что не всегда просто, т. к., например, в новых компьютерах она припаяна к системной плате. В случае сбоя питания или при ошибке программирования не всегда возможно восстановление данных в микросхеме, скажем, без использования программатора, имеющего адаптер ОВР (On-Board Programming). Обратите внимание, что не все системные платы и микросхемы поддерживают режим восстановления!

В любом случае, для перепрограммирования микросхемы BIOS требуются веские причины – невозможность установить новый процессор, необходимость введения поддержки других стандартов, например в приводах CD-RW и т. п. Простое же улучшение некоторых параметров компьютера возможно и другими способами, не требующими перепрограммирования BIOS.

В настоящее время выпускаются самые разнообразные микросхемы флэш-памяти, которые используются в компьютерах, цифровых фотоаппаратах, игровых приставках и т. д. Для того чтобы знать, какая микросхема установлена в вашем устройстве, в табл. 3.5 указаны буквенные индексы маркировки микросхем Flash Memory корпорации AMD, которая выпускает популярную серию микросхем Am29DL400B, применяемую для записи BIOS.

Таблица 3.5. Обозначение микросхем Flash Memory корпорации AMD