Элементы оборудования информационно-вычислительных комплексов. Системные шины. (Лекция 3а) презентация

2. Элементы оборудования информационно-вычислительных комплексов. 2.1. Системные шины. Шина - это среда передачи сигналов, к которой можно параллельно подключать несколько компонентов вычислительной системы и через которую осуществляется обмен данными между ними. Шины ПК можно разделить на три категории: - локальные, для подключения внутренних компонентов ПК (диски, видеопамять); - расширения, для подключения более медленных внешних устройств (печать, СОМ-порт, модем …); - процессорные, для подключения быстрых устройств (ОЗУ, Кэш-память).

Шины Шины расширений ISA - Indastrial Standart Architecture, (1984), 5.5 MB/c, 16 разр. (данные), 6 уст.; MCA - Micro Channel Architecture, (1987), 76 MB/c, 32 разр. для маш.PS/2, 15 уст; EISA - Extended ISA, (1989), 33 MB/c, 32 разр., 15 уст-в; Локальные шины VLB - Vesa Local Bus (1990), 32 разр., 132 MB/c, 4 уст-ва, отсут. арбитраж шины; PCI - Peripheral Component Interconnect, (1991), 120-132 MB/c (32 разр.), 264 MB/c (64 разр.); AGP (Accelerated Graphics Port), 1066 MB/c, 2112 MB/c, 2 реж. DMA, Execute;

Интерфейсные шины Интерфейсные шины Интерфейсы внешних запоминающих устройств ATA - Advanced Technology Attachment (Усовершенствованная технология соединения), ориентирован на подключение НГМД, НЖМД. Интерфейс АТА обеспечивает обмен информации с устройствами IDE (Integrated Drive Electronics), т.е. с устройствами со встроенным контроллером, иногда называют IDE- интерфейсом; АТА-2 - расширенная спецификация АТА (до 4 устройств); АТА-3 - расширенная спецификация АТА, направленная на повышение надежности; ATAPI - ATA Package Interface (пакетный интерфейс ИФ АТА), программная спецификация для подключения к ИФ АТА других устройств (СD-ROM); E-IDE - Enhanced IDE, расширенный ИФ, позволяет подключать до четырех устройств, включая СD-ROM, скорость 133 Мб/c. 100 МВ/c, 16-разрядный интерфейс, 40-проводной ленточный кабель. SCSI - Small Computers System Interface - Системный ИФ малых компьютеров, 8-разрядная, до 8 устройств, скорость 3-4 Мб/с; SCSI-2 - 16/32 разрядная, 8-16 устройств, скорость 100 Мб/c

Интерфейсы устройств ввода-вывода 1. Параллельный ИФ. LPT-порт, Line PrintTer, еще называется SPP - Standart Parallel Port, является однонаправленным, скорость 150 кБ/c, 3-4 порта; EPP - Enhanced Parallel Port, обеспечивает двунаправленный обмен данными со скоростью до 2 Мб/с, до 64 устройств; ECP - Extended Capability Port ( порт с расширенными возможностями), поддерживает компрессию данных, двунаправленный обмен со скоростью до 4 Мб/с, до 128 устройств;

Интерфейсы устройств ввода-вывода 2. Последовательный ИФ. COM - порт, Communication, двунаправленный, до 4 портов, скорости обмена от 50 до 115200 бит/с; USB - Universal Serial Bus, двунаправленный по двухпроводному ИФ со скоростью 1,5 или 12 Мбит/с. Через концентраторы возможно подключение до 127 устройств; Fire Wire - огненный првод, шестипроводный кабель обеспечивает цифровую связь до 63 устройств без применения хабов со скоростью до 1,6 Гбит/с.

Архитектура компьютера, построенная на мезонинной технологии

Системная микросхема (чипсет) 2 базовые микросхемы: северный и южный мост. Северный мост обеспечивает управление: шиной ОП, инт.шинами PCI, AGP и системной шиной МП; Южный мост имеет контроллеры: дисководов, клавиатуры,мыши и управляет интерфейсными шинами.

2.1.2. Специализированные системные шины. Особенности промышленных компьютеров. VME - bus, поддерживает 8/16/32/64 разрядные архитектуры, пропускная способность до 80 Мбит/с; Логическая организация шины: асинхронная, в одном крейте работают модули разного быстродействия; не зависит от разрядности архитектуры; новые архитектурные расширения, позволяют увеличить скорость передачи до 400 Мбит/с; 4-х уровневая система арбитража, позволяющая организовывать многопроцессорные системы. Механические особенности: до 20 модулей в одной стойке; 96 штырьковый разьем; типоразмер плат. Octagon System, Ampro, PEP, Motorola.

2.2. Архитектура современных процессоров Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC, VLIM и MISC.

Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000. Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer). Зачатки этой архитектуры уходят своими корнями к компьютерам CDC6600, разработчики которых (Торнтон, Крэй и др.) осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Эту традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research. Однако окончательно понятие RISC в современном его понимании сформировалось на базе трех исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.

В 1980 году Д.Паттерсон со своими коллегами из Беркли начали свой проект и изготовили две машины, которые получили названия RISC-I и RISC-II. Главными идеями этих машин было отделение медленной памяти от высокоскоростных регистров и использование регистровых окон. В 1981году Дж.Хеннесси со своими коллегами опубликовал описание стенфордской машины MIPS, основным аспектом разработки которой была эффективная реализация конвейерной обработки посредством тщательного планирования компилятором его загрузки.

Эти три машины имели много общего. Все они придерживались архитектуры, отделяющей команды обработки от команд работы с памятью, и делали упор на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата. Среди других особенностей RISC-архитектур следует отметить наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 - 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки. Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники для повышения производительности, обычно применяемой в процессорах RISC: реализацию задержанных переходов и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.

Отметим, что разработках компании Intel (имеется в виду Pentium P54C и процессор следующего поколения P6), а также ее последователей-конкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются.

Традиционная архитектура процессора

Архитектура RISC - процессора

Cуперскалярные и суперконвейерные процессоры. Примеры реализации. Суперконвейерный подход: каждая команда процессора разбивается на возможно большее количество элементарных операций, выполняемых последовательно; для выполнения каждой специализированной операции используется отдельное устройство - ступень суперконвейера; одновременно обрабатывается столько команд, сколько ступеней конвейера. Недостатки: высокие требования к аппаратной части; сложности создания многопроцессорных комплексов.

Суперскалярный подход, используется : конвейерная обработка команд, но значительно короче; распараллеливание потока команд к разным функциональным устройствам. Недостатки: высокие требования к компилятору (ЦПВ).