Материал: 5180

51

порты имеют достаточно низкие скорости работы (50, 75, 100, 110, 200, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57000 и 115000 бит/с) и высокую помехоустойчивость, что позволяет использовать соединительный кабель длиной до 75 м и более.

Последовательные порты применяются как для подключения к компьютеру принтера, модема, мышки, ручного сканера и т. п., так и для простого варианта соединения двух компьютеров между собой. Порты COM, также использовались на первых поколениях персональных компьютеров. И на материнских платах их можно было встретить до трех штук (COM-1,-2,-3; или COM A, COM B – на современных). В настоящее время они также используются редко.

Порт PS/2. Во второй половине 1980-х годов компания IBM выпустила серию ПК под названием PS/2, у которых был специальный небольшой круглый разъем для мыши, который впоследствии и стал называть PS/2. В современных компьютерах обычно имеется два разъема PS/2 для подключения и мыши, и клавиатуры. Конфигурация и цвет их различаются для удобства их соединения.

Порт USB. USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) — интерфейс для подключения различных внешних устройств. Спецификация периферийной шины USB разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности — Compaq, DEC, IBM, Intel,

Microsoft, NEC и Northern Telecom — для подключения компьютерной периферии вне корпуса машины по стандарту «plug and play», в результате чего нет необходимости в установке дополнительных плат в слоты расширения и переконфигурирования системы. Порт USB появился относительно недавно вместе с компьютерами Pentium II. Персональные компьютеры, имеющие шину USB, позволяют подключать периферийные устройства и осуществляют их автоматическое конфигурирование, как только устройство физически будет присоединено к машине, и при этом нет необходимости перезагружать или выключать компьютер, а также запускать программы установки и конфигурирования. Шина USB позволяет одновременно подключать последовательно до 127 устройств, например, датчики. Кроме того, на сегодняшний день он является самым распространенным и востребованным портом на материнской плате. Посредством его подключается практически вся периферия, в том числе и монитор, клавиатура и другие малоизвестные устройства.

USB самостоятельно определяет, добавлено устройство или отключено,

52

благодаря своей продвинутой логике, обеспечиваемой основной системой. Шина автоматически определяет, какой системный ресурс, включая программный драйвер и пропускную способность, нужен каждому периферийному устройству, и делает этот ресурс доступным без вмешательства пользователя. Владельцы компьютеров, оснащенных шиной USB, имеют возможность переключать совместимые периферийные устройства очень просто. USB имеет несколько стандартов, зависящих от этапов развития поколений ПК: USB 1.0 – Pentium II; USB 1.1 – Pentium II-III; USB 2.0 для Pentium III, Pentium – 4. Современные материнские платы предлагаются с 6–8 портами USB 2.0. Скорость обмена информации заявлена до 60 Мбайт/с.

Порт FireWire. IEEE 1394, или FireWire (для компьютеров платформы Apple), — это последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и другими электронными устройствами. Благодаря невысокой цене и большой скорости передачи данных эта шина становится новым стандартом шины ввода–вывода для персонального компьютера. Ее изменяемая архитектура и одноранговая топология делают FireWire идеальным вариантом для подключения устройств обработки аудио- и видеоинформации. Эта шина также идеально подходит для работы мультимедийных приложений в реальном времени. Сегодня различают два стандарта: IEEE 1394a, IEEE 1394b. Они различаются по скорости обмена: 60 Мбайт/с и 120 Мбайт/с. Впервые появились на материнских платах для Pentium

III.Количество их ограничивается: 1–2 портами на плате.

Взаключение обзора портов следует отметить следующие преимущества последних типов портов USB 2.0, IEEE 1394:

высокая скорость обмена информацией;

малогабаритные;

не требуют дополнительного электропитания для большинства малогабаритных устройств (цифровые фотокамеры, flash-память, МР3 проигрыватели и т.п.);

наличие USB 2.0 порта практически на всех периферийных устройствах и портативных компьютерах и смартфонах (КПК, ноутбуках, планшетных ПК) и других.

Как видно из истории, развитие компьютерной техники приводит к быстрому замещению всех технологий, использующихся в нем. Так, вместо параллельного (LPT) и последовательного порта (COM) появилась шина USB, затем более быстрая USB 2.0, для более быстрого обмена данными с жестким

53

диском реализован интерфейс Serial ATA (вместо IDE), внедрена более быстрая память DDR2.

Универсальная последовательная шина Universal Serial Bus (USB), последовательный интерфейс ATA (Serial ATA), являются последствиями перехода с параллельной архитектуры на скоростную последовательную архитектуру, обеспечивающую высокую пропускную способность и потенциал по масштабируемости. Масштабируемость производительности достигается через повышение частоты самой шины и добавление линий к шине.

Среди других преимуществ USB и последовательных шин следует отметить:

возможность эффективно работать с различными компонентами ПК;

низкое энергопотребление и поддержку функций энергосбережения; поддержку "горячей замены" и "горячей установки" устройств и др.

IY. Микропроцессор

4.1. Архитектура и параметры процессоров

Микропроцессор (МП, процессор), или более полно ЦПУ (CPU — central processing unit), является центральным компонентом компьютера. Это компонент, который прямо или косвенно управляет всем происходящим в компьютерной системе.

Известный ученый ХХ века фон Нейман в 1945 г. впервые предложил хранить последовательность инструкций, так называемые программы, в той же памяти, что и данные. В своем докладе он описывал компьютер, состоящий из четырех основных частей: центрального арифметического устройства, центрального управляющего устройства, памяти и средств ввода–вывода (вспомним идею Ч. Бэббиджа).

Сегодня почти все процессоры имеют фон-неймановскую архитектуру. Каждый микропроцессор имеет определенное число элементов памяти,

называемых регистрами, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления.

Регистры памяти используются для временного хранения выполняемой команды, адресов памяти, обрабатываемых данных и другой внутренней информации микропроцессора.

В АЛУ производится арифметическая и логическая обработка данных.

54

Устройство управления вырабатывает необходимые управляющие сигналы для внутренней работы микропроцессора и связи микропроцессора с другими компонентами компьютера через процессорную шины.

Существует несколько направлений в производстве микропроцессоров. Они различаются принципами построения архитектуры процессора. Наиболее распространенными являются архитектуры RISC и CISC.

RISC. Микропроцессоры с архитектурой RISC (Reduced Instruction Set Computers – сокращенный набор команд) используют сравнительно небольшой набор команд. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяют реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объеме оборудования. Вычислительные возможности RISC-процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить тактовую частоту (а значит, и производительность) компьютера: чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC-процессоры с самого начала ориентированы на реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC-процессорах. Поэтому RISC-процессоры в 2–4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC-процессоров с обычной системой команд и являются более высокопроизводительными, несмотря на больший размер программ. RISC-архитектура построена на 4 основных принципах:

любая операция должна выполняться за один такт, вне зависимости от ее типа;

система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины;

операции обработки данных реализуются только в формате «регистр — регистр» (операнды выбираются из оперативных регистров процессора, и результат операции записывается также в регистр; а обмен между оперативными регистрами и памятью выполняется только с помощью команд загрузки–записи);

состав системы команд должен быть удобен для компиляции операторов языков высокого уровня.

Усложнение RISC-процессоров фактически приближает их архитектуру к

55

CISC-архитектуре. Количество процессоров с RISC-архитектурой возрастает и все ведущие фирмы США их производят, в том числе фирмы IBM, Intel,

Motorola.

CISC. Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex Instruction Set Computers – архитектура вычислений с полной системой команд) реализуют на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности, от простых, характерных для микропроцессора первого поколения, до сложных. Большинство современных процессоров для персональных компьютеров построено по архитектуре CISC. К этой архитектуре относятся все микропроцессору семейства х86.

Впоследнее время появились гибридные процессоры, которые имеют систему команд CISC, однако внутри преобразовывают их в цепочки RISCкоманд, которые и исполняются ядром процессора.

Постепенное усложнение CISC-процессоров происходит в направлении более совершенного управления машинными ресурсами, а также в направлении сближения машинных языков с языками высокого уровня.

Вто же время сложная система команд и переменный формат команды процессором с CISC-архитектурой привели к быстрому росту сложности схем. Так, процессор 8086 содержал 29 тыс. транзисторов, 80386 — 275000, Pentium — 3100000, Pentium 4 — от 40 млн транзисторов и превзошел рубеж 100 млн. Для того чтобы такие процессоры вообще могли работать с приемлемым энергопотреблением и размещаться на ограниченной площади кристалла, производители работают над миниатюризацией транзисторов. Уже выпускаются микропроцессоры по 0,09 мкм, 0,065 мкм технологическому процессу и осваиваются технологии 0,045 мкм.

Параметры процессоров. Структуры различных типов процессоров могут существенно различаться, однако с точки зрения пользователя наиболее важными параметрами являются архитектура, адресное пространство памяти, разрядность шины данных, быстродействие.

Архитектуру микропроцессора (МП) определяет разрядность слова и внутренней шины данных МП. Первые МП для компьютеров (микрокалькуляторы) основывались на 4-разрядной архитектуре. Первые персональные ЭВМ использовали МП с 8-разрядной архитектурой, а современные МП основаны на 32- и 64-разрядной архитектуре.

Микропроцессоры с 4- и 8-разрядной архитектурой использовали последовательный принцип выполнения команд, при котором очередная