Электронные вычислительные средства

Имеются программы, которые специально предназначены для передачи информации из одного компьютера в другой. С помощью этих программ вы можете также посылать и принимать факсы, если вы подключили к компьютеру не обычный модем, а факс-модем. С помощью факс-модема и соответствующей программы вы можете посылать факсы также просто, как распечатывать документы на принтере.

Есть программы, которые работают в режиме электронной почты. В этом случае вам не обязательно дозваниваться до своего партнера, чтобы передать ему данные. Вы можете позвонить на выделенный для электронной почты телефонный узел и оставить свою почту там. Почта будет доставлена адресату автоматически, причем достаточно быстро.

Отметим однако, что большинство действительно надежно работающих систем электронной почты являются платными, причем платить надо за подключение, вносить месячную плату, а также платить за количество переданной информации. Если вы передаете данные на другой континент, плата за переданные данные может составить значительную сумму, поэтому соизмеряйте объемы передаваемой информации с вашими возможностями.

Стоит рассмотреть, как работает персональный компьютер, из каких аппаратных компонентов он состоит, как происходит их взаимодействие.

Наглядное представление об устройстве компьютера и взаимодействии отдельных компонентов проще всего получить, глядя на блок-схему. На протяжении многих лет использовался классический вариант взаимодействия, показанный на рис. 1. Так, в частности, функционируют имеющиеся до сих пор у многих пользователей компьютеры на основе процессоров Pentium 4 Socket 478, Athlon XP и им подобных. Единственное, шина ISA -- атрибут достаточно старых моделей.

На этой блок-схеме показаны только устройства, находящиеся в системном блоке, серым цветом отмечены компоненты, являющиеся частью материнской (основной) платы компьютера

Рис. 1. Классическая функциональная схема работы компьютера

Чтобы синхронизировать работу всех частей компьютера, обмен данными между ними осуществляется с фиксированными частотами -- по тактам. Так, системная шина компьютера может функционирует на частоте 66, 100, 133, 166, 200, 266, 333, 400 МГц (имеется в виду именно физическое значение частоты, а не скорость передачи данных), одна из этих же частот используется и при обмене с памятью. Шина PCI в штатном режиме работает на частоте 33 МГц, а AGP -- на частоте 66 МГц.

Все эти частоты жестко связаны друг с другом. Проиллюстрируем это на примере. Пусть частота системной шины равна 133 МГц. При использовании оптимальной с точки зрения производительности оперативной памяти, частота шины памяти будет равна частоте системной шины. При этом частота шины PCI будет равна 1/4 от частоты системной шины, а частота шины AGP -- 1/2 от частоты системной шины.

На других частотах системной шины делители будут, естественно, другими.

Во многих старых чипсетах эти частоты задавались одним-единственным тактовым генератором, а нужное значение получалось с помощью программируемых делителей. Таким образом, если повысить (или понизить) частоту системной шины, соответствующим образом изменялись и все остальные частоты. В современных разработках вместо одного тактового генератора используется несколько. Первый, к примеру, задает частоту системный шины и шины памяти, а второй -- частоты шин PCI и AGP. Такое решение существенно облегчает разгон компьютера, позволяя при любых значениях частот системной шины и шины памяти сохранять штатные частоты шин PCI, AGP или PCI Express.

Многие компоненты способны передавать по шине за такт не одно значение, а два (процессоры AMD Athlon XP и Duron, память DDR SDRAM, DDR2 SDRAM, DDR3 SDRAM), или даже четыре (процессоры Intel Pentium 4 и последующие, а также бюджетные модификации на их основе). Таким образом, скажем, для процессора Pentium 4 при физической частоте системной шины 133 МГц скорость обмена данными будет составлять 533 МГц. Кстати говоря, скорость обмена данными по той или иной шине часто называют эффективной частотой этой шины.

На рис. 2 приведена функциональная блок-схема компьютера на основе процессоров Intel для Socket 775 (последние модификации Pentium 4 и Celeron, Pentium D, семейство Core 2 и им подобные). Как видите, изменилось не многое: окончательно ушла в прошлое шина ISA, появилась новая высокоскоростная шина PCI Express. Видеокарта (или видеокарты, если их несколько) тоже использует эту шину. Жесткие диски приводы оптических дисков нынче рекомендуется подключать к шине SATA (Serial ATA), хотя в некоторых чипсетах сохранился и интерфейс IDE.

Рис. 2. Функциональная схема работы современного компьютера с контроллером памяти в чипсете

Гораздо интереснее посмотреть на функциональную блок-схему при использовании процессоров AMD, начиная с Athlon 64 и Sempron на их основе, а также Intel Core i7 (рис. 3). Основное отличие -- контроллер памяти интегрирован непосредственно в процессор. Как следствие, оперативная память подключается к нему напрямую, минуя чипсет.

Функциональная схема работы компьютера с интегрированным в процессор контроллером памяти процессор, память, шина, контроллеры, слоты расширения, BIOS, ChipSet.



Рис.3. Функциональная схема работы компьютера с интегрированным в процессор контроллером памяти

Центрамльный процемссор (ЦП, или центральное процессорное устройство -- ЦПУ; англ. central processing unit, сокращенно -- CPU, дословно -- центральное обрабатывающее устройство) -- электронный блок либо микросхема -- исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, используемый техпроцесс (для микропроцессоров) и архитектура.

Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для уникальных, и даже единственных в своём роде, компьютерных систем. Позднее от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенных для выполнения одной единственной или нескольких узкоспециализированных программ, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Тенденция к стандартизации компьютерных комплектующих зародилась в эпоху бурного развития полупроводниковых элементов, мейнфреймов и миникомпьютеров, а с появлением интегральных схем она стала ещё более популярной. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП с одновременным уменьшением их физических размеров. Стандартизация и миниатюризация процессоров привели к глубокому проникновению основанных на них цифровых устройств в повседневную жизнь человека. Современные процессоры можно найти не только в таких высокотехнологичных устройствах, как компьютеры, но и в автомобилях, калькуляторах, мобильных телефонах и даже в детских игрушках. Чаще всего они представлены микроконтроллерами, где помимо вычислительного устройства на кристалле расположены дополнительные компоненты (память программ и данных, интерфейсы, порты ввода/вывода, таймеры и др.). Современные вычислительные возможности микроконтроллера сравнимы с процессорами персональных ЭВМ десятилетней давности, а чаще даже значительно превосходят их показатели.

Компьюмтерная паммять (устройство хранения информации, запоминающее устройство) -- часть вычислительной машины, физическое устройство или среда для хранения данных, используемых в вычислениях, в течение определённого времени. Память, как и центральный процессор, является неизменной частью компьютера с 1940-х. Память в вычислительных устройствах имеет иерархическую структуру и обычно предполагает использование нескольких запоминающих устройств, имеющих различные характеристики.

В персональных компьютерах «памятью» часто называют один из её видов -- динамическая память с произвольным доступом (DRAM), -- которая в настоящее время используется в качестве ОЗУ персонального компьютера.

Задачей компьютерной памяти является хранение в своих ячейках состояния внешнего воздействия, запись информации. Эти ячейки могут фиксировать самые разнообразные физические воздействия (см. ниже). Они функционально аналогичны обычному электромеханическому переключателю и информация в них записывается в виде двух чётко различимых состояний -- 0 и 1 («выключено»/«включено»). Специальные механизмы обеспечивают доступ (считывание, произвольное или последовательное) к состоянию этих ячеек.

Процесс доступа к памяти разбит на разделённые во времени процессы -- операцию записи (сленг. прошивка, в случае записи ПЗУ) и операцию чтения, во многих случаях эти операции происходят под управлением отдельного специализированного устройства -- контроллера памяти.

Также различают операцию стирания памяти -- занесение (запись) в ячейки памяти одинаковых значений, обычно 0016 или FF16.

Наиболее известные запоминающие устройства, используемые в персональных компьютерах: модули оперативной памяти (ОЗУ), жёсткие диски (винчестеры), дискеты (гибкие магнитные диски), CD- или DVD-диски, а также устройства флеш-памяти.

Компьютерная шимна (от англ. computer bus, bidirectional universal switch -- двунаправленный универсальный коммутатор) -- в архитектуре компьютера подсистема, которая передаёт данные между функциональными блоками компьютера. Обычно шина управляется драйвером. В отличие от связи точка-точка, к шине можно подключить несколько устройств по одному набору проводников. Каждая шина определяет свой набор коннекторов (соединений) для физического подключения устройств, карт и кабелей.

Ранние компьютерные шины представляли собой параллельные электрические шины с несколькими подключениями, но сейчас данный термин используется для любых физических механизмов, предоставляющих такую же логическую функциональность, как параллельные компьютерные шины. Современные компьютерные шины используют как параллельные, так и последовательные соединения и могут иметь параллельные (multidrop) и цепные (daisy chain) топологии. В случае USB и некоторых других шин могут также использоваться хабы (концентраторы).

Первое поколение

Ранние компьютерные шины были группой проводников, подключающей компьютерную память и периферию к процессору. Почти всегда для памяти и периферии использовались разные шины, с разным способом доступа, задержками, протоколами.

Одним из первых усовершенствований стало использование прерываний. До их внедрения компьютеры выполняли операции ввода-вывода в цикле ожидания готовности периферийного устройства. Это было бесполезной тратой времени для программ, которые могли делать другие задачи. Также, если программа пыталась выполнить другие задачи, она могла проверить состояние устройства слишком поздно и потерять данные. Поэтому инженеры дали возможность периферии прерывать процессор. Прерывания имели приоритет, так как процессор может выполнять только код для одного прерывания в один момент времени, а также некоторые устройства требовали меньших задержек, чем другие.

Некоторое время спустя, компьютеры стали распределять память между процессорами. На них доступ к шине также получил приоритеты.

Классический и простой способ обеспечить приоритеты прерываний или доступа к шине заключался в цепном подключении устройств.

DEC отмечала, что две разные шины могут быть излишними и дорогими для малых, серийных компьютеров и предложила отображать периферийные устройства на шину памяти, так, что они выглядели как области памяти. В то время это было очень смелым решением, и критики предсказывали ему провал.

Первые миникомпьютерные шины представляли пассивные объединительные платы, подключенные к контактам микропроцессора. Память и другие устройства подключались к шине с использованием тех же контактов адреса и данных, что и процессор. Все контакты были подключены параллельно. В некоторых случаях, например в IBM PC, необходимы дополнительные инструкции процессора для генерации сигналов, чтобы шина была настоящей шиной ввода-вывода.

Во многих микроконтроллерах и встраиваемых системах шины ввода-вывода до сих пор не существует. Процесс передачи контролируется ЦПУ, который в большинстве случаев читает и пишет информацию в устройства, так, как будто они являются блоками памяти. Все устройства используют общий источник тактового сигнала. Периферия может запросить обработку информации путём подачи сигналов на специальные контакты ЦПУ, используя какие-либо формы прерываний. Например, контроллер жёсткого диска уведомит процессор о готовности новой порции данных для чтения, после чего процессор должен считать их из области памяти, соответствующей контроллеру. Почти все ранние компьютеры были построены по таким принципам, начиная от Altair с шиной S-100 (англ.), заканчивая IBM PC в 1980?х.

Такие простые шины имели серьёзный недостаток для универсальных компьютеров. Всё оборудование на шине должно было передавать информацию на одной скорости и использовать один источник синхросигнала. Увеличение скорости процессора было непростым, так как требовало такого же ускорения всех устройств. Это часто приводило к ситуации, когда очень быстрым процессорам приходилось замедляться для возможности передачи информации некоторым устройствам. Хотя это допустимо для встраиваемых систем, данная проблема непозволительна для коммерческих компьютеров. Другая проблема состоит в том, что процессор требуется для любых операций, и когда он занят другими операциями, реальная пропускная способность шины может значительно страдать.

Такие компьютерные шины были сложны в настройке, при наличии широкого спектра оборудования. Например, каждая добавляемая карта расширения могла требовать установки множества переключателей для задания адреса памяти, адреса ввода-вывода, приоритетов и номеров прерываний.

Второе поколение

Компьютерные шины «второго поколения», например NuBus решали некоторые из вышеперечисленных проблем. Они обычно разделяли компьютер на две «части», процессор и память в одной и различные устройства в другой. Между частями устанавливался специальный контроллер шин (bus controller). Такая архитектура позволила увеличивать скорость процессора без влияния на шину, разгрузить процессор от задач управления шиной. При помощи контроллера устройства на шине могли взаимодействовать друг с другом без вмешательства центрального процессора. Новые шины имели лучшую производительность, но также требовали более сложных карт расширения. Проблемы скорости часто решались увеличением разрядности шины данных, с 8-ми битных шин первого поколения до 16 или 32-х битных шин во втором поколении. Также появилась программная настройка устройств для упрощения подключения новых устройств, ныне стандартизованная как Plug-n-play.

Однако новые шины, так же как и предыдущее поколение, требовали одинаковых скоростей от устройств на одной шине. Процессор и память теперь были изолированы на собственной шине и их скорость росла быстрее, чем скорость периферийной шины. В результате, шины были слишком медленны для новых систем и машины страдали от нехватки данных. Один из примеров данной проблемы: видеокарты быстро совершенствовались, и им не хватало пропускной способности даже новых шин Peripheral Component Interconneсt (PCI). Компьютеры стали включать в себя Accelerated Graphics Port (AGP) только для работы с видеоадаптерами. В 2004 году AGP снова стало недостаточно быстрым для мощных видеокарт и AGP стал замещаться новой шиной PCI Express

Увеличивающееся число внешних устройств стало применять собственные шины. Когда были изобретены приводы дисков, они присоединялись к машине при помощи карты, подключаемой к шине. Из-за этого компьютеры имели много слотов расширения. Но в 1980?х и 1990?х были изобретены новые шины SCSI и IDE решившие эту проблему и оставив большую часть разъёмов расширения в новых системах пустыми. В наше время типичная машина поддерживает около пяти различных шин.

Шины стали разделять на внутренние (local bus) и внешние (external bus). Первые разработаны для подключения внутренних устройств, таких как видеоадаптеры и звуковые платы, а вторые предназначались для подключения внешних устройств, например, сканеров. IDE является внешней шиной по своему предназначению, но почти всегда используется внутри компьютера.

Третье поколение

Шины «третьего поколения» обычно позволяют использовать как большие скорости, необходимые для памяти, видеокарт и межпроцессорного взаимодействия, так и небольшие при работе с медленными устройствами, например, приводами дисков. Также они стремятся к большей гибкости в терминах физических подключений, позволяя использовать себя и как внутренние и как внешние шины, например для объединения компьютеров. Это приводит к сложным проблемам при удовлетворении различных требований, так что большая часть работ по данным шинам связана с программным обеспечением, а не с самой аппаратурой. В общем, шины третьего поколения больше похожи на компьютерные сети, чем на изначальные идеи шин, с большими накладными расходами, чем у ранних систем. Также они позволяют использовать шину нескольким устройствам одновременно.

Современные интегральные схемы часто разрабатываются из заранее созданных частей. Разработаны шины (например Wishbone) для более простой интеграции различных частей интегральных схем.

Примеры внутренних компьютерных шин

Параллельные

* Проприетарная ASUS Media Bus, использовалась на некоторых материнских платах ASUS с Socket 7 и представляла собой шину ISA в специфическом разьеме, размещенном в одну линию с разьемом шины PCI.

* CAMAC дляизмерительныхсистем (instrumentation systems)

* Extended ISA или EISA

* Industry Standard Architecture или ISA

* Low Pin Count или LPC

* MicroChannel или MCA

* MBus

* Multibus для промышленных систем

* NuBus или IEEE 1196

* OPTi local bus, использовалась для ранних материнских плат для Intel 80486

* Peripheral Component Interconnect или PCI, также PCI-X

* S-100 bus или IEEE 696, использовалась в Altair и похожих микрокомпьютерах

* SBus или IEEE 1496

* VESA Local Bus или VLB или VL-bus, использовалась в основном на материнских платах для 80486 процессоров и была подключена непосредственно к выводам микропроцессора. Однако встречалась и реализация этой шины в сочетании с ЦПУ IBM BL3 (аналог i386SX) и ранними Pentium

* VMEbus, VERSAmodule Eurocard bus

* STD Bus для 8-ми и 16-ти битных микропроцессорных систем

* Unibus

* Q-Bus

Последовательные

* 1-Wire

* HyperTransport

* I?C

* PCI Express или PCIe

* Serial Peripheral Interface Bus илишина SPI

* USB, Universal Serial Bus, чаще используется как внешняя

* FireWire, i.Link, IEEE 1394, чаще используется как внешняя

Примеры внешних компьютерных шин

* Advanced Technology Attachment или ATA (также известна, как PATA, IDE, EIDE, ATAPI) -- шина для подключения дисковой и ленточной периферии.

* SATA, Serial ATA -- современный вариант ATA

* USB, Universal Serial Bus, используется для множества внешних устройств

* HIPPI HIgh Performance Parallel Interface

* IEEE-488, GPIB (General-Purpose Instrumentation Bus), HPIB, (Hewlett-Packard Instrumentation Bus)

* PC card, ранее известная как PCMCIA, часто используется в ноутбуках и других портативных компьютерах, но теряет своё значение с появлением USB и встраиванием сетевых карт и модемов

* SCSI, Small Computer System Interface, шина для подключения дисковых и ленточных накопителей

* Serial Attached SCSI, SAS -- современный вариант SCSI

Проприетарные

* Floppy drive connector

Примеры универсальных компьютерных шин

* Futurebus

* InfiniBand

* QuickRing

* SCI

Контроллер (англ. controller -- регулятор, управляющее устройство) -- устройство управления в электронике и вычислительной технике:

* Игровой контроллер.

* Контроллер домена.

* Контроллер прерываний.

* Контроллер электрического двигателя (например у машинистов электричек).

* Микроконтроллер -- однокристалльный микрокомпьютер, управляющий различными устройствами и их отдельными блоками.

* Программируемый логический контроллер -- устройство управления для промышленности, транспорта и других технологических систем.

* Промышленный контроллер -- управляющее устройство применяемое в промышленности, на транспорте и других отраслях по условию применения и задачам, близким к промышленным.

* Системный контроллер -- компонент чипсета, организующий взаимодействие процессора с оперативной памятью и формирующий компьютерную платформу.

Слот расширемния -- щелевой разъём (обычно в компьютере, слово "slot" означает "щель"), соединённый с системной шиной и предназначенный для установки дополнительных модулей (карт расширения), расширяющих конфигурацию устройства. Примеры типов слотов расширения (по названию включающих их компьютерных шин или архитектур): AGP, Apple II, CompactPCI, EISA, ISA, Mini PCI, Nubus, PCI, PCI Express, PCI-X, PCMCIA, PDS, Q-Bus, VESA Local Bus, VMEbus.

BIOS (англ. basic input/output system -- «базовая система ввода-вывода») -- реализованная в виде микропрограмм часть системного программного обеспечения, которая предназначается для обеспечения операционной системы API доступа к аппаратуре компьютера и подключенным к нему устройствам.

В персональных IBM PC-совместимых компьютерах, использующих микроархитектуру x86, BIOS представляет собой набор записанного в микросхему EEPROM (ПЗУ) персонального компьютера микропрограмм (образующих системное программное обеспечение), обеспечивающих начальную загрузку компьютера и последующий запуск операционной системы.

Для новых платформ, компания Intel на замену традиционному BIOS предлагает Extensible Firmware Interface.

Для компьютеров на базе иных платформ для обозначения встроенного ПО, используются другие термины. Например в архитектуре SPARC, firmware может называться PROM, или Boot

Произношение названия

Учитывая нерусское происхождение технического термина и его принадлежность к аббревиатурам, русскоязычные пользователи, когда говорят о BIOS, обычно используют транслитерацию и произносят «бимос». Надо помнить, что это обрусевшее, искажённое произношение, и правильно произносить это название как «бамйос». Правильное называние базовой системы ввода-вывода именно «байос» позволяет избежать путаницы с BeOS (операционная система, созданная Be, Inc.; произносится «бим-ос») и с другими похожими по написанию или звучанию словами.

Назначение BIOS материнской платы

Бомльшую часть BIOS материнской платы составляют микропрограммы инициализации контроллеров на материнской плате, а также подключённых к ней устройств, которые в свою очередь могут иметь управляющие контроллеры с собственными BIOS.

Сразу после включения питания компьютера, во время начальной загрузки компьютера, при помощи программ записанных в BIOS, происходит самопроверка аппаратного обеспечения компьютера -- POST. В случае сбоя во время прохождения POST, BIOS может выдать информацию, позволяющую выявить причину сбоя. Кроме вывода сообщения на монитор, используется звуковой сигнал, воспроизводимый при помощи встроенного динамика.

В ходе POST, BIOS проверяет работоспособность контроллеров на материнской плате, задаёт низкоуровневые параметры их работы (например, частоту шины и параметры центрального микропроцессора, контроллера оперативной памяти, контроллеров шин FSB, AGP, PCI, USB), и после этого ищет на доступных носителях загрузчик операционной системы и передаёт управление операционной системе. Операционная система по ходу работы может изменять большинство настроек, изначально заданных в BIOS. В некоторых реализациях BIOS позволяет производить загрузку операционной системы через интерфейсы, изначально для этого не предназначенные (USB и IEEE 1394) а также производить загрузку по сети (применяется, например, в т. н. «тонких клиентах»). Старые IBM PC/XT, которые не имели полноценной операционной системы, либо её загрузка не была необходимой пользователю, вызывали встроенный интерпретатор языка Бейсик. Также BIOS содержит набор сервисных функций, например, для вывода сообщений на экран или приёма символов с клавиатуры, что так же обусловливает расшифровку её названия: basic -- Базовая. В некоторых BIOS'ах реализуется дополнительная функциональность -- воспроизведение аудио-CD или DVD-дисков.

С развитием компьютерных систем в BIOS продолжали использоваться устаревшие технологии: прежде всего «реальный режим» работы процессора x86; для принципиальной замены BIOS рядом производителей вычислительных систем (Unified EFI Forum, UEFI) предложена и внедряется технология EFI.

Настройка BIOS материнской платы

В зависимости от версии BIOS и модели материнской платы, функции настройки BIOS могут меняться, а также в разных версиях одни и те же функции могут иметь разные названия. Справочную информацию по настройке можно найти в инструкции к материнской плате или в сети[1] [2].

Программа настройка BIOS (англ. BIOS Setup) может быть вызвана после перезагрузки компьютера нажатием определённой клавиши или группы клавиш. Наиболее распространённые -- Del , F2 или Esc .

Кроме того, существуют определённые комбинации клавиш, позволяющих запустить микропрограмму восстановления (перезаписи) BIOS в микросхеме в случае повреждения её аппаратно, либо вирусом, а также восстановить заводские настройки, позволяющие запустить компьютер после неверных настроек или в случае неудачного оверклокинга при помощи BIOS'ов компьютера.

Неверные настройки BIOS'а могут нарушить работу компьютера.

Чипсет (англ. chipset) -- набор микросхем, спроектированных для совместной работы с целью выполнения набора каких-либо функций. Так, в компьютерах чипсет, размещаемый на материнской плате выполняет роль связующего компонента, обеспечивающего совместное функционирование подсистем памяти, центрального процессора (ЦП), ввода-вывода и других. Чипсеты встречаются и в других устройствах, например, в радиоблоках сотовых телефонов.

Первые чипсеты в современном понимании этого термина появились в середине 1980-х. Первопроходцами стали разработчики компьютеров серии Amiga с чипсетом OCS (позже его сменил ECS и AGA). Немногим позже компания Chips & Technologies предложила чипсет CS8220 (основной чип 82C206) для IBM PC/AT-совместимых систем. Примерно тогда же появились компьютеры серии Atari ST, так же созданные с использованием чипсета.

На развитие отечественной вычислительной техники, при существующих самобытных школах (Глушкова, Лебедева, Петрова, Ершова, Абрамова, Бруснецова, Каляева, Шура-Бура и др), существенное влияние оказали успешные разработки зарубежной микроэлектроники, в первую очередь американской. Специфика использования вычислительной техники в СССР и её разработки сыграли свою роль и в разработки отечественных «чипсетов» -- ими стали так называемые «наборы микросхем» и «микропроцессорные комплекты». Учитывая состояние развития технологий на момент распада СССР, и последующие события в стране, в настоящее время в России существует заметный перевес теоретических разработок над практическими.

Схематическое изображение традиционного чипсета материнской платы

Чипсеты современных компьютеров

Чаще всего чипсет современных материнских плат компьютеров состоит из двух основных микросхем (иногда объединяемых в один чип, т. н. системный контроллер-концентратор (англ. System Controller Hub, SCH):

1. контроллер-концентратор памяти (англ. Memory Controller Hub, MCH[1][2]) или северный мост (англ. northbridge) -- обеспечивает взаимодействие ЦП с памятью. Соединяется с ЦП высокоскоростной шиной (FSB, HyperTransport или QPI). В современных ЦП (например Opteron, Itanium, Nehalem, UltraSPARC T1) контроллер памяти может быть интегрирован непосредственно в ЦП. В MCH некоторых чипсетах может интегрироваться графический процессор[3];

2. контроллер-концентратор ввода-вывода (англ. I/O Controller Hub, ICH[4]) или южный мост (англ. southbridge) -- обеспечивает взаимодействие между ЦП и жестким диском, картами PCI, низкоскоростными интерфейсами PCI Express, интерфейсами IDE, SATA, USB и пр.

Иногда в состав чипсета включают микросхему Super I/O, которая подключается к южному мосту по шине Low Pin Count и отвечает за низкоскоростные порты: RS232, LPT, PS/2.

Существуют и чипсеты, заметно отличающиеся от традиционной схемы. Например, у процессоров для разъёма LGA 1156 функциональность северного моста (соединение с видеокартой и памятью) полностью встроена в сам процессор, и следовательно, чипсет для LGA 1156 состоит из одного южного моста, соединенного с процессором через шину DMI[5].

Создание полноценной вычислительной системы для персонального и домашнего компьютера на базе, состоящих из столь малого количества микросхем (чипсет и микропроцессор) является следствием развития техпроцессов микроэлектроники развивающихся по закону Мура (см. историю вычислительной техники).

Чипсеты для современных x86-процессоров

В создании чипсетов, обеспечивающих поддержку новых процессоров, в первую очередь заинтересованны фирмы-производители процессоров. Исходя из этого, ведущими фирмами (Intel и AMD) выпускаются пробные наборы, специально для производителей материнских плат, так называемые англ. referance-чипсеты. После обкатки на таких чипсетах, выпускаются новые серии материнских плат, и по мере продвижения на рынок лицензии (а учитывая глобализацию мировых производителей, кросс-лицензии) выдаются разным фирмам-производителям и, иногда, субподрядчикам производителей материнских плат.

Список основных производителей чипсетов для архитектуры x86:

* Intel: (см. Список чипсетов Intel)

* NVidia: (см. Список чипсетов NVidia )

* ATI/AMD: (см. Список чипсетов ATI, после перекупки в 2006 году ATi вошла в состав Advanced Micro Devices; также см. Список чипсетов AMD)

* Via: (см. Список чипсетов Via)

* SiS: (см. Чипсеты SiS)

Чипсеты ARM

Для систем, использующих процессоры ARM, так же создавались и создаются чипсеты. И если первые образцы (такие как ARM2 для Acorn Archimedes в составе собственно процессора и чипов IOC, MEMC, VIDC, VIDC20 и более поздний ARM3) были в целом похожи на современные им чипсеты IBM PC, то современные (такие как Qualcomm Snapdragon и Texas Instruments DaVinci), из-за ориентированности на мобильные устройства, заметно отличаются как по структуре, так и по техническим особенностям.

Тема 7. Распределение памяти и системных ресурсов в ПК. Состав MSDOS. Включение компьютера, загрузка ОС. Другие операционные системы

информационный сеть компьютерный вычислительный

Распределение памяти

В персональных компьютерах традиционно принято два основных способа распределения оперативной памяти.

Первый способ, который начинает свой путь от IBM PC, когда даже 512 Кбайт оперативной памяти было чрезвычайно много, делит всю память на ряд небольших областей. Причем такой принцип остается даже у совр_еменных компьютеров в момент первоначальной работы BIOS и при переходе процессора в реальный режим, который характеризуется возможностью использования только 1 Мбайт памяти.

Второй способ реализуется, когда процессор переключается в защищенный режим и использует линейную модель памяти. Для разных поколений процессоров имеются некоторые различия, но надо учитывать, что современный процессор считает, что физическая память не имеет сегментации.

Основная часть ОЗУ (в пределах первого мегабайта, от 0 до начала видеопамяти) размером в 640 Кбайт называется стандартной памятью (Conventional Memory). Она используется для размещения кода программ, запущенных пользователем или операционной системой. В ней также хранятся различные данные, необходимые для работы программ.

За пределами 1 Мбайт существует область памяти НМA (High Memory Area), которая появилась из-за ошибки в процессоре 286. Эти дополнительные 64 Кбайт, если загружен драйвер HIMEM.EXE, можно использовать для хранения кода и данных любой программы. Правда, чаще всего этот подарок программистам и пользователям занимается под размещение резидентной части операционной системы и различных драйверов. Пользователь может самостоятельно указать, какие программы должны загружаться в эту память, например, корректируя системные файлы операционной системы MS-DOS -- AUTOEXEC.BAT и CONFIG.SYS.

Между верхней границей стандартной памяти и до конца первого мегабайта существует область UMA (Upper Memory Area) размером 384 Кбайт, в которой расположены видеопамять, адресное пространство ПЗУ видеоадаптера и BIOS (а также ПЗУ других внешних устройств). Это пространство между верхней границей ПЗУ видеоадаптера и до начала BIOS, т. е. от С8000h до F0000h, у стандартного персонального компьютера почти всегда не занято. Чтобы использовать свободную часть этой памяти, например для размещения кода операционной системы, используют драйвер EMM386.EXE. Соответственно, надо указать в файлах AUTOEXEC.BAT и CONFIG.SYS, что пользователь разрешил использовать эту память.

Оперативная память за пределами 1 Мбайт и до верхней границы адресуемой памяти имеет название XMS (extended Memory Specification). Процессор, работающий в реальном режиме, обратиться к этой памяти может только используя метод EMS (Expanded Memory Specification). Суть метода в том, что в области UMA выделяется окно размером 64 Кбайт, разделенное на четыре страницы по 16 Кбайт. Специальный драйвер отображает произвольный кусочек физической памяти на эти страницы, из-за чего, кстати, эту память еще называют "отображаемой памятью".

Память является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления со стороны мультипрограммной операционной системы. Методы распределения памяти без использования дискового пространства Распределение памяти разделами переменной величины Одним из методов борьбы с фрагментацией является перемещение всех занятых участков в сторону старших либо в сторону младших адресов, так, чтобы вся свободная память образовывала единую свободную область Методы распределения памяти с использованием дискового пространства Виртуальное адресное пространство каждого процесса делится на части одинакового, фиксированного для данной системы размера, называемые виртуальными страницами. При каждом обращении к памяти происходит чтение из таблицы страниц информации о виртуальной странице, к которой произошло обращение. При каждом обращении к оперативной памяти аппаратными средствами выполняются следующие действия При страничной организации виртуальное адресное пространство процесса делится механически на равные части Странично-сегментное распределение Разновидностью виртуальной памяти является свопинг Иерархия запоминающих устройств. Принцип кэширования данных В системах, оснащенных кэш-памятью, каждый запрос к оперативной памяти выполняется в соответствии со следующим алгоритмом

Процессоры Intel 80386, 80486 и Pentium с точки зрения рассматриваемых в данном разделе вопросов имеют аналогичные средства, поэтому для краткости в тексте используется термин "процессор i386", хотя вся информация этого раздела в равной степени относится к трем моделям процессоров фирмы Intel. Средства поддержки сегментации памяти Форматы селектора и дескрипторов данных и кода Дескриптор виртуального сегмента состоит из нескольких полей, основными из которых являются поле базы - базового 32-разрядного физического адреса начала сегмента, поле размера сегмента и поле прав доступа к сегменту - DPL (Descriptor Privilege Level) В процессоре i386 существует большое количество системных сегментов, к которым в частности относятся системные сегменты типа LDT, шлюзы вызова подпрограмм и задач и сегменты состояния задачи TSS При небольшом размере страницы процессора i386 относительно размеров адресных пространств, таблица страниц должна занимать в памяти весьма значительное место - 4 байта Средства вызова подпрограмм и задач Очевидно, что первый способ непригоден для вызова функций операционной системы, имеющей обычно нулевой уровень прав, из пользовательской программы, работающей, как правило, на третьем уровне Кроме этого, сегмент TSS может включать дополнительную информацию, необходимую для работы задачи и зависящую от конкретной операционной системы (например, указатели открытых файлов или указатели на именованные конвейеры сетевого обмена)

Одной из главных функций ОС является управление всеми устройствами ввода-вывода компьютера Основная идея организации программного обеспечения ввода-вывода состоит в разбиении его на несколько уровней, причем нижние уровни обеспечивают экранирование особенностей аппаратуры от верхних, а те, в свою очередь, обеспечивают удобный интерфейс для пользователей. Обработка прерываний Независимый от устройств слой операционной системы. Хотя большая часть программного обеспечения ввода-вывода находится внутри ОС, некоторая его часть содержится в библиотеках, связываемых с пользовательскими программами.

Основные сведения о ресурсах

Современный компьютер состоит из большого количества разнообразных устройств, и для нормальной работы они должны поддерживаться процессором, им нужен доступ к оперативной памяти и возможность обмена данными с периферией. Необходимо также, чтобы устройства не мешали друг другу, что достигается распределением между ними системных ресурсов.

Системными являются следующие ресурсы.

1. Прерывания. С их помощью устройства могут использовать процессор для обработки возникших в них событий. Далее мы рассмотрим распределение прерываний более подробно.

2. Каналы прямого доступа к памяти (DMA). Используются для обмена данными между устройством и оперативной памятью без участия процессора. Для реализации этой технологии в каждой системной плате есть контроллер DMA, поддерживающий до восьми каналов обмена данными. За контроллером дискет, например, закреплен канал DMA 2; для параллельного порта, работающего в ре­жиме ESP, обычно выделяется DMA 3; DMA 4 используется самим контроллером DMA. Остальные каналы часто свободные, поскольку эта технология редко применяется в новых устройствах. Распределение каналов DMA почти всегда выполняется успешно, и во многих современных версиях BIOS вообще нет настроек, с ним связанных.

3. Порты ввода/вывода. Служат для обмена данными между устройством и процессором. Это диапазоны адресов в шестнадцатеричном виде, по которым процессор может записывать или читать данные с помощью специальных команд IN или OUT. Для этих портов выделен диапазон в 64 Кбайт, большая часть которого свободна, поэтому конфликты с их использованием очень редки.

4. Области оперативной памяти, специально выделенные для определенного устройства. Как и в случае с портами ввода/вывода, конфликты с областями памяти встречаются редко.

Прерывания

Системные ресурсы и их распределение

В работе компьютера часто возникают ситуации, когда процессору необходимо отложить на время выполнение основной программы и обработать нажатие клавиши на клавиатуре, щелчок кнопкой мыши или другое событие, возникшее в одном из устройств. Для реализации этой задачи во всех компьютерах используют механизм прерываний. Прерывание (INT) -- это приостановка процессором выполнения основной программы для обработки события, поступившего от внешнего устройства. В общем случае обработка прерывания происходит следующим образом:

1. когда возникает ситуация, требующая вмешательства процессора (например, была нажата клавиша), устройство посылает специальный сигнал -- запрос на прерывание (IRQ);

2. запрос на прерывание обрабатывается контроллером прерываний, после чего передается процессору;

3. процессор, получив запрос на прерывание, приостанавливает выполнение основной программы, сохраняет в оперативной памяти текущее состояние своих регистров и запускает подпрограмму обработки данного прерывания;

4. завершив обработку прерывания, процессор восстанавливает из памяти свое исходное состояние и продолжает выполнять основную программу.

Прерывания могут накладываться друг на друга, и если во время обработки одно­го прерывания возникнет другое с более высоким приоритетом, то выполнение текущего будет приостановлено, и процессор перейдет к более важному. Процессор может обрабатывать тысячи прерываний в секунду, но пользователи не замечаютэтого, поскольку скорость его работы достаточно высока.

Все прерывания можно условно разделить на несколько групп.

1. Немаскируемыепрерывания (Non-Maskable Interrupt, NMI). Они имеют наивысший приоритет. Эти прерывания обрабатываются при аварийных ситуациях, связанных с ошибками в работе оперативной памяти или других устройств.

Все современные процессоры также поддерживают другой тип немаскируемого прерывания SMI (System Management Interrupt), которое используется в схемах управления электропитанием.

2. Маскируемые прерывания. В отличие от немаскируемых, их выполнение может быть временно приостановлено программным способом. К ним относят все прерывания от устройств, обрабатываемые контроллером прерываний. Обычно он позволяет обращаться к 16 прерываниям от различных устройств; их назначение приведено в таблице ниже:

В большинстве современных компьютеров используется так называемый рас­ширенный контроллер прерываний (ЛР1С), который изначально разрабатывался для многопроцессорных систем. APIC ускоряет обработку прерываний и увеличивает их количество до 24.

3. Программные прерывания. Они полностью реализуются программным способом без участия контроллера прерываний. Эти прерывания, по сути, -- подпрограммы, решающие определенные задачи. Например, все версии BIOS содержат набор программных прерываний, которые выполняют основные операции ввода/вывода, и любая программа может их использовать, или, другими словами, вызывать прерывания BIOS. Свои программные прерывания есть у операционной системы, а также у некоторых прикладных программ.



Технология Plug and Play

В старых компьютерах ресурсы для некоторых плат расширения настраивались вручную, при этом нередко возникали конфликты, особенно после установки новой платы расширения. Решить проблему распределения ресурсов позволила технология Plug and Play, которая выполняет автоматическое конфигурирование под­ключаемых устройств.

Чтобы воспользоваться всеми преимуществами Plug and Play, необходима поддержка этой технологии со стороны BIOS, операционной системы и подключаемого устройства. На сегодняшний день она полностью применяется как в аппаратном, так и программном обеспечении, а устройства без ее поддержки уже являются редкостью.

В системе, отвечающей стандарту Plug and Play, ресурсы частично распределяют­ся операционной системой, а системная BIOS во время загрузки выполняет следующие операции:

1. инициализирует устройства, которые используются в процессе загрузки системы;

2. распределяет ресурсы между устройствами, не поддерживающими Plug and Play;

3. опрашивает устройства, поддерживающие Plug and Play, и распределяет между ними оставшиеся ресурсы;

4. формирует таблицы распределения ресурсов ESCD (Extended System Configuration Data -- данные расширенной системной конфигурации);

5. записывает данные ESCD, которые будут использованы для распределения ре­сурсов при следующей загрузке, в NVRAM -- память с автономным питанием.

Работа с ресурсами в Windows

Операционные системы семейства Windows полностью совместимы со стандартом Plug and Play и предоставляют пользователям удобные средства, управляющие ресурсами. Рассмотрим особенности работы с ними на примере наиболее популяр­ной системы -- Windows ХР.

Чтобы определить устройство, вызывающее конфликт ресурсов, достаточно от­крыть Диспетчер устройств. Для этого щелкните правой кнопкой мыши на значке Компьютер, выберите в контекстном меню команду Свойства, в появившемся окне перейдите по ссылке Диспетчер устройств. Все устройства, работающие с ошибками, будут отмечены восклицательным знаком на желтом фоне. Дважды щелкнув на значке любого устройства, вы откроете окно его свойств, где можно будет узнать о причине некорректной работы устройства.

Состав MS DOS

1. На базовую систему ввода/вывода (BIOS) возложены следующие функции:

* при загрузке ОС - контроль работоспособности устройств компьютера (тестирование) и инициализация процесса загрузки программ ОС, т.е. считывание информации с диска и размещение ее в оперативной памяти компьютера.

* управление работой стандартных внешних устройств компьютера (монитор, клавиатура, винчестер).

Для реализации этих функций базовая система ввода/вывода включает в себя программы тестирования оборудования компьютера, программу начальной загрузки и драйверы стандартных внешних устройств компьютера.

Драйвер - программа, которая управляет работой соответствующего внешнего устройства и предназначена для:

* приема запросов от выполняемой программы на обращение к внешнему устройству

* преобразования этого запроса в команды управления устройством

* обработки запросов, поступающих от самого устройства

Следовательно, драйвер - промежуточное звено между выполняемой программой и внешним устройством, к которому эта программа обращается.

Программы тестирования предназначены для проверки работоспособности основного оборудования компьютера сразу после включения питания.

Программа начальной загрузки служит для считывания с магнитного диска в оперативную память системного загрузчика (программы загрузки конкретной ОС).

Все программы BIOS расположены в ПЗУ компьютера => с одной стороны BIOS -часть компьютера, а с другой - компонент любой ОС, запускаемой на данном компьютере.

2. Модуль расширения - надстройка над BIOS, которая выполняет следующие функции:

* в процессе загрузки ОС выполняет логическую замену драйверов хранящихся в BIOS и подключение, если требуется, новых драйверов.

* организация интерфейса с BIOS.

Модуль расширения BIOS хранится на системном диске в виде файла с именем io.sys и является неотъемлемой частью MS-DOS.

3. Внешние драйверы устройств - это те драйверы, которые не вошли в состав BIOS. Это чаще всего драйверы мыши, принтера, таймера.

Все внешние драйверы хранятся на дисках в виде отдельных файлов и являются компонентами DOS.

Информация о необходимости подключения того или иного внешнего драйвера хранится в специальном файле с именем config.sys, который должен быть расположен на системном диске.

4. Системный загрузчик предназначен для считывания и размещения в ОП компьютера модуля расширения и базового модуля MS-DOS.

Системный загрузчик - это программа, которая размещена в самом начале системного диска и предназначена для того, чтобы вывести на экран сообщение о попытке загрузить MS-DOS с не системного диска.

Таким образом системный загрузчик, BIOS, модуль расширения и подключенные внешние драйверы устройств составляют программное обеспечение единой системы компьютера, получившей название: "система ввода/вывода".

Ее основная цель - обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами компьютера.

Программы системы ввода/вывода (кроме системного загрузчика) постоянно, в процессе работы, находятся в оперативной памяти.

5. Базовый модуль MS-DOS является центром системы ввода/вывода и реализует основные функции по управлению всеми ресурсами компьютера и выполняемыми программами. Базовый модуль хранится на системном диске в виде файла с именем msdos.sys.

После загрузки базового модуля он постоянно находится в оперативной памяти компьютера.

6. Командный процессор (интерпретатор) предназначен для организации взаимодействия пользователя с компьютером, т.е. пользователь дает указание MS-DOS на выполнение тех или иных действий посредством ввода с клавиатуры соответствующих команд.

Функции:

* обрабатывает файл с именем autoexec.bat

* воспринимает вводимые пользователем команды, проверяет их синтаксис

* выполняет внутренние команды

* обрабатывает командные файлы

Командный процессор находится на системном диске в виде файла с именем command.com.

7. Утилиты MS-DOS. Реализуют выполнение внешних команд. Внешние, т.к. для их выполнения программа подгружается в оперативную память (ОП) по требованию пользователя (format, copydisk).

Утилиты могут находиться в виде программных файлов на любом диске. При этом имя файла, как правило, дублирует имя команды.

Вывод: ОС получила название "дисковой", потому что изначально все ее элементы (модули) за исключением BIOS находятся на магнитных дисках. При этом на системном диске должны быть расположены:

* системный загрузчик

* модуль расширения (io.sys)

* базовый модуль (msdos.sys)

* командный интерпретатор (command.com)

* файлы конфигурации (config.sys)

* файл автозагрузки (autoexec.bat)

Модульная структура MS-DOS значительно облегчает ее модификацию, т.е. она открыта для наращивания своих возможностей.

Уровни вложенности элементов MS-DOS.

На внутреннем уровне находятся программы, управляющие аппаратурой, а на внешнем - средства для организации диалога с пользователями. Основная часть MS-DOS - промежуточные уровни, которые управляют файловой системой, выполнением и взаимодействием программ, использованием памяти.

Включение компьютера, загрузка ОС.

Перед началом работы с компьютером необходимо включить его в электросеть. Процесс включения компьютера следующий:

Подготовительные операции.

1. Проверьте нет ли повреждения корпуса у компьютера и периферийных устройств. Устройства со сломанными корпусами использовать нельзя! В случае неисправности корпуса вызовите специалиста.

2. Заправьте принтер бумагой (если Вы его используете).

3. Проверьте, нет ли каких-нибудь "висящих" проводов, не подключенных к компьютеру.

4. Если Вы используете компьютерную сеть, проверьте подключения кабелей к адаптеру сети.

Порядок включения.

Компьютерные устройства вообще включаются "от периферии к центру". Это значит, что необходимо включать устройства в следующей последовательности:

5. Включите все USB- и SCSI-устройства (USB - универсальная последовательная шина, SCSI - стандартный интерфейс малых компьютеров.) К USB-устройствам, как правило, относятся недорогие сканеры, цифровые фотоаппараты и видеокамеры, иногда мониторы, клавиатура, принтер и мышь. К SCSI-устройствам относят различные сканеры и дополнительные дисководы.

6. Включите приборы, подключенные к последовательным и параллельным портам компьютера (принтеры, модемы и т.д.)

Рис. .1.

7. Включите монитор (кнопкой на его передней панели смотри рисунок .1.)

Рис. .2.

Рис. .3.

8. Удалите 3,5" или 5,25" дискету из дисковода, если она в нем есть (рисунок 2. и 3.)