Лекции по Вычислительным системам, сетям и телекоммуникациям   

6. Архитектура современного персонального компьютера

6.1. Структурное построение современного персонального компьютера

Архитектура вычислительной машины, прежде всего, определяет методы взаимодействия между составляющими ее элементами и построена на концепции ядра и расширяющих его возможности модулей.

Ядро – это системные ресурсы, без которых персональный компьютер (ПК) работать не может.

Модули расширения представляют собой законченные подсистемы, взаимодействующие с ядром по заданному протоколу.

Системное ядро ПК включает в себя:

-        центральный процессор;

-        2-3-канальных таймера;

-        2 контроллера прерываний с 8 уровнями каждый;

-        2-4-канальных контроллера ПДП;

-        порты ввода/вывода;

-        CMOS-память;

-        часы реального времени;

-        контроллер клавиатуры;

-        минимум 64 Кб нижней памяти.

К модулям расширения относятся:

-        контроллеры накопителей;

-        накопители;

-        видеоадаптеры;

-        сетевые карты.

Структура современного компьютера определяется, как правило, набором микросхем, на базе которых строится основной компонент ПК – материнская плата. Данный набор – chipset, определяет номенклатуру поддерживаемого материнской платой оборудования, совместимость с отдельными компонентами ПК и т.д.

Как правило chipset конструктивно состоит из двух мостов:

-       северный – обеспечивает взаимодействие основных компонентов ПК: памяти и процессора. В последнее время ввиду необходимости высокоскоростного обмена видеоданными между видеокартой и памятью, к северному мосту так же подключается и видеокарта (или видеокарты в режимах SLI или CrossFire);

-       южный – представляет собой концентратор обеспечивающий функционирование всего комплекса периферийных устройств и контролеров интерфейсов  материнской платы. Южный мост соединяется с северным мостом высокоскоростной шиной, позволяющий периферийным устройствам использовать режим DMA при обращении к памяти ПК.

В ряде случаев северный и южный мосты компонуются на базе единой микросхемы (характерно для некоторых чипсетов Nvidia и SiS). Примеры компоновки северного и южного моста, так же варианты подключения периферийных устройств приведены на рис. 6.1 – 6.2.

Рассмотрим типовую структуру chipset-a на примере чипсета Intel X38 для процессоров Intel Core 2 применительно для материнской платы Gigabyte X38-DQ6 (рис. 6.3).

Рисунок 6.1 ‑ Пример компоновки чипсета компании Intel (i965)

Рисунок 6.2 ‑ Пример компоновки чипсета компании SiS
 для процессоров AMD (SiS 771)

Основным синхронизирующим устройством ПК является тактовый генератор задающий частоты функционирования компонентов ПК. Тактовый генератор выдает следующий набор частот: 400, 333, 266, 200 МГц, из которых в свою очередь умножителями и делителями частоты получаются частоты, на которых функционируют компоненты ПК. Необходимо помнить, что если «разгон» ПК осуществляется изменением частоты тактового генератора, то это может привести к рассинхронизации компонент ПК и выхода их из строя.

Процессор (Central Processor Unit – CPU) соединяется с северным мостом – главной системной шиной (Fast System Bus – FSB), частота которой определяет скорость обмена данными между CPU и остальными компонентами (в первую очередь с памятью).

Частота FSB соответствует внешней частоте CPU. Внутренняя частота CPU определяется произведением внешней частоты на коэффициент умножения процессора (порядка 7х – 20х). На внутренней частоте работает вычислительное ядро процессора. В большинстве современных процессоров коэффициент умножения процессора зафиксирован и не поддается изменению.

Память соединяется с северным мостом отдельным каналом обмена данными. Современные chipset-ы поддерживают память DDR 2 с эффективными частотами 1066/800/667 МГц, что вдвое превышает задающую тактовую частоту. Это достигается за счет передачи данных по восходящему и нисходящему фронту тактового синхроимпульса (533/400/333 МГц). Один канал обмена данными имеет разрядность 32 бита. Для обеспечения максимального быстродействия необходимо обеспечить кратность частоты шины память-чипсет, частоте FSB.

В последнее время в ПК получили распространение двух канальные режимы обмена данными между северным мостом и памятью (Dual Channel). Данный режим, возможно активировать, если установить одинаковые модули на разные каналы. В этом случае северный мост работает с памятью как с единым модулем на двух каналах по 32 бита (с обшей шириной 64 бита), это позволяет вдвое увеличить скорость обмена данными с памятью на той же тактовой частоте.

схемa чипсета Intel X38
Рисунок 6.3 – Типовая структура chipset-a на примере чипсета Intel X38

Видеосистема также подключается к северному мосту, что обусловлено высокой интенсивностью обмена данными в цикле: видеосистема-память-CPU, при запуске приложений активно использующих видео ресурсы. Современные видеокарты используют для подключения интерфейс PCI-Express (PCI-E) работающим на частоте 100 МГц. Чтобы обеспечить высокоскоростной обмен между видеосистемой и северным мостом используется 16 каналов PCI-E. При использовании режимов симметричного подключения двух или  более видеокарт (SLI или Cross Fire) данное количество каналов делится между подключенными видеокартами (8+8 PCI‑E).

Интерфейс PCI-Express является основным для подключении периферийных устройств к южному мосту. Контролер PCI-E включается в состав южного моста. Причем данные периферийные устройства могут иметь как внешнее (в этом случае они подключаются через соответствующий разъем на материнской плате), так и внутреннее исполнение (в этом случае они распаиваются в виде отдельных микросхем на материнской плате). Данный интерфейс работает на тактовой частоте 100 МГц.

Интерфейс PCI является в настоящее время устаревшим. Однако в целях совместимости его контролер включается в состав южного моста. Данный интерфейс работает на тактовой частоте 33 МГц.

Интерфейс USB (Universal Serial Bus) в настоящее время является наиболее распространенным для подключения внешних устройств. Современные контролеры USB 2.0 в составе южного моста поддерживают от 8 до 12 точек подключения.

Интерфейсы SATA и IDE предназначены для подключения накопителей на жестких дисках (HDD). IDE – устаревший интерфейс для подключения жестких дисков, на частотах 33/66/100/133 МГц. SATA – современный интерфейс, работающий на частотах 150/300 МГц.

Так же в состав южного моста в современных чипсетах могут включаться: аудио контролеры; контролер IEEE 1394 и др.

BIOS (Basic input/output system) является системой которая хранит в специальной энергозависимой памяти настройки функционирования chipset-a и управляет функционированием его компонентов.



*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.