Анализ и оценка аппаратных средств современных ПЭВМ

В наше время трудно представить себе, что без компьютеров можно обойтись. А ведь не так давно, до начала 70-х годов вычислительные машины были доступны весьма ограниченному кругу специалистов, а их применение, как правило, оставалось окутанным завесой секретности и мало известным широкой публике. Однако в1971 г. произошло событие, которое в корне изменило ситуацию и с фантастической скоростью превратило компьютер в повседневный рабочий инструмент десятков миллионов людей. В том вне всякого сомнения знаменательном году еще почти никому не известная фирма Intel из небольшого американского городка с красивым названием Санта-Клара (шт. Калифорния), выпустила первый микропроцессор. Именно ему мы обязаны появлением нового класса вычислительных систем - персональных компьютеров, которыми теперь пользуются, по существу, все, от учащихся начальных классов и бухгалтеров до маститых ученых и инженеров. Этим машинам, не занимающим и половины поверхности обычного письменного стола, покоряются все новые и новые классы задач, которые ранее были доступны (а по экономическим соображениям часто и недоступны - слишком дорого тогда стоило машинное время мэйнфреймов и мини-ЭВМ) лишь системам, занимавшим не одну сотню квадратных метров. Наверное, никогда прежде человек не имел в своих руках инструмента, обладающего столь колоссальной мощью при столь микроскопических размерах.

Первый шаг

15 ноября 1971 г. можно считать началом новой эры в электронике. В этот день компания приступила к поставкам первого в мире микропроцессора Intel 4004 - именно такое обозначение получил первый прибор, послуживший отправной точкой абсолютно новому классу полупроводниковых устройств.

Создав новый рынок и захватив на нем господствующие высоты, Intel тем не менее стремилась расширить его границы, и за 25 лет процессоры проделали поистине гигантский путь.

Рассмотрим типы процессоров, которые применяются в данное время:

80286

Процессор i80286 был анонсирован 1 февраля 1982 г. Архитектура и характеристики чипа оказались весьма впечатляющими. Оставшись 16-разрядным прибором, по производительности новый ЦП в 3—6 раз превзошел своего предшественника (i8086) при тактовой частоте первой модификации 8 МГц. Благодаря использованию многовыводного корпуса разработчики смогли применить схему с раздельными шинами адресов и данных. 24 разряда адреса позволили обращаться к физической памяти объемом до 16 Мбайт — такую же емкость имели тогда и старшие модели большинства мэйнфреймов. Встроенная система управления памятью и средства ее защиты открывали широкие возможности использования МП в многозадачных средах. Кроме того, аппаратура i80286 обеспечивала работу с виртуальной памятью объемом до 1 Гбайт.

Новый ЦП имел два режима работы - реальный и защищенный. В первом случае он воспринимался как быстрый ЦП i8086 с несколько расширенной системой команд и прекрасно подходил тем потребителям, для которых, помимо скоростных характеристик, жизненно важным было сохранение существующего задела ПО. Работа в защищенном режиме позволяла использовать преимущества прибора в полном объеме, и прежде всего — большой объем основной памяти.

Первенец 32-разрядных систем

Первенец 32-разрядных систем i80386 был представлен 17 октября 1985 г. и имел все права на звание процессора для ЭВМ общего назначения. Использование КМОП-технологии с проектными нормами 1 мкм и двумя уровнями металлизации позволило разместить на кристалле 275 тыс. транзисторов и реализовать полностью 32-разрядную архитектуру ЦП. 32 разряда адреса обеспечили адресацию физической памяти объемом до 4 Гбайт и виртуальной памяти емкостью до 64 Тбайт. Помимо работы с виртуальной памятью допускались операции с памятью, имевшей страничную организацию. Предварительная выборка команд, буфер на 16 инструкций, конвейер команд и аппаратная реализация функций преобразования адреса значительно уменьшили среднее время выполнения команды. Благодаря этим архитектурным особенностям, процессор мог выполнять 3 - 4 млн. команд в секунду, что примерно в 6 - 8 раз превышало аналогичный показатель для МП i8086. Безусловно, новый прибор остался совместимым со своими предшественниками на уровне объектных кодов.

Особый интерес представляли три режима работы кристалла  реальный, защищенный и режим виртуального МП i8086. В первом обеспечивалась совместимость на уровне объектных кодов с устройствами i8086 и i80286, работающими в реальном режиме. При этом архитектура i80386 была почти идентична архитектуре 86-го процессора, для программиста же он вообще представлялся как ЦП i8086, выполняющий соответствующие программы с большей скоростью и обладающий расширенной системой команд и регистрами. Благодаря этим качествам 32-разрядного продукта компания сохранила прежних клиентов, которые хотели модернизировать свои системы, не отказываясь от имевшегося задела в области программного обеспечения, и привлекла тех, кому изначально требовалась высокая скорость обработки информации.

Одно из основных ограничении реального режима было связано с предельным объемом адресуемой памяти, равным 1 Мбайт. От него свободен защищенный режим, позволяющий воспользоваться всеми преимуществами архитектуры нового ЦП. Размер адресного пространства в этом случае увеличивался до 4 Гбайт, а объем поддерживаемых программ до 64 Тбайт. Системы защищенного режима обладали более высоким быстродействием и возможностями организации истинной многозадачности.

Наконец, режим виртуального МП открывал возможность одновременного исполнения ОС и прикладных программ. написанных для МП i8086, i80286 и80386. Поскольку объем памяти, адресуемой 386-м процессором, не ограничен значением 1 Мбайт, он позволял формировать несколько виртуальных сред i8086.

10 апреля 1989 г. корпорация Intel объявила о начале выпуска 32 разрядного прибора второго поколения - i80486, ставшего после устройств i8080 и !8086 еще одним долгожителем.

Стремительное усложнение программного обеспечения и постоянное расширение сферы применения компьютеров настоятельно требовали существенного роста вычислительной мощи центральных процессоров ПК. Ко всему прочему на пятки стали наступать и RISC-процессоры. Хотя в конце 80-х годов некоторые эксперты предсказывали близкий конец кристаллов СISC, корпорация Intel вполне справедливо посчитала, что до этого еще далеко и в микропроцессорах использованы не все возможности СISC-архитектуры. Кроме того, фирме вряд ли простили бы отказ от программной совместимости с предшествующими моделями - стоимость накопленного системного и прикладного ПО уже измерялась в миллиардах долларов.

Как это случалось не раз, проработки нового процессора начались, когда проект создания 486-го МП вступил в заключительную стадию. В основу продукта была положена суперскалярная архитектура (еще один атрибут из мира мэйнфреймов), которая и дала возможность получить пятикратное повышение производительности по сравнению с моделью 486DХ. Высокая скорость выполнения команд достигалась благодаря двум 5-ступенчатым конвейерам, позволявшим одновременно исполнять несколько инструкций. Для постоянной загрузки обоих конвейеров из кэш'а требуется широкая полоса пропускания . Совмещенный буфер команд и данных обеспечить ее не мог, и разработчики воспользовались решением из арсенала RISC-процессоров, оснастив Pentium раздельными буферами команд и данных. При этом обмен информацией с памятью через кэш данных осуществлялся совершенно независимо от процессорного ядра, а буфер инструкций был связан с ним через высокоскоростную 256-разрядную внутреннюю шину. Несмотря на то что новый кристалл был спроектирован как 32-разрядный, для связи с остальными компонентами системы использовалась внешняя 64-разрядная шина данных с максимальной пропускной способностью 528 Мбайт/с. Еще одной "изюминкой" архитектуры, позаимствованной у представителей универсальных ЭВМ стала схема предсказания переходов.

По скорости выполнения команд с плавающей точкой Pentium в пять - семь раз превзошел процессор 486DX2/50 и почти на порядок - микросхему 486DX/33.

Pentium Pro

27 марта 1995 г. Intel представила микропроцессор шестого поколения, получивший название Pentium Pro. Стремление выжать из CISC-архитектуры практически все, на что она способна, заставило разработчиков этого продукта пользоваться почти всеми техническими решениями, которые ранее применялись в супер ЭВМ и мэйнфреймах (благо, достигнутая степень интеграции это уже позволяла). Прежде всего речь идет об использовании механизма динамического разделения порядка выполнения команд нескольких многоступенчатых конвейеров вместо двух 5-ступенчатых конвейеров, характерных для Pentium. Новый ЦП имеет их три, в каждом из которых 14 ступеней. Подобный многофазный конвейер позволил обеспечить высокую тактовую частоту процессора (133 МГц в первой модели). Для осуществления постоянной загрузки конвейера необходимы высокоэффективный кэш команд и высококачественная схема предсказания переходов. Поэтому в отличие от своего предшественника, имевшего двухвходовой ассоциативный кэш инструкций, Pentium Pro обладает более эффективным четырехвходовым кэш'ем, а также схемой предсказания ветвлений на 512 входов. Кроме того, для повышения производительности была применена буферная память второго уровня емкостью 256 Кбайт, расположенная в отдельном чипе и смонтированная в том же корпусе, что и процессор. Кристалл кэш'а связан с процессором собственной синхронной 64-разрядной шиной, работающей на тактовой частоте процессора .

Технические характеристики нового ЦП обеспечили ему устойчивый сбыт в секторе высокопроизводительных серверов и рабочих станций, на долю которого приходится пока наибольший объем продаж кристалла. Что касается персональных компьютеров, то здесь распространение Pentium Pro пока сдерживается относительно высокой стоимостью и недостаточным объемом прикладного ПО, в полной мере использующего все преимущества процессора.

Материнские платы

Почти все современные платы используют шину PCI и поддерживают спецификацию PCI-2.0. Архитектура системных плат с шиной PCI за довольно короткий промежуток времени претерпела существенные изменения, направленные в конечном счете, на повышение производительности, — от РСI Bridge до РСI Host Concurrent Bus, допускающей конкурентные циклы процессор-память и PCI-память.

Появление chipset Triton фирмы Intel, со значительно расширенными по сравнению с ранними версиями возможностями по управлению шиной и применению новых типов памяти, установило новый стандарт на производительные системы на основе процессоров типа Pentium (90, 100, 120 MHz и т. д.).

Triton (82430FX PCIset) поддерживает:

спецификацию РС1 РС12.0 (Triton VX— РС1 2.1); внешние тактовые частоты 50/ 60/ 66 MHz;

обмен по шине РС1 на частотах 25/30/33 MHz;

256 или 512 KB кэш-памяти второго уровня — pipeline burst SRAM, асинхронную SRAM;

от 4 до 128 MB EDO DRAM или FPM DRAM;

содержит встроенный Bus Master IDE контроллер на 4 устройства (режимы PIO mode 4 и MultiWord DMA mode 2).

Естественно, что все новые модели chipset по своим возможностям находятся примерно на уровне Triton и, кроме того, поддерживают и Pentium, и процессоры К5 и М1 фирм AMD и Cyrix.

Chipset фирмы Acer Laboratory Inc. под названием Aladdin M1511/12/13 предназначен как для двухпроцессорных, так и однопроцессорных конфигураций. Рассчитан на процессоры Pentium (от 60/66 MHz на 5V до 150 MHz, 2.5 V). В однопроцессорной конфигурации можно применять также Cyrix М1 и AMD К5. Предусмотрена поддержка pipeline burst SRAM и EDO DRAM. Имеется встроенный контроллер Enhanced IDE.

Новые chipset для процессоров семейства 486, например ALI М 1489 фирмы, используют некоторые решения, разработанные для Pentium, в частности, возможность применения памяти типа EDO DRAM, а также поддерживают процессоры MISC фирмы Cyrix и Enhanced 486 фирмы AMD.

Во всех новых моделях системных плат для Pentium предусмотрена поддержка процессоров не только на 90/100 MHz, но и 120, 133, 150 MHz, а в некоторых —155, 167, 180 и 200 MHz. Разные значения напряжения питания, требующиеся для разных моделей процессоров, обеспечиваются регуляторами напряжения, как встроенными, так и в виде внешних модулей Voltage Regulator Module — VRM (для них предусмотрены специальные разъемы). Практически обязательными стали встроенные контроллеры Enhanced IDE на 4 устройства с поддержкой режимов PIO mode 3, 4 и DMA Mode 2 (Bus Master IDE). На почти во все системные платы, как для Pentium, так и для семейства 486, встраивают также контроллеры флоппи-дисков и Enhanced Ports. Последовательные порты, благодаря применению универсального асинхронного приемопередатчика UART 16550 с FIFO регистром, позволяют осуществлять безошибочный высокоскоростной обмен данными. В некоторых случаях предусмотрена также поддержка последовательного инфракрасного порта Infrared (IrDA). Соответствующий модуль подключается через 5-штырьковый разъем. IrDA обеспечивает обмен данными на расстоянии до одного метра со скоростью 115 kbps. Инфракрасными портами снабжаются в настоящее время многие переносные устройства (notebook, laptop), а также принтеры.

Системные платы типа AII-In-One, в которых кроме встроенных контроллеров и портов имеется также и графический адаптер и, зачастую, звуковая плата, выпускаются в больших количествах, особенно фирмой Intel. Применение плат All-In-One ограничивалось всегда необходимостью использования специального корпуса типа slim, ultra slim, super slim и, кроме того, небольшим числом слотов расширения и недостаточными возможностями для дальнейшей модернизации. Тем не менее, тенденция интегрировать, как можно больше устройств в системную плату прослеживается вполне отчетливо (и не обязательно только в платах типа AII-In-One). Так, например, встроенные SCSI-адаптеры применяются уже достаточно давно.

Фирма ASUSTeK выпускает широкий набор системных плат под Pentium, как в однопроцессорной, так и в двухпроцессорной конфигурации. Используются chipset фирмы Intel (Triton, Neptune), а также фирмы SiS. Во всех платах применены версии BIOS фирмы AWARD и SCSI BIOS фирмы NCR, реализованные на основе Flash EPROM емкостью 1 M bit.

Пример: Модель РС1/1-Р55ТР4ХЕ рассчитана на процессоры Р54С с тактовыми частотами 75, 90, 100, 120, 133, 150 MHz. В ней используется chipset Intel Triton. Встроенный Bus Master Enhanced IDE контроллер обеспечивает обмен данными в режимах Р10 mode 3 и 4 и DMA mode 2. Имеются контроллеры флоппи-дисков и Enhanced Ports. BIOS фирмы Award поддерживает режим Plug&Play. Плата снабжена дополнительным слотом MediaBus, который может использоваться совместно со слотом РС1 для подключения комбинированных адаптеров, например графического, совмещенного со звуковой платой (шина MediaBus является неким аналогом шины ISA, только выведена на другой разъем).

СИСТЕМНЫЕ ПЛАТЫ 486

Фирма ASUSTeK поставляет классические, очень тщательно сконструированные модели плат для процессоров семейства. 486. Используется chipset фирм Intel и SiS. Все платы поддерживают широкую номенклатуру процессоров производства Intel (включая Pentium OverDrive Р24Т), AMD, Cyrix, UMC. Хотя локальная шина VLB, разработанная в свое время специально под процессоры семейства 486, сейчас активно вытесняется шиной РС1, на рынке все еще имеется большое количество качественных графических и других адаптеров, выполненных в этом конструктиве. Поэтому разъем под шину VLB сохранен даже в системных платах, использующих РС1. Модель PVI-486SP3 (с шинами PCI/VLB/ISA) собрана на chipset SiS 85С496&85С497, использует BIOS фирмы Award и поддерживает до 512 KB кэш-памяти. Плата имеет полный набор встроенных контроллеров. Модель PVI-486AP4 использует chipset Intel Green PC 824.20EX PCIset (Intel Aries) и содержит только Enhanced IDE контроллер. Наконец модель VL/1-486SV2GX4 на популярной микросхеме SiS 471 ориентирована на шину VLB (2 слота). Среди особенностей можно отметить поддержку кэш-памяти большого объема - до 1МВ. Новые версии плат PVI предусматривают Plug&Play, для более старых возможен upgrade для BIOS.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

Системная плата должна обеспечивать достижение максимально высокой производительности как процессора и оперативной памяти, так и других частей компьютера — графических адаптеров, жестких дисков и прочих. Поэтому тестирование системной платы на производительность, предполагающее оценку быстродействия практически всех компонентов, дает полезную информацию не только о ней самой, но и об этих компонентах. Сопоставление результатов может помочь в выборе того или иного технического решения и конкретных типов комплектующих. Следует сразу оговориться, что не стоит абсолютизировать результаты какого-либо тестирования. Идеальных тестов не бывает, они в той или иной мере рассчитаны на оценку либо выделенных подсистем компьютера, либо на некоторые интегральные характеристики. В данном случае это не более чем ориентир, особенно полезный при настройке системы. Лучший тест - это конкретная рабочая среда конкретного пользователя.

Анализ результатов тестирования показывает, что хотя применение новых типов памяти и дает некоторый выигрыш в производительности, он невелик. Это легко понять с учетом того, что даже стандартная кэш-память второго уровня обеспечивает для типовых задач доступ к оперативной памяти со скоростью, достаточно близкой к максимально возможной для данного типа процессора, так что дальнейшее ускорение дается с большим трудом и не может быть значительным. Тем не менее, применение новых типов памяти является вполне оправданным, так как позволяет поднять реальную производительность при работе со многими приложениями и в мультизадачной среде. Из некоторых источников и публикаций можно сделать и еще один важный вывод. Он заключается в том, что главное средство повышения производительности всех подсистем компьютера, включая графическую и, с некоторыми оговорками, жесткие диски, — это использование более мощного процессора.

Оперативная память

Практически все компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю.

Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором вычислительных операций. Таким образом, этот вид памяти обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой — RAM (Random Access Memoiy). Для построения запоминающих устройств типа RAM используют микросхемы статической и динамической памяти.

Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в ходе выполнения микропроцессоров программы. Постоянная память имеет собственное наз-вание — ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, чт'о она обеспечивает только режимы считывания и хранения. Постоянная память обладает тем преимуществом, что может сохранягь информацию и при отключенном питании. Это свойство получило название энергонезависимость. Все микросхемы постоянной памяти по способу занесения в них информации (программированию) делятся на масочные (ROM), программируемые изготовителем, однократно программируемые пользователем (Programmable ROM) и многократно программируемые пользователем (Erasable PROM). Последние в свою очередь подразделяются на стираемые электрически и с помощью ультрафиолетового облучения. К элементам ЕРROM с электрическим стиранием информации относятся и микросхемы флэш-памяти. От обычных EPROM они отличаются высокой скоростью доступа и стирания записанной.информации. Вешняя память реализована обычно на магнитных носителях.

Оперативная память

Оперативная память составляет не большую, но, безусловно, важнейшую часть персонального компьютера. Если от типа процессора зависит количество адресуемой памяти, то быстродействие используемой оперативной памяти во многом определяет скорость работы процессора, и в конечном итоге влияет на производительность всей системы.

Практически любой персональный IBM-совместимый компьютер оснащен оперативной памятью, реализованной микросхемами динамического типа с произвольной выборкой. (DRAM, Dynamic Random Access Memory). Каждый бит такой памяти физически представлен в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе, образованном в структуре полупроводникового кристалла. Поскольку время хранения заряда конденсатором ограничено (из-за "паразитных" ; утечек), то, чтобы не потерять имеющиеся данные, необход]имо периодическое восстановление записанной информации, которое и выполняется в циклах регенерации (refresh cycle). Это является, пожалуй, одним из основных недостатков динамической памяти, в то время, как по критерию, увеличивающему информационную емкость, стоимость и энергопотребление, этот тип памяти во многих случаях предпочтительнее статической памяти (SRAM, Static RAM). Последняя в качестве элементарной ячейки памяти использует так называемый статический триггер. Этот тип памяти обладает высоким быстзодействием и, как правило, используется в самых "узких". местах системы, например, для организации памяги.

Корпуса и маркировка

Элементы динамической памяти для персональных компьютеров бывают конструктивно выполнены либо в виде отдельных микросхем в корпусах типа DIP (Dual In line Package), либо в виде модулей памяти типа SIP/SIPP (Single In line Pin Package) или типа SIMM (Single In line Mernory Module). Модули памяти представляют собой небольшие текстолитовые платы с печатным монтажом с установленными на них микросхемами памяти в DIP-корпусах. При этом для подключения к системной плате на SIMM используется печатный ("ножевой") разъем, а на модулях SIP — штыревой.

Логическая организация памяти

Используемый в IBM PC/XT процессор i8086 через свои 20 адресных линий может иметь доступ к пространству памяти всего в 1 Мбайт. Но в то время, когда появились эти компьютеры, возможность увеличения доступной оперативной памяти в 10 раз (по сравнению с обычными 64 Кбайт) была просто фантастической. Отсюда наверно и появилась "волюнтаристская" цифра — 640 Кбайт. Эти первые 640 Кбайт адресуемого пространства в IBM-совместимых компьютерах называют обычно стандартной памятью (conventional memory). Оставшиеся 384 Кбайт были зарезервированы для систем использования и носят название памяти в верхних или высших адресах (UMB, Upper Memory Blocks). Эта область памяти резервируется под размещение системного ROM BIOS (Read Only Меш Basic Input Output System), видеопамяти и ROM-памяти, полнительных адаптеров.

Дополнительная, или ехрanded-памягь

Почти на всех персональных компьютерах область UMB редко оказывается заполненной полностью. Пустует, как правило, область расширения системного ROM BIOS часть видеопамяти и области под дополнительные модули ROM. На этом и базируется спецификация дополнительной памяти EMS (Expanded Memory Specification), разработка фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft (поэтому называемая иногда LIM-спецификацией) еще в 1985 г. и позволяющая использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных программ. Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении блоков (страниц) памяти. В выделяется незанятое "окно" (page frame) в 64-Кбайт, которое разбито на 16-килобайтные страницы. Программные и аппаратные средства позволяют отображать любой 16-килобайтный сегмент этой дополнительной expanded-иамйти в любой из выделенных 16-килобайтных страниц окна. Хотя микропроцессор всегда обращается к данным, хранимым в окне (адрес 1 Мбайт), адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти относительно окна на несколько мегабайт. Спецификация LIM/EMS 4.0 позволяет использовать до 2048 логических страниц и расширить объем адресуемой памяти до 32 Мбайт. Кроме этого, как и в EMS, физические страницы могут быть расположены в любом месте памяти , отличный от 16 Кбайт. Таким образом могут задействоваться области видеопамяти и UMB. Возможности спецификации позволяют, в частности, организовать многозадачный режим работы.

Paсширенная, или ехрanded-памягь

Компьютеры, использующие процессор i80286 с 24-разрядными адресными шинами, физически могут адресовать 16 Мбайт, а в случае процессоров i80386/486 — 4 Гбайта памяти. Такая возможность появляется только при защищённом режиме работы процессора (protected mode), которого операционная система MS DOS не поддерживает. Расширенная память располагается выше области адресов 1 Мбайт. Для работы с extended-памятью микропроцессор должен переходить из реального в защищенный режим и обратно. Микропроцессоры i80386/486 выполняют эту операцию достаточно легко, чего не скажешь о i80286. При наличии соответствующего программного драйвера расширенную память можно эмулировать как дополнительную. Аппаратную поддержку в этом случае должен обеспечивать процессор не ниже i80386 или вспомогательный набор специальных микросхем.

Кэш-память

Кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких, например как динамическая память с относительно быстрым микропроцессором. Использование кэш-памяти позволяет избегать циклов ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.

У микропроцессора, синхронизируемого, например, тактовой частотой 33 МГц, тактовый период составляет приблизительно 30 нс. Обычные современные микросхемы динамической памяти имеют время выборки от 60 до 80 нс. Отсюда, в частности, следует, что центральный процессор вынужден простаивать 2- 3 периода тактовой частоты (т.е. имеет 2-3 цикла ожидания), пока информация из соответствующих микросхем памяти установится на системной шине данных компьютера. Понятно, что в это время процессор не может выполнять никакую другую работу. Такая ситуация ведет обычно к тому, что общая производительность системы снижается, что, разумеется, крайне нежелательно.

С помощью технологии обработки, использующей кэш-память, обычно делается попытка согласовать работу медленных внешних устройств с быстрым процессором. В переводе с английского слово "сасhе" означает не что иное, как убежище или тайник. Эти значения, очевидно, можно толковать по-разному: и как то, что кэш, по сути, является промежуточным буферным запоминающим устройством, и как то, что работа кэш-памяти практически прозрачна (т.е. невидима) для пользователя. Кстати, в отечественной литературе синонимом кэш-памяти является термин "сверхоперативная память".

Соответствующий контроллер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды и данные, которые будут необходимы микропроцессору в определенный момент времени, оказывались в кэш-памяти именно к этому моменту. При некоторых обращениях к оперативной памяти соответствующие значения заносятся в кэш. В ходе последующих операций чтения по тем ке адресам памяти обращения происходят только к кэш-память, без затраты процессорного времени на ожидание, которое неизбежно при работе с основной динамической памятью. В персональных компьютерах технология использования кэш-памяти находит применение прежде всего при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью, а также между основной памятью и внешней (накопителями на магнитных носителях).

На кристалле микросхемы оперативной памяти SRАМ находится огромное количество транзисторов. Как уже говорилось, принщп работы ячейки динамической памяти состоит в сохранении ; заряда на крошечном конденсаторе, выполненном в полупроводниковой структуре кристалла. Понятно, что для того чтобы зарядить конденсатор до определенного значения, необходимо некоторое время. Чтобы конденсатор разрядился, также необходимо определенное время. Таким образом, в результате процессов заряда и разряда конденсатора ячейка памяти устанавливает либо в состояние 1, либо в состояние 0. Поскольку для заряда и разряда конденсатора необходимо вполне определенное (и немалое) время, то в этом и кроется причина ограниченного быстродействия динамической памяти.

Статическая же память основана на триггерах, в которых применяются интегральные транзисторы-переключатели. Такие транзисторы используют ключевой принцип работы: они либо закрыты, либо открыты. Конечно, на переход транзистора из одного состояния в другое также необходимо какое-то время, однако оно существенно меньше времени заряда-разряда конденсатора, выполняющего роль элемента памяти. Наряду с таким достоинством, как быстродействие по отношению к динамической памяти, статическая память имеет и недостатки. Она потребляет больший ток и имеет более сложную архитектуру -- на одну ячейку памяти требуется больше транзисторов. Как следствие этого, статическая память существенно дороже динамической. Кроме того, при одинаковом коэффициенте интеграции статическая память обладает значительно меньшей информационной емкостью.

При обмене данными возникает похожая проблема. Адреса данных, которые вскоре понадобятся процессору для обработки, находятся в большинстве случаев рядом с адресами данных, обрабатываемых непосредственно в данное время. Поэтому кэш-контроллер должен также заботиться о размещении всего блока данных в статической памяти.

Метод Write Through, называемый также методом сквозной записи, предполагает наличие двух копий данных — одной в основной памяти, а другой — в кэш-памяти. Каждый цикл записи процессора в память идет через кэш. Это обусловливает, конечно, высокую загрузку системной шины, так как на каждую операцию модификации данных приходится две операции записи. Поэтому каждое обновление содержимого кэш-памяти ощутимо сказывается на работе шины. С другой стороны, микропроцессор по-прежнему вынужден ожидать окончания записи в основную память.

Метод Buffered Write Through является разновидностью метода Write Through и называется также методом буферизованной сквозной записи. Для того чтобы как-то уменьшить загрузку шины, процесс записи выполняется в один или несколько буферов, которые работают по принципу FIFO (First Input-First Output). Таким образом, цикл записи для микропроцессора заканчивается практически мгновенно (т.е. когда данные записаны в буфер), хотя информация в основной памяти еще не сохранена. Сам же микропроцессор может выполнять дальнейшую обработку команд. Конечно, соответствующая логика управления должна заботиться о том, чтобы своевременно опустошать заполненные буферы. При использовании данного метода процессор полностью освобожден от работы с основной памятью.

При использовании метода Write Back, называемого также методом обратной записи, цикл записи микропроцессора происходит сначала в кэш-память, если там есть адрес приемника. Если адреса приемника в кэш-памяти не оказывается, то информация записывается непосредственно в память. Содержимое основной памяти обновляется только тогда, когда из кэш-памяти в нее записывается полный блок данных, называемый длиной строки-кэша (cache-line).

При работе с кэш-памятью применяется ассоциативный принцип, когда старшие разряды адреса используются в качестве признака, а младшие — для выбора слова. Архитектура кэш-памяти определяется тем, каким образом память отображается на кэш. Существуют три разновидности отображения: кэш-память с прямым отображением, частично ассоциативная и полностью ассоциативная. При прямом отображении каждая ячейка основной памяти может отображаться только на одну ячейку кэша, в частично ассоциативной —на две и больше (т.е., если одна ячейка кэша занята, можно использовать другую). В случае наличия четырех входов кэш-память называют 4-канальной частично ассоциативной, как, например, у i486. При полностью ассоциативном подходе в качестве разрядов признаков используются все адресные разряды.

BIOS и CMOS RAM

Базовая система ввода-вывода BIOS (Basic Input Output System) называется так потому, что включает в себя обширный набор программ ввода-вывода, благодаря которым операционная система и прикладные программы могут взаимодействовать с различными устройствами как Самого компьютера, так и с устройствами, подключенными к нему. Вообще говоря, в архитектуре IBM-совместимого компьютера система BIOS занимает особое место. С одной стороны, ее можно рассматривать, как составную часть аппаратных средств, с другой стороны, она является как бы одним из программных модулей операционной системы.

Заметим, что система BIOS, помимо программ взаимодействия с аппаратными средствами на физическом уровне, содержит программу тестирования при включении питание компьютера POST (Power-On-Self-Test) и программу начального загрузчика. Последняя программа необходима для загрузки операционной системы с соответствующего накопителя.

Система BIOS в IBM-совместимых компьютерах реализована в виде одной или двух микросхем, установленных на системной плате компьютера. Наиболее перспективным для хранения системы BIOS является сейчас флэш-память. BIOS на ее основе имеют, например, системные платы фирм Intel, Mylex, Compaq и т.д. Это позволяет легко модифицировать старые или добавлять дополнительные функции для поддержки новых устройств, подключаемых к компьютеру.

Поскольку содержимое ROM BIOS фирмы IBM было защищено авторским правом (т.е. его нельзя подвергать копированию), то большинство других производителей компьютеров вынуждены были использовать микросхемы BIOS независимых фирм, системы BIOS которых, разумеется, были практически полностью совместимы с оригиналом. Наиболее известны из этих фирм три: American Megatrends Inc. (AMI), Award Software и Phoenix Technologies.

CMOS RAM

СиСистема BIOS в компьютерах, основанных на микропроцессорах i80286 и выше, неразрывно связана с неизменяемой памятью (CMOS RAM), в которой хранится информация о текущих показаниях часов, значение времени для будильника, конфигурации компьютера: количестве памяти, типах накопителей и т.д. Именно в этой информации нуждаются программные модули системы BIOS. Название CMOS RAM обязано тому, что эта память выполнена на основе структур КМОП (CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) которые, как известно, отличаются малым энергопотреблением.

PВ системе BIOS имеется программа, называемая Setup, которая может изменять содержимое CMOS-памяти. Вызывается эта программа определенной комбинацией клавиш, которая обычно выводится в качестве подсказки на экран монитора после включения питания компьютера. Во время загрузки компьютера можно запустить программу Setup для системы BIOS.

Напомним, что под обычными установками (Standard CMOS Setup) мы понимаем информация дате (месяц, день, год), текущих показаниях часов (часы, минуты, секунды), количестве стандартной и расширенной мяти (в килобайтах), технических параметрах и типе накопителей, дисплея, а также о подключении клавиатуры. Заме например, что если в этой программе в строке Keyboard сказать "Not Installed", то даже при отсутствии клавиатуры компьютер не выдаст сообщения об ошибке.

Расширенные установки (Advanced CMOS Setup и Advanced ChipSet Setup) включают в себя дополнительные возможности конфигурирования системной платы. Наиболее общими являются, например, такие возможности, как допустимая скорость ввода символов с клавиатурв (по умолчанию 15 символов в секунду), тестирование, тестирование памяти выше границы 1 Мбайт, разрешение использования арифметического сопроцессора Weitek, приоритет или последовательность загрузки (т.е. попытка загрузки компьютера сначала с накопителя со сменным, а затем несменным носителем или наоборот), установка определенной тактовой частоты микропроцессора при включении, разрешение парольной защиты и т.д. Как правило, расширенные установки допускают определение областей "теневой" (shadow) памяти для системной ROM BIOS, а также ROM BIOS видеоадаптеров, контроллеров накопителей и дополнительных адаптеров. Кроме этого, возможна установка тактовой частоты системной шины, а также числа тактов ожидания (или временной задержки) для микропроцессора при обращении к устройствам ввода-вывода, оперативной и/или кэш-памяти.

Заметим, что в случае повреждения микросхемы CMOS RAM (а также при разряде батареи или аккумулятора) программа Setup имеет возможность воспользоваться некой информацией по умолчанию (BIOS Setup Default Values), которая хранится в таблице соответствующей микросхемы ROM BIOS.

НОВЫЕ ВИДЫ ПАМЯТИ

Резкое повышение быстродействия процессоров и переход на 32-разрядные многозадачные операционные системы существенно поднимают требования и к другим компонентам компьютера. Важнейшим из них является оперативная память. Возрастание внешних тактовых частот процессоров с 33-40 МГц, характерных для семейства 486 (486DX2-66/80 и 486DX4-100/120), до 50-66 МГц для Pentium (Pentium 75/90/100/120/133), требует прежде всего адекватного увеличения быстродействия подсистемы памяти. Поскольку в качестве оперативной используется относительно медленная динамическая память DRAM (Dynamic Random Access Memory), главный способ увеличения пропускной способности основан на применении кэш-памяти. Кроме встроенной в процессор кэш-памяти первого уровня применяется и кэш-память второго уровня (внешняя), построенная на более быстродействующих, чем DRAM, микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM). Для высоких тактовых частот нужно увеличивать быстродействие SRAM. Кроме того, в многозадачном режиме эффективность работы кэш-памяти также может снижаться. Поэтому актуальной становится задача не только увеличения быстродействия кэш-памяти, но и ускорения непосредственного доступа к динамической памяти. Для решения этих проблем начинают использоваться новые типы статической и динамической памяти.

Требования к объемам памяти диктуются программным обеспечением. При использовании Windows оценить необходимое количество памяти можно на основе тестов Winstone, использующих наиболее популярные приложения Windows. Соответствующие данные представлены на рисунке.