Архитектура персонального компьютера

1.Описание устройство обмена информации через Северный мост.

Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост) - рис. 4.5.

Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины в 10 раз (например, частота процессора 1 ГГц, а частота шины - 100 МГц).

Рис. 4.5. Логическая схема системной платы

К северному мосту подключается шина PCI (Peripherial Component Interconnect bus - шина взаимодействия периферийных устройств), которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств. Частота контроллеров меньше частоты системной шины, например, если частота системной шины составляет 100 МГц, то частота шины PCI обычно в три раза меньше - 33 МГц. Контроллеры периферийных устройств (звуковая плата, сетевая плата, SCSI-контроллер, внутренний модем) устанавливаются в слоты расширения системной платы.

По мере увеличения разрешающей способности монитора и глубины цвета требования к быстродействию шины, связывающей видеоплату с процессором и оперативной памятью, возрастают. В настоящее время для подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP (Accelerated Graphic Port - ускоренный графический порт), соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI.

Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.

Устройства хранения информации (жесткие диски, CD-ROM, DVD-ROM) подключаются к южному мосту по шине UDMA (Ultra Direct Memory Access - прямое подключение к памяти).

Мышь и внешний модем подключаются к южному мосту с помощью последовательных портов, которые передают электрические импульсы, несущие информацию в машинном коде, последовательно один за другим. Обозначаются последовательные порты как СОМ1 и COM2, а аппаратно реализуются с помощью 25-контактного и 9-контактного разъемов, которые выведены на заднюю панель системного блока.

Принтер подключается к параллельному порту, который обеспечивает более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, так как передает одновременно 8 электрических импульсов, несущих информацию в машинном коде. Обозначается параллельный порт как LPT, а аппаратно реализуется в виде 25-контактного разъема на задней панели системного блока.

Для подключения сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная шина), который обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств.

2.Описание устройства обмен информации через южный мост

Рассмотрим устройство работу функции южного моста материнской платы. Как указывалось в этой статье, южный мост отвечает за коммутацию и управление устройств ввода–вывода с более быстродействующими устройствами, завязанными на северный мост: процессор, оперативную память и видеокарту. Поэтому функцией южного моста является передача необходимых данных и сигналов управления устройству, подключенному к южному мосту от процессора, оперативной памяти или видеокарты. Обратно устройства южного моста могут передавать данные и сигналы своего состояния устройствам северного моста.

Таким образом, если сравнить чипсет материнской платы с железной дорогой, южный мост является второй узловой станцией от которой наши поезда–информационные потоки достигают конечной станции назначения— на одно из устройств ввода–вывода. Либо станцией, которая формирует эшелоны, в нашем случае, данные и сигналы состояния, для движения до первой станции—северного моста. А северный мост, как узловой центр, доставит эти сигналы конечному необходимомму устройству.

Теперь рассмотрим более детально устройства, завязанные на южный мост. Часть из этих устройств имеют свой отдельный контроллер, который взаимодействует с южным мостом, а некоторые из них входят непосредственно в микросхему южного моста. Всё зависит от конкретного исполнения. Устройства, входящие в состав южного моста:
  – контроллер шины PCI;
  – контроллер шины SMbus;
  – контроллер прямого доступа к памяти (DMA);
  – контроллер прерываний;
  – часы реального времени;
  – управление питанием (Power management);

В зависимости от исполнения, в состав могут входить звуковой, сетевой, USB контроллеры. Современные южные мосты поддерживают шину PCI-Express.

Коротко разберём основные функции устройств, входящих в состав южного моста.

Одним из важнейших устройств не только самого южного моста, но и компьютера в целом, является контроллер прерываний. Его основной функцией является передача процессору сигнала от переферийного устройства, с тем, чтобы процессор обработал информацию от этого устройства. Кроме этого, контроллер прерываний осуществляет арбитраж этих прерываний. Дело в том, что запрос на прерывания устройства могут передать в любой момент. И возникает ситуация, когда надо решить, прерывание какого устройства в данный момент надо разрешить, то–есть решить вопрос приоритета, назначить порядок и очерёдность разрешения прерываний. Вот это и осуществляет контроллер прерываний. Более подробно работу контроллера прерываний мы рассмотрим позднее.

Также не менее важным является контроллер прямого доступа к памяти или контроллер DMA. Его использование позволяет достичь в некоторых случаях заметного быстродействия.

Дело в том, что все взаимодействия в компьютере, такие как передача команд, данных между компонентами компьютера происходит через центральный процессор. Если между двумя устройствами должен произойти обмен данными, то центральный процессор сначала считывает данные от первого устройства, а затем передаёт эти данные другому устройству.

Такой режим передачи информации носит название режим PIO, программный ввод–вывод. Этот режим нагружает процессор и скорость его невелика, по сравнению с режимом DMA, который называется прямым доступом к памяти.

Суть режима DMA состоит в том, что устройства между которыми происходит обмен информацией,например, между оперативной памятью RAM и «жёстким» диском, информируют процессор о выбранном режиме, информируют о занятии шины, по которой и будет происходить обмен. Затем они производят обмен информацией и завершают цикл, о чём предупреждают центральный процессор.

Чтобы вы получили представление, насколько режим DMA быстрее режима PIO, приведу такие сравнения. Самый быстрый режим PIO 4 имеет скорость порядка 16–17 мегабит в секунду. Так вот, это скорость самого медленного режима DMA. Самый быстрый режим DMA, называется UltraDMA и имеет скорость порядка 133 мегабит в секунду.

Контроллер шины PCI отвечает за связь между южным мостом и устройствами PCI, которые также являются переферийными устройствами. Например, это могут быть сетевые карты, внутренние модемы, звуковые карты и так далее.

Контроллер шины SMbus отвечает за шину, задачами которой являются вспомогательные функции, такие как контроль за температурой корпуса центрального процессора, или БИОС для определения состава аппаратных средств.

Часы реального времени вырабатывают отсчёты времени каждые 54,936 миллисекунд и вырабатывают прерывание для регенерации памяти, например. А вообще, по этим часам можно сказать и так, живёт вся система, так как на основе этих часов в компьютере задаются свои временные интервалы для каждого из устройств. на основе их строятся сигналы синхронизации, тактирования.

Управление питанием служит для снижения энергопотребления компьютерной системы в целом. Это позволяет экономить ресурсы. Если включен один компьютер, то это не так заметно. А если целая сеть, то экономия электричества будет ощутима. Современные компьютеры умеют включать режим сниженного энергопотребления, когда на компьютерах никто не работает, но они должны оставаться включенными.