Задержка передачи для типичного элемента ДТЛ составляет 30 нс. Это сравнительно большая величина, во многих случаях оказывается вполне приемлемой.

Семейство диодно-транзисторной логики содержит элементы И, ИЛИ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Это семейство удобно для конструктора, так как имеет большой набор различных элементов. Большинство схем содержит несколько незадействованных входных клемм, которые рекомендуется соединять с положительным полюсом источника питания или заземлять. Это увеличивает помехозащищенность и уменьшает время задержки передачи.

Транзисторно-транзисторные логические элементы

Простейший базовый элемент ТТЛ, в соответствии с рисунком 2а, за счет использования многоэмиттерного транзистора, объединяющего свойства диода и транзисторного усилителя, позволяет увеличить быстродействие, снизить потребляемую мощность и усовершенствовать технологию изготовления микросхемы.

Базовый элемент ТТЛ также выполняет логическую операцию И-НЕ. При низком уровне сигнала (логический 0) хотя бы на одном из выходов многоэмиттерного транзистора VT₁ последний находится в состоянии насыщения, а VT₂ закрыт. На выходе схемы существует высокий уровень напряжения (логическая единица). При высоком уровне сигнала на всех входах VT₁ работает в активном инверсном режиме, а VT₂ находится в состоянии насыщения. Описанный здесь базовые элемент ТТЛ, несмотря на прощеную технологию изготовления, не нашел широкого применения из-за низкой помехоустойчивости, малой нагрузочной способностью и малого быстродействия при работе на емкостную нагрузку. Его целесообразно использовать лишь при разработке микросхем с открытым коллектором, в соответствии с рисунком 2б, для включения внешних элементов индикации, когда не требуется высокая помехоустойчивость и большая нагрузочная способность.

Рис. 2

Улучшенными параметрами по сравнения с предыдущей схемой обладает базовый элемент ТТЛ, в соответствии с рисунком 3. Однако объединение выходов в схеме не допустимо.

Рис. 3

В статических режимах работы схемы, в соответствии с рисунком 3, VT₄ повторяет состояние VT₂. При запирании VT₂ база транзистора VT₄ через резистор R₃ подключается к “земле”, чем и обеспечивается закрытое состояние VT₄.

Если VT₂ насыщен, то через базуVT₄ протекает ток:

I_б4 = I_э2 - I_R3 = [(E_к - U_кэн2 - U_бэ4)/₂·R₂] - (U_бэ4/R₃)

Для транзисторов, выполненных по интегральной технологии, обычно принимают U_кэн = 0,2 В, U_бэ = 0,8 В.

Для обеспечения режима насыщения VT₄ при закрытых транзисторе VT₃ и диоде VD необходимо выполнить условие:

I_б4·В₄ ? I_кн = n·I⁰_{вх нагр}

Где: n - число нагрузочных ТТЛ-схем, подключенных к выходу рассматриваемой схемы;

I⁰_{вх нагр} - входной ток нагрузочной ТТЛ-схемы.

Положив в данное выражение знак равенства, можно определить нагрузочную способность данной схемы, т.е. максимальное число нагрузочных схем, при котором транзистор VT₄ еще работает в режиме насыщения:

n_maz = I_б4·В₄ / I⁰_{вх нагр}

Состояние VT₃ в статических режимах работы схемы, в соответствии с рисунком 3, всегда противоположно состояниюVT₄, а следовательно, VT₂. При насыщенном VT₄ транзистор VT₃ закрыт. Диод VD повышает порог отпирания VT₃, обеспечивая его закрытое состояние при насыщенном транзисторе VT₄. Действительно:

U_бэ3 = U_кэн2 + U_бэ4 - U_кэн4 - U_д ? U_бэ4 - U_д < U_пор3

Так как типичны значения: U_бэ4 = 0,8 В; U_д = 0,7В; U_пор = 0,6В.

Помехоустойчивость ТТЛ-схем по высокому и низкому уровням входного напряжения различны, т.е. U⁰_пом ? U¹_пом.

ТТЛ-схема более чувствительна к помехе U⁰_пом, которая накладывается на сигнал U⁰_вх и вызывает ложное переключение схемы (U⁰_пом < U¹_пом). Схема, в соответствии с рисунком 3, считается подключенной, если под действием помехи U⁰_пом открываются транзисторы VT₂ и VT₄, для отпирания которых требуется двойное пороговое напряжение U_пор2 +U_пор4 ? 2·U_пор. Тогда условие сохранения первоначального состояния схемы при действии помехи можно записать как:

U⁰_вх + U⁰_пом + U_кэн1 ? 2U_пор

Откуда найдем:

U⁰_пом ? 2U_пор - U⁰_вх - U_кэн1

Приняв U⁰_вх = 0,2 В; U_пор = 0,6 В; U_кэн = 0,2 В, получим U⁰_пом ? 0,6 В

При определении U¹_пом схема считаются переключенной, если открывается закрытый переход база - эмиттер многоэмиттерного транзистора VT₁. В режиме логическое единицы на входе потенциал базы транзистора VT₁ относительно “земли” равен сумме напряжений на открытых переходах база-коллектор VT₁ и база-эмиттер VT₂ и VT₄, т.е.

U_б1 = U_бк1 + U_бэ2 + U_бэ4 = 2,14 В.

Тогда напряжение на закрытом переходе база-эмиттер VT₁: U_бэ1 = U_б1 - U¹_вх. Принимая U¹_вх = 3,6 В, будем иметь U_бэ1 = -1,2 В.

Напряжение помехи, при котором транзистор VT₁ можно считать открытым,

U¹_пом = U_бэ1 - U_пор = -1,2 -0,6 = -1,8 В.

Помехоустойчивость ТТЛ-схемы со сложным инвертором по логическому нулю выше, а по логической единице, чем ТТЛ-схемы, в соответствии с рисунком 2а.

Быстродействие ТТЛ-схем определяется в основном переходными процессами при переключении транзисторов, а также зарядом паразитной нагрузочной емкости С_н, которая представляет собой суммарную емкость нагрузочных ТТЛ-схем. В схеме, в соответствии с рисунком 2а, заряд емкости С_н происходит с большой постоянной времени через коллекторный резистор R₂, что ухудшает быстродействие схемы.

В ТТЛ-схеме со сложным инвертором постоянная заряда нагрузочной емкости существенно уменьшается, так как емкость С_н заряжается через выходное сопротивление R_{вых 3} << R₂ транзистора VT₃, работающего в схеме эмиттерного повторителя. За счет этого ТТЛ-схема со сложным инвертором имеет большее быстродействие по сравнению с ТТЛ-схемой, в соответствии с рисунком 2а.

Схема базового элемента со сложным инвертором лежит в основе разработок большинства серий интегральных микросхем ТТЛ. Для расширения функциональных возможностей элемента промышленностью выпускают так называемые расширители по ИЛИ, в соответствии с рисунком 4а, которые представляют собой часть структуры ТТЛ и подключаются к точкам а и б элемента, в соответствии с рисунком 2. Полученная при этом логическая схема, в соответствии с рисунком 4б, реализует функцию И-ИЛИ-НЕ. На выходе схемы устанавливается логический нуль, если на всех выходах VT₁ поступают сигналы, соответствующие логической единице. При всех остальных комбинациях сигналов на выходах схемы выходное напряжение соответствует логической единице.

Повысить быстродействие ТТЛ-схем можно, применив в схеме базового элемента, в соответствии с рисунком 3, вместо обычных транзисторов транзисторы Шотки, работающие в активном режиме. Тем самым сокращается время переключения транзисторов схемы за счет исключения времени рассасывания носителей заряда в базе транзистора при их запирании. Логические ИМС, выполненные на базе транзисторов Шотки, называются микросхемами ТТЛШ.

Недостатком ТТЛ-схем является сильная генерация токовых помех по цепи питания, обусловленных броском тока через сложный инвертор при переключении схемы из состояния логического нуля в единицу.

Контрольные вопросы:

1. Что такое информационные сигналы?

2. Что такое логический ноль?

3. Дайте описания для устойчивости к статистическим волнам

4. Дайте описания к диодно-транзисторной логике

5. Что такое напряжение транзистора?

6. Что такое логическая степень сигналов?

7. Что такое сложный инвертор?

8. Дайте описания для интегральных микросхем

9. Расскажите про транзисторно-транзисторные логические элементы

10. Расскажите о диодно-транзисторной логике

Лекция 5. Принцип аналого-цифрового преобразования информации

План

1. Дискретизация непрерывных сигналов

2. Квантования и кодирования

3. Цифровые-аналоговые преобразователи

4. Схема ЦАП обоснованный сложение напряжение

5. Преобразователь обоснованный вычислению аналого-цифровой последовательности

Ключевые слова и термины: сигнал взятой из информационного источника, электрический сигнал, фильтрация помехов, использования аналоговых или цифровых форм, дискретизация, квантования, кодирования, тактовый интервал времени, тактовый момент времени, шаг квантования, ошибки квантования, шум квантования, коэффициенты разрядов.

В большинстве случаев получаемый непосредственно от источника информации сигнал представлен в форме непрерывно меняющегося по значению напряжения либо тока. (Рис. 1). Таков, в частности, характер электрического сигнала, соответствующего телефонным, телевизионным и другим видам сообщений. Для передачи таких сообщений по линии связи или для их обработки (например, при от фильтровании помех) могут быть использованы две формы: аналоговая или цифровая.



Рис. 1

Аналоговая форма предусматривает оперирование всеми значениями сигнала, цифровая форма -- отдельными его значениями, представленными в форме кодовых комбинаций.

Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую выполняется в устройстве, называемом аналого-цифровым преобразователем (АЦП). В преобразователе сигналов из аналоговой формы в цифровую можно выделить следующие процессы: дискретизацию, квантование, кодирование. Рассмотрим сущность этих процессов. При этом для определенности в последующем изложении будем считать, что преобразование в цифровую форму осуществляется над сигналом, представленным в форме меняющегося во времени напряжения.

Дискретизация непрерывных сигналов

Процесс дискретизации заключается в том, что из непрерывного во времени сигнала выбираются отдельные его значения, соответствующие моментам времени, следующим через определенный временной интервал Т (на рис. 1 моменты t₀,t₁...). Интервал Т называется тактовым интервалом времени, а моменты t₀,t₁... в которые берутся отсчеты, -- тактовыми моментами времени.

Дискретные значения сигнала следует отсчитывать с таким малым тактовым интервалом Т, чтобы по ним можно было бы восстановить сигнал в аналоговой форме с требуемой точностью.

Квантование и кодирование

Сущность этих операций заключается в следующем. Создается сетка так называемых уровней квантования (рис.1), сдвинутых друг относительно друга на величину А, называемую шагом квантования. Каждому уровню квантования можно приписать порядковый номер (0, I, 2, 3, 4 и т.д.). Далее полученные в результате дискретизации значения исходного аналогового напряжения заменяются ближайшими к ним уровнями квантования. Так, на диаграмме рис.1 значение напряжения в момент t₀ заменяется ближайшим к нему уровнем квантования с номером 3, в тактовый момент t₁ значение напряжения ближе к уровню 6 и заменяется этим уровнем и т.д.

Описанный процесс носит название операции квантования, смысл которой состоит в округлении значений аналогового напряжения, выбранных в тактовые моменты времени. Как и всякое округление, процесс квантования приводит к погрешности (к ошибкам квантования) в представлении дискретных значений напряжения, создавая так называемый шум квантования. При проектировании АЦП стремятся снизить шум квантования до такого уровня, при котором он еще обеспечивает требуемую точность. Подробнее шум квантования будет рассмотрен далее.

Следующая операция, выполняемая при аналого-цифровом преобразовании сигналов, -- кодирование. Смысл ее состоит в следующем. Округление значения напряжения, осуществляемое при операции квантования, позволяет эти значения представлять числами -- номерами соответствующих уровней квантования. Для диаграммы, представленной на рис.1, образуется последовательность чисел: 3, 6, 7, 4, I, 2 и т.д. Получаемая таким образом последовательность чисел представляется двоичным кодом.

Наряду с рассмотренными выше погрешностями квантования при аналого-цифровом преобразовании возникают аппаратурные погрешности, связанные с неточностью работы отдельных узлов АЦП. Эти погрешности будут выявляться при рассмотрении различных схемных построений АЦП.

Цифроаналоговые преобразователи

Рассмотрим цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), построенные по принципу суммирования напряжений или токов, пропорциональных весовым коэффициентам двоичного кода.

Схема ЦАП с суммированием напряжений

Одна из таких схем с суммированием напряжений на операционном усилителе приведена на рис.2. Триггеры 1 ... n образуют регистр, в который помещаются двоичные числа, предназначенные для перевода в пропорциональные им значения напряжения на выходе. Будем считать, что напряжение на выходе каждого из триггеров может принимать одно из двух возможных значений: E при состоянии 1 и 0 при состоянии 0.

Рис. 2

Напряжения с выходов триггеров передаются на выход ЦАП через операционный усилитель (ОУ), работающий в режиме взвешенного суммирования напряжений (аналогового сумматора). Для каждого триггера предусматривается отдельный вход в сумматоре с коэффициентом передачи

K_i=R_ос/R_вхi=Rос/(R*2^n-i)=Rос2* ^-n-i/R

Таким образом, напряжение с выхода триггера n-го разряда передается на выход усилителя с коэффициентом передачи: К_oc=R_oc/R, этот коэффициент для (п - 1)-го разряда

К_n-1 =2^-1 R_oc/R для (п - 2) -го разряда К_n-2 =2^-2 R_oc/R и т.д.

Обратим внимание на то, что коэффициенты передачи усилителя с отдельных его входов находятся в том же соотношении, что и весовые коэффициенты соответствующих разрядов двоичного числа. Так, К_п в два раза больше К_n-1 и весовой коэффициент n-го разряда в два раза больше весового коэффициента (п-1) -го разряда: Следовательно, напряжения, передаваемые на выход усилителя с выходов триггеров отдельных разрядов, находящихся в состоянии 1, пропорциональны весовым коэффициентам разрядов. Если в состоянии 1 находятся одновременно триггеры нескольких разрядов, то напряжение на выходе усилителя равно сумме напряжений, передаваемых на этот выход от отдельных разрядов двоичного числа в регистре: а_n, а_п-1,..., а₁). Тогда напряжение на выходе усилителя

Здесь N -- десятичное значение двоичного числа, введенного в регистр. Из последнего выражения видно, что напряжение на выходе ЦАП пропорционально числу в регистре.

Рассмотрим работу ЦАП в случае, когда на триггерах 1....п построен двоичный счетчик. Если подать на вход этого счетчика последовательность импульсов, то с приходом каждого очередного импульса число в счетчике будет увеличиваться на единицу и напряжение на выходе ЦАП будет возрастать на ступеньку, соответствующую единице младшего разряда счетчика. Таким образом, напряжение на выходе ЦАП будет иметь ступенчатую форму, как показано на рис.3.

Рис. 3

После поступления 2ⁿ - 1 импульсов все разряды счетчика будут содержать 1, на выходе ЦАП образуется максимальное напряжение

При большом числе разрядов 2>> 2(n-1) и U_вых max = 2ERос/ R

Далее очередным импульсом счетчик будет сброшен в нулевое со- стояние, нулевым будет и выходное напряжение ЦАП. После этого счетчик начинает счет импульсов сначала, и на выходе ЦАП вновь формируется напряжение ступенчатой формы.

Суммарная абсолютная погрешность преобразования должна быть меньше выходного напряжения, соответствующего единице младшего разряда входного двоичного числа:

Отсюда можно получить условие для относительной погрешности:

З = ДUвых/Uвыхmax<2^-(n-1)/(2-2^-(n-1))=2^-n

Недостатки рассмотренной схемы преобразователя:

- используются высокоточные резисторы с различными значениями сопротивления;

- трудно обеспечить высокую точность выходного напряжения триггеров.

Схема ЦАП с суммированием токов

На рис. 4 показан еще один вариант схемы ЦАП -- схема с суммированием токов в резисторной матрице. Вместо источника стабильного напряжения Е в данной схеме используются источники стабильного тока I. Если триггер находится в состоянии 1, ток I источника через открытый ключ втекает в резисторную матрицу, если триггер в состоянии 0, то открывается другой ключ, который замыкает источник. На рис. 5,а показана схема, соответствующая числу 1000₂. Путем преобразования она приводится к эквивалентным схемам на рис. 20.4,6 и в, откуда следует U_А4=U_вых=2/ЗR1. Такое же напряжение образуется в любой из точек А₁, А₂ ,А₃ ,А₄, если соответствующий разряд регистра содержит 1. При передаче напряжения между этими точками напряжение делится на два и, следовательно, выходное напряжение

Рис. 4 Рис. 5

Аналого-цифровые преобразователи

По своей структуре схемы АЦП делятся на два типа: схемы, содержащие цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), и схемы, не содержащие ЦАП.

АЦП с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал

Схема преобразователя данного типа приведена на рис. 6,а, временные диаграммы, иллюстрирующие процессы в преобразователе, -- на рис. 6,6. В схеме этого типа ЦАП не используется. Рассмотрим работу преобразователя. Очередным тактовым импульсом счетчик сбрасывается в нулевое состояние и одновременно запускается генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Выходное напряжение ГЛИН поступает на входы компараторов К1 и К2, на другие входы которых подаются соответственно нулевое напряжение и подлежащее преобразованию в числовую форму напряжение Uвх на входе схемы (Вх). В момент времени, когда линейно изменяющееся напряжение, нарастая от небольших отрицательных значений, проходит нулевое значение, выдает импульс первый компаратор. Этим импульсом триггер устанавливается в состояние 1. В момент, когда линейно изменяющееся напряжение достигает значения Uвх, выдается импульс вторым компаратором. Этим импульсом триггер возвращается в состояние 0.

Рис. 6

Время Т, в течение которого триггер находится в состоянии 1, пропорционально входному напряжению. Таким образом, входное напряжение преобразуется во временной интервал, длительность которого пропорциональна значению входного напряжения.

В течение времени Т с выхода триггера подается высокое напряжение на вход элемента И, и импульсы генератора импульсной последовательности (ГИП) проходят через элемент на вход счетчика (Сч). Очевидно, устанавливающееся в счетчике число пропорционально T, а, следовательно, и U_вх.

Для получения нового отсчета напряжения следует вновь подать импульс запуска. Таким образом, импульсы запуска должны следовать с частотой дискретизации входного напряжения. Покажем, как определяются параметры элементов преобразователя.

По заданной относительной погрешности з преобразователя определяется максимальное число N_max до которого счетчик должен производить счет: М_тах= 1/з. Число разрядов счетчика находится как минимальное п, удовлетворяющее неравенству Nтах <2 ⁿ.

Процесс преобразования значения Ц_вх в число занимает время Т, пропорциональное Ц_вх. Максимальное значение Т_мах называется временем преобразования;

Т_пр=Т_мах= ф N_max=N_max/F

где ф и Р-- соответственно период и частота генератора импульсов. Отсюда

F= N_max/ Т_пр

Аналого-цифровой преобразователь последовательного счета

Структурная схема преобразователя данного типа приведена на рис 7.

Тактовым импульсом (ТИ) счетчик (Сч) сбрасывается в нулевое состояние. Нулевое напряжение Uцап=0 возникает на выходе ЦАП, преобразующего числа в счетчике в пропорциональное напряжение. Устанавливается неравенство U_вх>U_цап, при котором компаратор (К) подает на вход элемента И уровень лог. 1. При этом импульсы генератора импульсной последовательности (ГИ) проходят через элемент И на вход счетчика. Каждый поступивший на вход счетчика импульс вызывает увеличение на единицу хранившегося в нем числа, на одну элементарную ступеньку возрастает напряжение на выходе ЦАП. Таким образом, напряжение U_цап растет по ступенчатому закону, как показано на рис. 7,6. В момент времени, когда U_цап достигает значения, превышающего U_вх компаратор выдает уровень лог. 0, и в дальнейшем прекращается доступ импульсов генератора в счетчик. Полученное к этому моменту времени в счетчике число пропорционально напряжению U_вх.

Рис. 7

Из-за того, что в АЦП рассматриваемого типа не используется генератор линейно изменяющегося напряжения, его аппаратурные погрешности меньше, чем могут быть в АЦП с промежуточным преобразованием.

Контрольные вопросы:

1. Что вы понимаете в дискретизации непрерывных сигналов?

2. Опишите квантования и кодирования

3. Расскажите про цифровых и аналоговых преобразователей

4. Что такое схема ЦАП обоснованный сложение напряжение?

5. Что такое сигнал из информационного источника?

6. Опешите электрического сигнала и фильтрация помехов

7. Что такое тактовый интервал времени?

Лекция 6. Материнская плата персонального компьютера

План

1. Системная плата

2. Процессор и модули памяти

3. Структурные части системной платы.

4. Совокупность системно логических микросхем.

Ключевые слова и термины: motherboard, main board, system board, North/South Bridge или структурные части Hub), ROM BIOS, SIMM/DIMM/RIMM, PCI/AGP, Audio Modem Riser, Communications and Networking Riser, напряжения для центральной процессора.

Важнейшим узлом компьютера является системная плата (system board), иногда называемая материнской (motherboard), основной или главной платой (main board). В этой главе рассматриваются типы системных плат и их компоненты. Системные платы выпускаются в нескольких вариантах. Они отличаются размерами, или формфакторами. Формфактор системной платы определяет тип корпуса, в котором ее можно установить. Ниже перечислены основные формфакторы системных плат.

Устаревшие:

· Baby-AT;

· полноразмерная плата AT;

· LPX.

Современные:

· ATX;

· Micro-ATX;

· Flex-ATX;

· NLX;

· WTX.

Другие:

· производителей компьютеров (Compaq, Packard Bell, Hewlett-Packard и др.).

В последнее время наметился переход от системных плат формфакторов Baby-AT, AT и LPX к платам ATX и ее семейству NLX. Далее в этом разделе описываются стандартные формфакторы системных плат.

ATX

Конструкция ATX была разработана сравнительно недавно. В ней сочетаются наилучшие черты стандартов Baby-AT и LPX и заложены многие дополнительные усовершенствования. По существу, ATX-- это “лежащая на боку” плата Baby-AT с измененным разъемом и местоположением источника питания. Главное, что необходимо запомнить, -- конструкция ATX физически несовместима ни с

Baby-AT, ни с LPX. Другими словами, для системной платы ATX нужен особый корпус и источник питания. Официально спецификация ATX была опубликована фирмой Intel в июле 1995 года, и поэтому другие производители могут использовать конструкцию ATX в своих компьютерах. Такой открытой публикацией Intel фактически создала новый промышленный стандарт ATX. Конструкция ATX позволила усовершенствовать стандарты Baby-AT и LPX.

Наличие встроенной двойной панели разъемов ввода-вывода. На тыльной стороне системной платы есть область с разъемами ввода-вывода шириной 6,25 и высотой 1,75 дюйма. Это позволяет расположить внешние разъемы непосредственно на плате и исключает необходимость использования кабелей, соединяющих внутренние разъемы и заднюю панель корпуса, как в конструкции Baby-AT.

Наличие одноключевого внутреннего разъема источника питания. Это упрощает замену разъемов на источнике питания типа Baby-AT. Спецификация ATX содержит одноключевой разъем источника питания, который легко вставляется и который невозможно установить неправильно. Этот разъем имеет контакты для подвода к системной плате напряжения 3,3 В, а это означает, что для системной платы ATX не нужны встроенные преобразователи напряжения, которые часто выходят из строя.

Перемещение процессора и модулей памяти. Изменены места расположения этих устройств: теперь они не мешают платам расширения, и их легко заменить новыми, не вынимая при этом ни одного из установленных адаптеров. Процессор и модули памяти расположены рядом с источником питания и обдуваются одним вентилятором, что позволяет обойтись без специального вентилятора для процессора, который не всегда эффективен и часто склонен к поломкам. Есть также место и для большого пассивного теплоотвода.

Более удачное расположение внутренних разъемов ввода-вывода. Эти разъемы для накопителей на гибких и жестких дисках смещены и находятся не под разъемами расширения или самими накопителями, а рядом с ними. Поэтому можно уменьшить длину внутренних кабелей к накопителям, а для доступа к разъемам не нужно убирать одну из плат или накопитель.

Улучшение охлаждения. Процессор и модули памяти охлаждаются тем же вентилятором, что и источник питания. Кроме того, в конструкции ATX вентилятор источника питания направляет поток воздуха внутрь корпуса, увеличивая в нем давление и препятствуя проникновению пыли и грязи. Вы можете установить фильтр и сделать компьютер еще более защищенным.

Снижение стоимости. Конструкция ATX не требует наличия гнезд кабелей к разъемам внешних портов, встречающихся на системных платах Baby-AT, дополнительного вентилятора для процессора и 3,3-вольтного стабилизатора на системной плате. В этой конструкции используется один-единственный разъем питания. Кроме того, вы можете укоротить внутренние кабели дисковых накопителей. Все это существенно уменьшает стоимость не только системной платы, но и всего компьютера, включая корпус и источник питания.

На рис.1 показаны особенности конструкции компьютера с платой ATX. Системная плата не прикрывается дисковыми накопителями, что обеспечивает свободный доступ к таким деталям, как процессор, память и внутренние разъемы, которые, со своей стороны, не мешают доступу к разъемам шины. Обратите внимание также на ориентацию источника питания и его единственный вентилятор, который направляет воздушный поток на самые тепловыделяющие элементы-- процессор и модули памяти.

Рис. 1. Схема и особенности конструкции компьютера ATX

Компоненты системной платы

В современную системную плату встроены такие компоненты, как гнезда процессоров, разъемы и микросхемы. Самые современные системные платы содержат следующие компоенты:

· гнездо для процессора;

· набор микросхем системной логики (компоненты North/South Bridge или Hub);

· микросхема Super I/O;

· базовая система ввода-вывода (ROM BIOS);

· гнезда модулей памяти SIMM/DIMM/RIMM;

· разъемы шин /PCI/AGP;

· разъем AMR (Audio Modem Riser);

· разъем CNR (Communications and Networking Riser);

· преобразователь напряжения для центрального процессора;

· батарея.

Гнезда для процессоров

Процессоры можно устанавливать в гнезда типа Socket или Slot. Процессоры, разрабатываемые фирмой Intel (начиная с 486-го), пользователь может устанавливать и заменять самостоятельно. Были разработаны стандарты для гнезд типа Socket, в которые можно установить различные модели конкретного процессора. Каждый тип гнезда Socket или Slot имеет свой номер. Любая системная плата содержит гнездо типа Socket или типа Slot; по номеру можно точно определить, какие типы процессоров могут быть установлены в данное гнездо. Более подробно гнезда процессоров описываются в главе “микропроцессоры для ПК”

В табл.1 указаны микросхемы, которые можно установить в различные гнезда типа Socket или Slot.

Таблица 1

Технические данные для гнезд процессоров

Наборы микросхем системной логики

Чтобы заставить компьютер работать, на первые системные платы IBM PC пришлось установить много микросхем. Кроме процессора, на системную плату было установлено множество других компонентов: генератор тактовой частоты, контроллер шины, системный таймер, контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти, память CMOS, часы и контроллер клавиатуры. Наконец, чтобы обеспечить работу установленных компонентов, понадобился еще ряд микросхем, а также процессор, математический сопроцессор (модуль для выполнения операций над числами с плавающей запятой) и память.

Большинство системных плат в настоящее время имеют набор микросхем системной логики, разработанный Intel. На сегодняшний день у этой компании немного конкурентов на рынке наборов микросхем системной логики. Среди них можно назвать такие, как ALi (Acer Laboratories, Inc.), VIA Technologies и SiS (Silicon integrated Systems). Благодаря появлению процессоров Athlon/Duron многие из этих компаний значительно увеличили объемы производства.

Большинство наборов микросхем системной логики фирмы Intel (и ее конкурентов) имеют двухуровневую архитектуру и состоят из двух блоков: North Bridge и South Bridge. Основным блоком набора микросхем системной логики является North Bridge, в него включен интерфейс между процессором и остальной частью системной платы. North Bridge содержит контроллеры кэш-памяти и оперативной памяти, интерфейс между быстродействующей шиной процессора (33, 50, 66 или 100 МГц), шиной PCI (Peripheral Component Interconnect, 33 МГц) и шиной ускоренного графического порта AGP (Accelerated Graphics Port, 66 МГц). North Bridge в более современных наборах микросхем системной логики Intel часто называет PAC (PCI/AGP Controller). North Bridge, по существу, главный компонент системной платы; это единственная схема (помимо процессора), которая обычно работает на полной тактовой частоте системной платы (на частоте шины процессора). В самых современных наборах микросхем системной логики схема North Bridge реализована на одном кристалле -- раньше требовалось до трех микросхем для реализации схемы North Bridge. South Bridge -- компонент в наборе микросхем системной логики с более низким быстродействием; он всегда находился на отдельной микросхеме. Одна и та же микросхема South Bridge может использоваться в различных наборах микросхем системной логики. (Различные типы схем North Bridge, как правило, разрабатываются с учетом того, чтобы мог использоваться один и тот же компонент South Bridge.) Благодаря модульной конструкции набора микросхем системной логики стало возможным снизить стоимость и расширить поле деятельности для изготовителей системных плат. South Bridge подключается к шине PCI (33 МГц) и содержит интерфейс шины ISA (8 МГц). Кроме того, обычно она содержит две схемы, реализующие интерфейс контроллера жесткого диска IDE и интерфейс USB (Universal Serial Bus -- универсальная последовательная шина), а также схемы, реализующие функции памяти CMOS и часов. South Bridge содержит также все компоненты, необходимые для шины ISA, включая контроллер прямого доступа к памяти и контроллер прерываний.

HUB архитектура

В новой, 800-й, серии набора микросхем используется hub-архитектура, где компонент North Bridge называется Memory Controller Hub (MCH), а компонент South Bridge -- I/O Controller Hub (ICH). Эти компоненты соединяются с помощью нового интерфейса, работающего по схеме 4Ч66 МГц, что практически вдвое превосходит полосу пропускания шины PCI. А самое главное, что при этом не перегружается шина PCI, а следовательно, подключенные к ней устройства работают быстрее. При такой архитектуре скорость передачи данных между компонентами набора микросхем достигает 266 Мбайт/с. В наборе микросхем серии 820 компонент MCH является частью микросхемы 82820, а компонент ICH -- 80801AA. Разгрузка шины PCI позволила подключать устройства непосредственно к компоненту I/O Controller Hub новые высокоскоростные устройства, удовлетворяющие спецификациям ATA- 66, ATA-100 и USB 2.0. Hub-архитектура также позволила уменьшить число контактов интерфейса до 8 бит. На первый взгляд это кажется неразумным (интерфейс шины PCI 32- разрядный), но таким образом упрощается разводка системной платы, снижаются помехи, а кроме того, микросхемы имеют меньшее число выводов. Уменьшение разрядности интерфейса не привело к потере производительности, наоборот -- скорость передачи данных выросла до 266 Мбайт/с (при частоте 66 МГц). Это объясняется тем, что за один цикл данные передаются четыре раза (для сравнения: в 32-разрядной шине PCI, работающей на частоте

33 МГц, скорость передачи данных достигает 133 Мбайт/с). Компонент MCH обеспечивает передачу данных между шиной процессора (100/133 МГц) и шиной AGP (66 МГц), а компонент ICH -- между портами IDE ATA-66 и шиной PCI (33 МГц).

Базовая система ввода-вывода

Во всех системных платах есть микросхема, в которой записано программное обеспечение, называемое BIOS или ROM BIOS. Эта микросхема содержит стартовые программы и драйверы, необходимые для запуска системы и функционирования основного аппаратного обеспечения. В ней также содержится процедура POST (самотестирование при включении питания) и данные системной конфигурации. Все эти параметры записаны в CMOS-память, которая питается от батарейки, установленной на системной плате. Эту CMOS-память часто называют NVRAM (Non-Volatile RAM).

Таким образом, BIOS представляет собой комплект программ, хранящихся в одной или нескольких микросхемах. Эти программы выполняются при запуске компьютера до загрузки операционной системы. BIOS в большинстве PC-совместимых компьютеров выполняет четыре основные функции.

· POST -- самотестирование при включении питания процессора, памяти, набора микросхем системной логики, видеоадаптера, контроллеров диска, дисковода, клавиатуры и других жизненно важных компонентов системы.

· Программа установки параметров BIOS (Setup BIOS)-- конфигурирование параметров системы. Эта программа запускается при нажатии определенной клавиши (или комбинации клавиш) во время выполнения процедуры POST. В старых компьютерах на базе процессоров 286 и 386 для запуска этой программы необходима специальная дискета.

· Начальный загрузчик системы -- выполнение поиска главного загрузочного сектора на дисковых устройствах. Если последних два байта этого сектора (его сигнатура) равны 55AAh, данный код выполняется.

· BIOS -- набор драйверов, предназначенных для взаимодействия операционной системы и аппаратного обеспечения при загрузке системы. При запуске DOS или Windows в режиме защиты от сбоев используются драйверы устройств только из BIOS.

Прерывания

Каналы запросов прерывания (IRQ), или аппаратные прерывания, используются различными устройствами для сообщения системной плате (процессору) о необходимости обработки определенного запроса. Каналы прерываний представляют собой проводники на системной плате и соответствующие контакты в разъемах. После получения IRQ компьютер приступает к выполнению специальной процедуры его обработки, первым шагом которой является сохранение в стеке содержимого регистров процессора. Затем происходит обращение к таблице векторов прерываний, в которой содержится список адресов памяти, соответствующих определенным номерам (каналам) прерываний. В зависимости от номера полученного прерывания запускается программа, относящаяся к данному каналу. Указатели в таблице векторов определяют адреса памяти, по которым записаны программы драйверы для обслуживания платы, пославшей запрос. Например, для сетевой платы вектор прерывания содержит адрес сетевых драйверов, предназначенных для работы с ней; для контроллера жесткого диска вектор указывает на программный код BIOS, обслуживающий контроллер. После выполнения необходимых действий по обслуживанию устройства, пославшего запрос, процедура обработки прерывания восстанавливает содержимое регистров процессора (извлекая его из стека) и возвращает управление компьютером той программе, которая выполнялась до возникновения прерывания.

Благодаря прерываниям компьютер может своевременно реагировать на внешние события. Например, всякий раз, когда с последовательного порта в систему поступает новый байт, вырабатывается IRQ.

Аппаратные прерывания имеют иерархию приоритетов: чем меньше номер прерывания, тем выше приоритет. Прерывания с более высоким приоритетом обладают преимуществом и могут “прерывать прерывания”. В результате в компьютере может возникнуть несколько “вложенных” прерываний.

При генерации большого количества прерываний стек может переполниться и компьютер зависнет.

Внешние аппаратные прерывания часто называются маскируемыми прерываниями, т.е. их можно отключить (“замаскировать”) на время, пока процессор выполняет другие критические операции.

Каналы прямого доступа к памяти

Каналы прямого доступа к памяти (DMA) используются устройствами, осуществляющими высокоскоростной обмен данными. Последовательный и параллельный порты, например, не используют DMA, в отличие от звуковой платы или адаптера SCSI. Один канал DMA может использоваться разными устройствами, но не одновременно. Например, канал DMA 1 может использоваться как сетевым адаптером, так и накопителем на магнитной ленте, но вы не сможете записывать информацию на ленту при работе в сети. Для этого каждому адаптеру необходимо выделить свой канал DMA.

Контрольные вопросы:

1. Какую задачу выполняет системная плата?

2. Опешите процессора и модулей памяти.

3. Что входит к структурным частям системной платы?

4. Что такое структурные части Hub?

5. Дайте описания к напряжении для центральной процессора.

6. Что такое перемещение процессора и модулей памяти?

7. Что такое наличие одно ключевого внутреннего разъема источника питания?

8. Что такое наличие встроенной двойной панели разъемов ввода-вывода?

9. Каких производителей материнской платы вы знаете?

10. Расскажите про компонентов системной платы

Лекция 7: Микропроцессоры для ПК

План

1. Основные параметры процессоров

2. Шина данных и шина адресов

3. КЕШ память

4. Процессоры Pentium

Ключевые слова и термины: CPU (Central Processing Unit), микропроцессор, сопроцессоры, тактовый частота, период частоты, частоты системной платы, процедуры конфигурирования плати, понятие шин данных и адреса, КЕШ память.

“Мозгом” персонального компьютера является микропроцессор, или центральный процессор -- CPU (Central Processing Unit). Микропроцессор выполняет вычисления и обработку данных (за исключением некоторых математических операций, осуществляемых в компьютерах, имеющих сопроцессор) и, как правило, является самой дорогостоящей микросхемой компьютера.

Во всех PC-совместимых компьютерах используются процессоры, совместимые с семейством микросхем Intel, но выпускаются и проектируются они как самой фирмой Intel, так и компаниями AMD, Cyrix, IDT и Rise Technologies.

В настоящее время Intel доминирует на рынке процессоров. Однако в конце 70-х годов лидерами на этом рынке были фирмы Zilog (модель Z-80) и MOS Technology (модель 6502).

Процессор Z-80 был улучшенной и недорогой копией процессора Intel 8080.

Звездный час фирм Intel и Microsoft наступил в 1981 году, когда IBM выпустила первый персональный компьютер IBM PC с процессором Intel 8088 (4,77 МГц) и операционной системой Microsoft Disk Operating System (DOS) версии 1.0. С этого момента практически во все персональные компьютеры устанавливаются процессоры фирмы Intel и операционные системы Microsoft.

Основные параметры процессоров

Быстродействие -- это одна из характеристик процессора, которую зачастую толкуют по-разному. В этом разделе вы узнаете о быстродействии процессоров вообще и процессоров Intel в частности.

Быстродействие компьютера во многом зависит от тактовой частоты, обычно измеряемой в мегагерцах (МГц). Она определяется параметрами кварцевого резонатора, представляющего собой кристалл кварца, заключенный в небольшой оловянный контейнер. Под воздействием электрического напряжения в кристалле кварца возникают колебания электрического тока с частотой, определяемой формой и размером кристалла. Частота этого переменного тока и называется тактовой частотой. Микросхемы обычного компьютера работают на частоте нескольких миллионов герц. (Герц -- одно колебание в секунду.) Быстродействие измеряется в мегагерцах, т.е. в миллионах циклов в секунду. На рис.1 показан график синусоидального сигнала.

Наименьшей единицей измерения времени (квантом) для процессора как логического устройства является период тактовой частоты, или просто такт. На каждую операцию затрачивается минимум один такт.



Рис. 1. Графическое представление понятия тактовая частота

Например, обмен данными с памятью процессор Pentium II выполняет за три такта плюс несколько циклов ожидания. (Цикл ожидания -- это такт, в котором ничего не происходит; он необходим только для того, чтобы процессор не “убегал” вперед от менее быстродействующих узлов компьютера)

Время, затрачиваемое на выполнение команд, также непостоянно. В процессорах 8086 и 8088 на выполнение одной команды уходит около 12 тактов. В процессорах 286 и 386 этот показатель уменьшился в среднем до 4,5 тактов на операцию, а в 486 -- до 2 тактов. Использование в процессоре Pentium двух параллельных конвейеров и других ухищрений позволило сократить время выполнения среднестатистической команды до одного такта. В процессорах Pentium Pro, Pentium II/III, Celeron и Xeon, а также Athlon/Duron за один такт выполняется как минимум три команды.

Различное количество тактов, необходимых для выполнения команд, затрудняет сравнение производительности компьютеров, основанное только на их тактовой частоте (т.е. количестве тактов в секунду). Почему при одной и той же тактовой частоте один из процессоров работает быстрее, чем другой? Причина кроется в производительности.

Процессор 486 обладает более высоким быстродействием по сравнению с 386-м, так как на выполнение команды ему требуется в среднем в два раза меньше тактов, чем 386-му. А процессору Pentium-- в два раза меньше тактов, чем 486-му. Таким образом, процессор 486 с тактовой частотой 133 МГц (типа AMD 5x86-133) работает даже медленнее, чем Pentium с тактовой частотой 75 МГц! Это происходит потому, что при одной и той же частоте Pentium выполняет вдвое больше команд, чем процессор 486. Pentium II и Pentium III-- приблизительно на 50% быстрее процессора Pentium, работающего на той же частоте, потому что они могут выполнять значительно больше команд в течение того же количества циклов.

Сравнивая относительную эффективность процессоров, можно увидеть, что производительность процессора Pentium III, работающего на тактовой частоте 1 000 МГц, теоретически равна производительности процессора Pentium, работающего на тактовой частоте 1 500 МГц, которая, в свою очередь, теоретически равна производительности процессора 486, работающего на тактовой частоте 3 000 МГц, а она, в свою очередь, теоретически равна производительности процессоров 386 или 286, работающих на тактовой частоте 6 000 МГц, или же 8088-го, работающего на тактовой частоте 12 000 МГц. Если учесть, что первоначальный PC с процессором 8088 работал на тактовой частоте, равной всего лишь 4,77 МГц, то сегодняшние компьютеры более чем в 1,5 тыс. Раз быстрее по сравнению с ним. Поэтому нельзя сравнивать производительность компьютеров, основываясь только на тактовой частоте; необходимо принимать во внимание тот факт, что на эффективность системы влияют и другие факторы.

Тактовая частота процессора и маркировка тактовой частоты системной платы:

Почти все современные процессоры, начиная с 486DX2, работают на тактовой частоте, которая равна произведению некоторого множителя на тактовую частоту системной платы. Например, процессор Celeron 600 работает на тактовой частоте, в девять раз превышающей тактовую частоту системной платы (66 МГц), а Pentium III 1000 -- на тактовой частоте, в семь с половиной раз превышающей тактовую частоту системной платы (133 МГц). Большинство системных плат работали на тактовой частоте 66 МГц; именно такую частоту поддерживали все процессоры Intel до начала 1998 года, и только недавно эта фирма разработала процессоры и наборы микросхем системной логики, которые могут работать на системных платах, рассчитанных на 100 МГц. Некоторые процессоры фирмы Cyrix разработаны для системных плат, рассчитанных на 75 МГц, и многие системные платы, предназначенные для Pentium, также могут работать на этой частоте. Обычно тактовую частоту системной платы и множитель можно установить с помощью перемычек или других процедур конфигурирования системной платы (например, с помощью выбора соответствующих значений в программе установки параметров BIOS).

В конце 1999 года стали появляться системные платы, рассчитанные на частоту 133 Мгц. Эти платы поддерживали все современные модели процессоров Pentium III. В это же время фирма AMD выпустила процессор Athlon и системные платы, поддерживающие частоту 100 МГц, но с удвоенным коэффициентом (т.е. частота 200 МГц) передачи данных между процессором и частью набора микросхем North Bridge.

В современных компьютерах используется генератор переменной частоты, обычно расположенный на системной плате; он генерирует опорную частоту для системной платы и процессора. На большинстве системных плат процессоров Pentium можно установить одно из трех или четырех значений тактовой частоты. Сегодня выпускается множество версий процессоров, работающих на различных частотах, в зависимости от тактовой частоты конкретной системной платы. Например, быстродействие большинства процессоров Pentium в несколько раз превышает быстродействие системной платы.

Шины данных и шины адреса

Одной из самых общих характеристик процессора является разрядность его шины данных и шины адреса. Шина -- это набор соединений, по которым передаются различные сигналы. Представьте себе пару проводов, проложенных из одного конца здания в другой. Если вы подсоедините к этим проводам генератор напряжения в 220 В, а вдоль линии расставите розетки, то получится шина. Независимо от того, в какую розетку будет вставлена вилка, вы всегда получите один и тот же сигнал, в данном случае -- 220В переменного тока. Любую линию передачи (или среду для передачи сигналов), имеющую более одного вывода, можно назвать шиной. В обычном компьютере есть несколько внутренних и внешних шин, а в каждом процессоре -- две основные шины для передачи данных и адресов памяти: шина данных и шина адреса.

Когда говорят о шине процессора, чаще всего имеют в виду шину данных, представленную как набор соединений (или выводов) для передачи или приема данных. Чем больше сигналов одновременно поступает на шину, тем больше данных передается по ней за определенный интервал времени и тем быстрее она работает. Разрядность шины данных подобна количеству полос движения на скоростной автомагистрали; точно так же, как увеличение количества полос позволяет увеличить поток машин по трассе, увеличение разрядности позволяет повысить производительность.

Данные в компьютере передаются в виде цифр через одинаковые промежутки времени. Для передачи единичного бита данных в определенный временной интервал посылается сигнал напряжения высокого уровня (около 5 В), а для передачи нулевого бита данных-- сигнал напряжения низкого уровня (около 0 В). Чем больше линий, тем больше битов можно передать за одно и то же время. В процессорах 286 и 386SX для передачи и приема двоичных данных используется 16 соединений, поэтому у них шина данных считается 16-разрядной. У 32-разрядного процессора, например 486 или 386DX, таких соединений вдвое больше, поэтому за единицу времени он передает вдвое больше данных, чем 16-разрядный. Современные процессоры типа Pentium имеют 64-разрядные внешние шины данных. Это означает, что процессоры Pentium, включая оригинальный Pentium, Pentium Pro и Pentium II, могут передавать в системную память (или получать из нее) одновременно 64 бита данных.

Представим себе, что шина -- это автомагистраль с движущимися по ней автомобилями. Если автомагистраль имеет всего по одной полосе движения в каждую сторону, то по ней в одном направлении в определенный момент времени может проехать только одна машина. Если вы хотите увеличить пропускную способность дороги, например, вдвое, вам придется ее расширить, добавив еще по одной полосе движения в каждом направлении. Таким образом, 8-разрядную микросхему можно представить в виде однополосной автомагистрали, поскольку в каждый момент времени по ней проходит только один байт данных (один байт равен восьми битам). Аналогично, 32-разрядная шина данных может передавать одновременно четыре байта информации, а 64-разрядная подобна скоростной автостраде с восемью полосами движения! Автомагистраль характеризуется количеством полос движения, а процессор -- разрядностью его шины данных. Если в руководстве или техническом описании говорится о 32- или 64-разрядном компьютере, то обычно имеется в виду разрядность шины данных процессора. По ней можно приблизительно оценить производительность процессора, а значит, и всего компьютера. Разрядность шины данных процессора определяет также разрядность банка памяти. Это означает, что 32-разрядный процессор, например класса 486, считывает из памяти или записывает в память 32 бита одновременно. Процессоры класса Pentium, включая Pentium III и Celeron, считывают из памяти или записывают в память 64 бита одновременно. Поскольку стандартные 72-контактные модули памяти SIMM имеют разрядность, равную всего лишь 32, в большинстве систем класса 486 устанавливают по одному модулю, а в большинстве систем класса Pentium-- по два модуля одновременно. Разрядность модулей памяти DIMM равна 64, поэтому в системах класса Pentium устанавливают по одному модулю, что облегчает процесс конфигурирования системы, так как эти модули можно устанавливать или удалять по одному. Каждый модуль DIMM имеет такую же производительность, как и целый банк памяти в системах Pentium.