Магистрально-модульный принцип построения компьютера. Презентация на тему "магистрально-модульный принцип построения компьютера"

Cлайд 1

Cлайд 2

Cлайд 3

Cлайд 4

Cлайд 5

Cлайд 6

Cлайд 7

МАГИСТРАЛЬНО-МОДУЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА Информационная магистраль (шина) Устройства вводаУстройства выводаДолговременная память В основу архитектуры современных ПК положен магистрально-модульный принцип: построение компьютера из функциональных блоков, взаимодействующих посредством общего канала (каналов) – шины. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. Шина данных (8, 16, 32, 64 бита) Шина адреса (16, 20, 24, 32, 36, 64 бита) Шина управления Контроллеры Оперативная память Процессор Контроллеры

МАГИСТРАЛЬНО-МОДУЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА Информационная магистраль (шина) Устройства вводаУстройства выводаДолговременная память Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т.е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. Шина данных (8, 16, 32, 64 бита) Шина адреса (16, 20, 24, 32, 36, 64 бита) Шина управления Контроллеры Оперативная память Процессор Контроллеры

МАГИСТРАЛЬНО-МОДУЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА Информационная магистраль (шина) Устройства вводаУстройства выводаДолговременная память Шина адреса. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине от процессора к оперативной памяти и устройствам. Разрядность шины адреса определяется объемом адресуемой памяти. Количество адресуемых ячеек можно рассчитать по формуле: N = 2 I, где I – разрядность шины адреса. N = 2 64 ячеек. Шина данных (8, 16, 32, 64 бита) Шина адреса (16, 20, 24, 32, 36, 64 бита) Шина управления Контроллеры Оперативная память Процессор Контроллеры

МАГИСТРАЛЬНО-МОДУЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА Информационная магистраль (шина) Устройства вводаУстройства выводаДолговременная память Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию – считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д. Шина данных (8, 16, 32, 64 бита) Шина адреса (16, 20, 24, 32, 36, 64 бита) Шина управления Контроллеры Оперативная память Процессор Контроллеры

ЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА СИСТЕМНОЙ ПЛАТЫ Северный мост Процессор Южный мост Оперативная память Шина памяти PCI Express AGP Монитор Проектор Видеоплата SATA PATA Жесткие диски CD-дисководы DVD-дисководы USB PCI Сетевая карта Внутренний модем Сетевой адаптер Wi-Fi Звуковая плата Принтер Сканер Цифровая камера Web-камера Модем PS/2 Клавиатура Мышь Цифровые видеокамеры IEEE 1394 Звуковая микросхема Микрофон Колонки Наушники

ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ Быстродействие устройства зависит от тактовой частоты тактового генератора (измеряется в МГц) и разрядности, т.е. количества битов данных, которое устройство может обработать или передать одновременно (измеряется в битах). Дополнительно в устройствах используется внутреннее умножение частоты с разными коэффициентами. Пропускная способность шины данных (измеряется в бит/с) равна произведению разрядности шины (измеряется в битах) и частоты шины (измеряется в Гц = 1/с). Пропускная способность шины = Разрядность шины × Частота шины

СЕВЕРНЫЙ И ЮЖНЫЙ МОСТ Для согласования тактовой частоты и разрядности устройств на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (их набор называется чипсетом), включающие в себя контроллер оперативной памяти и видеопамяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост)

ЧАСТОТА ПРОЦЕССОРА Северный мост обеспечивает обмен данными с процессором, оперативной памятью и видеопамятью. Частота процессора в несколько раз больше, чем базовая частота магистрали (шина FSB – от англ. FrontSide Bus). Если частота шины FSB равна 266 МГц, коэффициент умножения частоты 14, то частота процессора будет равна: 266 МГц × 14 3,7 ГГц

СИСТЕМНАЯ ШИНА Между северным мостом и процессором данные передаются по системной шине с частотой, в четыре раза больше частоты шины FSB, т.е. процессор может получать и передавать данные с частотой 266 МГц × 4 = 1064 МГц. Так как разрядность системной шины равна разрядности процессора (64 бит), то пропускная способность системной шины равна: 64 Бит × 1064 МГц = Мбит/с 66 Гбит/с 8 Гбайт/с

ШИНА ПАМЯТИ Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится по шине памяти, частота которой может быть меньше, чем частота шины процессора. Если частота шины памяти равна 533 МГц, а разрядность шины памяти, равная разрядности процессора, составляет 64 бита, то пропускная способность шины памяти равна: 64 Бит × 533 МГц = Мбит/с 33 Гбит/с 4 Гбайт/с

ШИНЫ AGP И PCI Express Для подключения видеоплаты к северному мосту используется 32-битная шина AGP (Accelerated Graphic Port) с частотой 66 МГц или шина AGP×8, частота которой равна 66 МГц × 8 = 528 МГц. Пропускная способность шины видеоданных AGP×8 составляет: 32 Бит × 528 МГц = Мбит/с 16,5 Гбит/с 2 Гбайт/с. Более высокую пропускную способность имеет шина PCI Express - ускоренная шина взаимодействия периферийных устройств. К видеоплате с помощью аналогового разъема VGA или цифрового разъема DVI подключается монитор или проектор. AGP×8

ШИНА PCI Шина PCI (шина взаимодействия периферийных устройств) обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств (сетевая карта, встроенный модем, сетевой адаптер Wi-Fi), которые устанавливаются в слоты расширения системной платы. Разрядность шины PCI может составлять 32 бита или 64 бита, а частота 33 МГц или 66 МГц. Максимальная пропускная способность шины PCI составляет: 64 Бит × 66 МГц = 4224 Мбит/с = 528 Мбайт/с.

ШИНА ATA По шине АТА к южному мосту подключаются устройства внешней памяти (жесткие диски, CD- и DVD-дисководы). Скорость передачи данных по параллельной шине РАТA (Parallel ATA) достигает 133 Мбайт/с, а по последовательной шине SATA (Serial ATA) – 300 Мбайт/с.

ШИНА USB Шина USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) обеспечивает подключение к компьютеру одновременно нескольких периферийных устройств (принтер, сканер, цифровая камера, Web-камера, модем и др.). Эта шина обладает пропускной способностью до 60 Мбайт/с. Порт USB

Звук К южному мосту может подключаться интегрированная в системную плату микросхема, которая обеспечивает обработку цифрового звука (эту функцию может выполнять также звуковая плата, которая подключается к шине PCI). С помощью аудиоразъемов к системной плате могут подключаться микрофон, колонки или наушники. Аудиоразъемы

ТЕСТИРОВАНИЕ СИСТЕМНОЙ ПЛАТЫ Пропускная способность шины памяти = 64 бита × 199,9 МГц Мбит/с 1600 Мбайт/с 1,5 Гбайт/с

Магистрально-модульный принцип построения компьютера

Устройство компьютера

данными

программой

• Пользователь запускает программу, хранящуюся в долговременной памяти, она загружается в оперативную и начинает выполняться.
• Выполнение: процессор считывает команды и выполняет их. Необходимые данные загружаются в оперативную память из долговременной памяти или вводятся с помощью устройств ввода.
• Выходные (полученные) данные записываются процессором в оперативную или долговременную память, а также предоставляются пользователю с помощью устройств вывода информации.

Магистрально-модульное устройство компьютера

Процессор Обработка данных

Оперативная память Хранение данных и программ

Шина данных

Магистраль

Шина адреса

Шина управления

Хранение данных и программ

Вывод данных

Ввод данных

Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами должна быть предусмотрена какая-то магистраль для перемещения потоков информации.

Магистраль (системная шина) включает в себя:

• Шину данных;
• Шину адреса;
• Шину управления .

Упрощенно системную шину можно представить как группу кабелей и электрических (токопроводящих) линий на системной плате.

К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

По этой шине передаются данные между различными устройствами. Например, считанные из ОЗУ данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем могут быть отправлены обратно для хранения.

Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется процессором, т.е. количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию.

Каждая отдельная функция компьютера реализуется одним или несколькими модулями – конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Организация структуры компьютера на модульной основе аналогична строительству блочного дома. Основными модулями компьютера являются память и процессор. Процессор – это устройство управляющее работой всех блоков компьютера. Действия процессора определяются командами программы, хранящейся в памяти.

Благодаря использованию вышеназванного принципа, появляется возможность создания большого разнообразия товаров из одного набора основных компонентов. Из набора модулей возможно создать большое разнообразие компьютеров (сложных технических систем), отличающихся друг от друга производительностью, назначением (домашний, офисный, сервер приложений и т. п.), архитектурой, платформой.

Модульная организация опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистрально-модульный принцип имеет ряд достоинств:

• 1. для работы с внешними устройствами используются те же команды процессора, что и для работы с памятью.
• 2. подключение к магистрали дополнительных устройств не требует изменений в уже существующих устройствах, процессоре, памяти.
• 3. меняя состав модулей можно изменять мощность и назначение компьютера в процессе его эксплуатации.

Принцип открытой архитектуры – правила построения компьютера, в соответствии с которыми каждый новый блок должен быть совместим со старым и легко устанавливаться в том же месте в компьютере.

В компьютере столь же легко можно заменить старые блоки на новые, где бы они ни располагались, в результате чего работа компьютера не только не нарушается, но и становится более производительной.

Этот принцип позволяет не выбрасывать, а модернизировать ранее купленный компьютер, легко заменяя в нем устаревшие блоки на более совершенные и удобные, а так же приобретать и устанавливать новые блоки. Причем во всех разъемы для их подключения являются стандартными и не требуют никаких изменений в самой конструкции компьютера.

• Опишите процесс обработки данных на компьютере?
• Для чего нужна материнская плата?
• Какое устройство служит для хранения обрабатываемой информации и команд программы?
• Что включает в себя системная шина?
• Для чего необходимо иметь слоты расширения?
• Возможно ли в вашем компьютере заменить имеющийся жесткий диск на другой, большего объема?
• Какие еще устройства можно заменить в вашем (школьном) компьютере?
• Производили ли вы модернизацию своего компьютера? Расскажите подробнее.

Цели:

1. помочь учащимся усвоить магистрально-модульный принцип построения компьютера, дать основные понятия, необходимые для начала работы на компьютере;
2. воспитание информационной культуры учащихся, внимательности, аккуратности, дисциплинированности, усидчивости;
3. развитие познавательных интересов, навыков работы с мышью и клавиатурой, самоконтроля, умения конспектировать.

Оборудование: доска, компьютер, компьютерная презентация.

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления , которые представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных . По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса . Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2 I , где I - разрядность шины адреса.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

Важнейшим аппаратным компонентом компьютера является системна плата. На системной плате реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора, слоты для установки оперативной памяти, а так же контроллеров внешних устройств.

Материнская плата (Motherboard) - основной элемент системного блока, позволяющий объединить все основные компоненты и устройства компьютера, и обеспечить передачу данных между ними.

Еще 10-15 лет назад системные платы (и подавляющее большинство других узлов) персональных компьютеров строились на основе цифровых микросхем малой и средней степени интеграции (вентилей, триггеров, регистров и т.п.). И если бы вам пришлось иметь дело с компьютерами ХТ/АТ, тогда вы бы увидели системную плату с полутора-двумя сотнями корпусов интегральных схем (ИС).

Пропускная способность . Быстродействие устройства зависит от тактовой частоты тактового генератора (обычно меряется в мегагерцах - МГц) и разрядность, т.е количество битов данных, которые устройство может обрабатывать или передавать одновременно (измеряется в битах). Дополнительно в устройствах используется внутреннее умножение частоты с разными коэффициентами.

Соответственно, скорость передачи данных (пропускная способность шины данных измеряется в бит/с) равна произведению разрядности шины (измеряется в битах) и частоты шины (измеряется в Гц = 1/с):

Пропускная способность шины = Разрядность шины × Частота шины.

Северный и южный мосты . Для согласования тактовой частоты и разрядности устройств на системной плате устанавливают специальные микросхемы, включающие в себя контроллер оперативной памяти и видеопамяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост).

Северный мост - это системный контроллер, являющийся одним из элементов чипсета материнской платы, отвечающий за работу с оперативной памятью (RAM), видеоадаптером и процессором (CPU). Северный мост отвечает за частоту системной шины, тип оперативной памяти и ее максимально возможный объем. Одной из основных функций северного моста является обеспечение взаимодействия системной платы и процессора, а также определение скорости работы. Частью северного моста во многих современных материнских платах является встроенный видеоадаптер. Таким образом, функциональная особенность северного моста являет собой еще и управление шиной видеоадаптера и ее быстродействием. Также северный мост обеспечивает связь всех вышеперечисленных устройств с южным мостом.

Северный мост получил свое название благодаря "географическому" расположению на материнской плате. Внешне это квадратной формы микрочип, расположенный под процессором, но в верхней части системной платы. Как правило, северный мост использует дополнительное охлаждение. Обычно это пассивный радиатор, реже - радиатор с активным охлаждением в виде небольшого кулера. Связано это с тем, что температура северного моста примерно на 30 градусов Цельсия всегда выше температуры "южного собрата".

Завышенная температура вполне обоснована. Во-первых, северный мост находится в непосредственной близости от центрального процессора, во-вторых, он находится выше видеокарты, жестких дисков и южного моста. Это означает, что часть тепла от вышеупомянутых устройств доходит до северного моста. Ну и в-третьих, самое главное - северный мост отвечает за обработку команд самых сильных компонентов системы - процессор, память и графику. Поэтому будем считать, что увеличенный номинал температуры является нормой для северного моста любой материнской платы.

Южный мост - это функциональный контроллер, известен как контроллер ввода-вывода или ICH (In/Out Controller Hub). Отвечает за так называемые "медленные" операции, к которым относится отработка взаимодействия между интерфейсами IDE, SATA, USB, LAN, Embeded Audio и северным мостом системы, который, в свою очередь, напрямую связан с процессором и другими важными компонентами, такими как оперативная память или видеоподсистема. Также южный мост отвечает за обработку данных на шинах PCI, PCIe и ISA (в старых моделях системных плат).

Список обслуживаемых систем материнской платы южным мостом довольно велик. Помимо вышеприведенных IDE, SATA, USB, LAN и прочего, южный мост отвечает еще и за SM шину (используется для управления вентиляторами на плате), DMA-контроллер, IRQ-контроллер, системные часы, BIOS, системы энергообеспечения APM и ACPI, шину LPC Bridge.

Как правило, выход из строя южного моста ставит точку в жизни системной платы. Именно южный мост является порой первым щитом, принявшим "удар на себя". Ввиду технологических особенностей это так. Причин "гибели" южного моста на порядок больше, чем северного, ведь он работает напрямую с "внешними" устройствами. Так, частой причиной выхода из строя ЮМ является банальный перегрев, вызванный коротким замыканием, например, USB-разъема. Либо неисправности питания жесткого диска. Т.к. в большинстве случаев южный мост не оборудован системой дополнительного охлаждения, он перегревается и сгорает. Реже причиной поломки южного моста является заводской брак. Деформация (излишние изгибы) системной платы также приводит к повышению нагрева южного моста с последующим выходом его из строя.

Частота процессора. Северный мост обеспечивает обмен данными с процессором, оперативной памятью и видеопамятью. Частота процессора в несколько раз больше, чем базовая частота магистрали.

Частота процессора - это количество синхронизирующих импульсов в секунду.

Количество тактов в секунду, не совпадает с фактическим количеством операций в секунду, выполняемых компьютером. Для процессора значение частоты измеряют в гигагерцах (ГГц). Именно частота процессора влияет на производительность и быстроту вашего компьютера. Но производительность не зависит только от частоты процессора!

Например, в наиболее быстрых компьютерах частота шины составляет 266МГц, коэффициент умножения частоты 14, следовательно, частота процессора

266 МГц × 14 ≈ 3,7 ГГц.

Системная шина . Между северным мостом и процессором данные передаются по системной шине с частотой, которая в четыре раза больше частоты FSB. Таким образом, процессор может получать и передавать данные с частотой 266 МГц × 14 = 1064 МГц. Так как разрядность системной шины равна разрядности процессора и составляет 64 бита, то пропускная способность системной шины равна:

64 бит × 1064 МГц = 68096 Мбит/с ≈ 66 Гбит/с ≈ 8 Гбайт/с

Шины AGP и PCI Express. По мере усложнения графики приложений требования к быстродействию шины, связывающей видеопамять с процессором и оперативной памятью, возрастают. Для подключения видеоплаты к северному мосту может использоваться 32-битовая шинаAGP. Эта шина первоначально передавала данные с частотой 66 МГц, в настоящее время возможно использование шины AGP×8, частота которой 66 МГц × 8 = 528 МГц. В этом случае пропускная способность шины видеоданных составляет:

32 бит × 528 МГц = 16896 Мбит/с = 16,5 Гбит/с ≈ 2Гбайт/с

В настоящее время для подключения видеоплаты к северному мосту все большее распространение получает шина PCI Express (ускоренная шина взаимодействия периферийных устройств). Пропускная способность этой шины значительно выше пропускной способности AGPи PCI.

Шина PCI. К северному мосту подключается по специальной шине южный мост, к которому, в свою очередь, подключаются периферийные устройства. Шина PCI (шина взаимодействия периферийных устройств) обеспечивает обмен информацией с контролерами периферийных устройств, которые устанавливаются в слоты расширения системной платы.

Наиболее часто эта шина используется для установки устройств доступа по локальной сети, глобальной сети Интернет (встроенный модем) и беспроводной сети (Wi-Fi).

Разрядность шины PCI может составлять 32 бита или 64 бита, а частота - 33 МГц или 66 МГц. Таким образом, максимальная пропускная способность шины PCI составляет:

64 бит × 66 МГц = 4224 Мбит/с = 528 Мбайт/с

Шина IEEE 1394 (Fire Wire, i-Link) . Последовательная высокоскоростная шина, предназначенная для обмена цифровой информацией между компьютером и цифровыми устройствами без потери качества изображения и звука. Скорость передачи данных по этой шине может достигать 200 Мбайт/с и более.

Шина АТА . Устройства внешней памяти подключается к южному мосту по шине АТА. Ранее использовалась параллельная шина РАТА, скорость передачи данных по которой может достигать 133 Мбайт/с. В настоящее время широкое распространение получила последовательная шина SATA, скорость передачи данных по которой может достигать 300 Мбайт/с.

Шина USB . Для подключения принтеров, сканеров, цифровых камер и других периферийных устройств обычно используется шина USB(универсальная последовательная шина). Эта шина обладает пропускной способностью до 60 Мбайт/с и обеспечивает подключение к компьютеру одновременно нескольких периферийных устройств (принтер, сканер, цифровая камера, модем и т.д.).

Клавиатура и мышь. Клавиатура и мышь подключается с помощью порта PS/2 или шины USB.

Звук. К южному мосту может подключаться интегрированная в системную плату микросхема, которая обеспечивает обработку цифрового звука. С помощью аудиоразъемов к системной плате могут подключаться микрофон, колонки или наушники.

Закрепление материала.

А сейчас давайте проверим, как вы закрепили новый материал и ответим на вопросы:

1. Какие возможности предоставляет модульность потребителю?
2. Что из себя представляет «магистраль»?
3. Какие дополнительные устройства могут быть интегрированы в современные материнские платы?
4. Назовите две основные большие микросхемы чипсета и перечислите их функции.
5. От чего зависит быстродействие устройств компьютера. Назовите единицу измерения тактовой частоты обработки данных и разрядности.
6. Дайте объяснение термину «такт».
7. Как рассчитывается пропускная способность шины?
8. Назовите назначение системной шины. Чему равна её пропускная способность?
9. Чему равна частота процессора?
10. Шина памяти - её назначение и пропускная способность
11. Шина PCI Express - её назначение, пропускная способность.
12. Шина SATA - её назначение, скорость передачи данных