Характерной чертой современных компьютеров является использование нескольких шин обмена. Типовая структурная схема персонального компьютера приведена на рис. 2.4.
Элементами архитектуры типового компьютера являются следующие устройства:
процессор;
оперативная память;
графические устройства;
шины;
общесистемные устройства.
Процессор – основное обрабатывающее устройство компьютера. Основными характеристиками процессоров являются тактовая частота, разрядность шин данных и адреса, емкость внутренней кэш-памяти первого уровня. Для современных процессоров тактовая частота достигает 2 Мгц, разрядность шины данных – 64, разрядность шины адреса – 36 (64 Гбайт), емкость внутренней кэш-памяти – до 64 Кбайт.
В составе компьютера выделяют следующие основные виды памяти:
оперативное запоминающее устройство - ОЗУ;
постоянное запоминающее устройство - ПЗУ;
кэш-память.
ОЗУ – память объемом 64 - 4096 Мб, реализованная на БИС динамической памяти (DRAM). Используется для размещения программ и данных. Время обращения составляет 50 - 80 нс. По принципу действия для динамической памяти необходима периодическая регенерация хранящейся в ней информации. Во время регенерации обращение к памяти блокируется. Доля времени регенерации составляет несколько процентов от общего времени работы памяти.
Существует несколько типов динамической памяти, отличающиеся быстродействием, удельной стоимостью.
ПЗУ – используется для размещения начального загрузчика, BIOS. Время обращения составляет 200-300 нс. Для ускорения при начале работы компьютера содержимое ПЗУ обычно переписывается в определенный раздел ОЗУ.
Кэш-память представляет собой сверхоперативный буфер между процессором и ОЗУ. Реализуется на статических БИС памяти (SRAM). Типичная емкость для персональных компьютеров составляет 512 - 1024 Кб. Время обращения к ней меньше, чем к DRAM (порядка 10 - 20 нс). Поэтому в кэш-память копируется программный код и данные, активно используемые процессором в данный момент. Это позволяет уменьшить простои процессора при обращения к памяти.
К графическим устройствам прежде всего относится дисплей. Видеопамять необходима для поддержки работы дисплея и других графических устройств. Как и кэш, она реализуется на быстродействующих микросхемах SRAM. Емкость видеопамяти составляет 4 - 16 Мбайт.
В архитектуре современных компьютерах для повышения быстродействия применяются несколько шин различного назначения и пропускной способности. В типичной архитектуре используются
шина процессора (до 3-4 Гбайт/с);
шина памяти (до 3-6 Гбайт/с);
шина графических устройств (до 1 Гбайт/с);
одна или несколько шин обмена для подключения различных устройств ввода-вывода.
Шина процессора имеет несколько вариантов сокращенного обозначения:
FSB – Front Side Bus, Host Bus или CPU Bus.
Для шин процессора многие производители компьютеров используют свои стандарты. Для шин памяти используются стандарты FPM – Fast Page Mode, EDO – Extended Data Out, FPM/EDO. Современными стандартами шин графических устройств являются AGP, AGP 2.0. Наиболее широко используемыми стандартами шин внешних устройств являются PCI – до 133 Мбайт/с, ISA – 16 Мбайт/с.
В составе всякой шины выделяют шину адреса (Address Bus AB), шину данных (Data Bus DB) и шину управления (Control Bus CB). Назначение шин AB и DB соответствует их названиям. Разрядность AB определяет диапазон прямой адресации памяти и портов ввода-вывода. Разрядность DB устанавливает максимальную разрядность слова данных, которое может быть передано по шине в одном цикле обмена. Состав и назначение линий шины CB зависит от типа основной шины, в которую она входит.
К общесистемным относятся устройства, входящие в состав набора микросхем системной логики, называемого chipset. Эти микросхемы выполняют функции следующих устройств:
контроллер шины памяти (Memory Controller Hub);
контроллер графических устройств (Graphics Controller);
контроллер прерываний (Interrupt Controller);
контроллер прямого доступа к памяти (DMA - Direct Memory Access) (DMA Controller);
контроллер шин ввода-вывода (I/O Controller Hub).
Кроме того, микросхемы системной логики обеспечивают передачу информации между различными шинами.
Контроллер графических устройств или видеоадаптер может входить в состав системной логики, но наряду с этим широко используются и видеоадаптеры в виде отдельных устройств (плат), подключаемых к шине графических устройств.
Как правило, общесистемные устройства размещаются в двух микросхемах: системном контроллере и контроллере шин внешних устройств.