Системные интерфейсы и шины расширения

Основой высокой производительности вычислительной машины любого типа является центральный процессор (ЦП), состоящий из микропроцессора (МП) и оперативной памяти, связанных шиной передачи информации. Из этих трех составляющих определяющим является МП, т.к. он преобразует информацию и управляет передачей данных. Процессор – активное устройство, а ОЗУ и шина – пассивные.

Оптимальным условием, с точки зрения производительности ЭВМ является равенство скоростей МП, ОЗУ и шины. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности, частоты работы и числа синхроимпульсов на передачу одного слова.

Внутренние шины подразделяют на шины, обеспечивающие связь процессора с памятью и шины ввода-вывода.

Шины процессор-память сравнительно короткие, обычно высокоскоростные и соответствуют организации системы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память-процессор. Такие шины стали называть системными шинами.

Шины ввода-вывода длиннее и могут поддерживать подсоединение многих типов устройств и соответствуют их стандартам. Эти шины стали называть шинами расширения, поскольку они как бы расширяет системную шину с точки зрения количества подключаемых устройств. ПУ подсоединяют к шине ввода-вывода посредством интерфейсов ПУ.

Все устройства различаются по задержке и пропускной способности. В Таблице 1 приведены характеристики микропроцессоров фирмы Intel, расположенных по годам, начиная с 1978 г., года появления ПК.

В Таблице 2 даны характеристики памяти (время доступа) и системной шины процессор-память (частота шины данных, максимальная и реальная пропускная способность).

Таблица 1

Таблица 2

Напомним, что означают аббревиатуры типов памяти в левой колонке.

FPM RAM (Fast Page Mode Random Access Memory — память с произвольным доступом, поддерживающая быстрый страничный режим) — тип оперативной памяти, используемой в компьютерах в 1990-х годах. Увеличение быстродействия по сравнению с обычной RAM достигалась следующим образом: в случае, когда последовательно выбираемые элементы расположены на одной странице (строке), полный адрес (строка + столбец) подается только один раз для выборки первой ячейки строки. Для доступа к другим ячейкам той же страницы используется только адрес столбца.

EDO RAM (Extended Data Out Random Access Memory) — память произвольного доступа к данным с расширенным выводом — усовершенствованный тип памяти FPM RAM (другое название Hyper Page Mode).

SRAM - статическая оперативная память с произвольным доступом (SRAM, static random access memory) — полупроводниковая оперативная память, в которой каждый двоичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью, позволяющей поддерживать состояние без регенерации, необходимой в динамической памяти (DRAM).

Тем не менее, сохранять данные можно только если есть питание, то есть SRAM энергозависимый тип памяти. Произвольный доступ (RAM — random access memory) — возможность выбирать для записи/чтения любой из байтов, обусловлена особенностью конструкции, в отличие от памяти с последовательным доступом (SAM — sequential access memory).

DRAM (Dynamic random access memory, Динамическая память с произвольным доступом) — тип энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом; DRAM широко используемая в качестве оперативной памяти современных компьютеров, а также в качестве постоянного хранилища информации в системах, требовательных к задержкам.

SDRAM - синхронная оперативная память — это первая технология оперативной памяти, со случайным доступом разработанная для синхронизации работы памяти с тактами работы центрального процессора с внешней шиной данных. Память SDRAM разработана на основе стандартной DRAM.

В отличие от асинхронной памяти, имеет таймер ввода данных.

Таймер пошагово контролирует деятельность микропроцессора, может также управлять работой SDRAM. Это означает, что контроллер памяти знает точный временной цикл таймера, на котором запрошенные данные будут обработаны. В результате, это освобождает процессор от необходимости состояния ожидания, между моментами доступа к памяти.

RDRAM — стандарт оперативной памяти, разработанный компанией Rambus в сотрудничестве с Intel в 1996 году. Высокие частоты памяти обеспечивают 99% загрузку канала, в то время, когда у конкурирующих стандартов загрузка достигает максимум 70%. Пропускная способность памяти 1 Гб/с, а позже и 4 Гб/с. Право использовать RDRAM-планки лицензировали компании LG, Samsung, Mitsubishi. Позже к ним присоединилась компания AMD.

Для повышения пропускной способности системной шины увеличивают ее ширину, т.е. число одновременно передаваемых байтов. За весь период число разрядов шины данных увеличился с 8 до 128. Это позволило увеличить пропускную способность системной шины, до величины 1600 Мбайт/сек.

Отметим, что применение новых технологий увеличило производительность ОЗУ к настоящему моменту, где-то в 10 раз. Под производительностью памяти понимается соотношение объема и скоростных характеристик ОЗУ с точки зрения их влияния на общую производительность системы.

Влияние оценивается при помощи специальных тестов и специального программного обеспечения.

В то же время, как видно из Таблицы 1, тактовая частота МП с 1978 г. возросла в 720 раз!

Таким образом, между производительностью МП и памяти существует огромный разрыв.

Для того чтобы МП не простаивал, используют дополнительную высокоскоростную память КЭШ на основе SRAM, располагаемую как на кристалле МП (КЭШ-память 1-го уровня), так и вне кристалла (КЭШ-память 2-го и 3-го уровня). Сейчас уже на кристалле.

В современных микропроцессорах - КЭШ-память 2-го уровня располагается в одном корпусе с МП и имеет объем до 1 МВт, что позволяет увеличивать частоту работы шины связи этой памяти с ядром МП.