Анализ и оценка аппаратных средств современных ПЭВМ

Система BIOS в IBM-совместимых компьютерах реализована в виде одной

или двух микросхем, установленных на системной плате компьютера. Наиболее

перспективным для хранения системы BIOS является сейчас флэш-память. BIOS

на ее основе имеют, например, системные платы фирм Intel, Mylex, Compaq и

т.д. Это позволяет легко модифицировать старые или добавлять дополнительные

функции для поддержки новых устройств, подключаемых к компьютеру.

Поскольку содержимое ROM BIOS фирмы IBM было защищено авторским правом

(т.е. его нельзя подвергать копированию), то большинство других

производителей компьютеров вынуждены были использовать микросхемы BIOS

независимых фирм, системы BIOS которых, разумеется, были практически

полностью совместимы с оригиналом. Наиболее известны из этих фирм три:

American Megatrends Inc. (AMI), Award Software и Phoenix Technologies.

CMOS RAM

Система BIOS в компьютерах, основанных на микропроцессорах i80286 и

выше, неразрывно связана с неизменяемой памятью (CMOS RAM), в которой

хранится информация о текущих показаниях часов, значение времени для

будильника, конфигурации компьютера: количестве памяти, типах накопителей и

т.д. Именно в этой информации нуждаются программные модули системы BIOS.

Название CMOS RAM обязано тому, что эта память выполнена на основе структур

КМОП (CMOS - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) которые, как

известно, отличаются малым энергопотреблением.

В системе BIOS имеется программа, называемая Setup, которая может

изменять содержимое CMOS-памяти. Вызывается эта программа определенной

комбинацией клавиш, которая обычно выводится в качестве подсказки на экран

монитора после включения питания компьютера. Во время загрузки компьютера

можно запустить программу Setup для системы BIOS.

Напомним, что под обычными установками (Standard CMOS Setup) мы

понимаем информация дате (месяц, день, год), текущих показаниях часов

(часы, минуты, секунды), количестве стандартной и расширенной мяти (в

килобайтах), технических параметрах и типе накопителей, дисплея, а также о

подключении клавиатуры. Заме например, что если в этой программе в строке

Keyboard сказать «Not Installed», то даже при отсутствии клавиатуры

компьютер не выдаст сообщения об ошибке.

Расширенные установки (Advanced CMOS Setup и Advanced ChipSet Setup)

включают в себя дополнительные возможности конфигурирования системной

платы. Наиболее общими являются, например, такие возможности, как

допустимая скорость ввода символов с клавиатурв (по умолчанию 15 символов в

секунду), тестирование, тестирование памяти выше границы 1 Мбайт,

разрешение использования арифметического сопроцессора Weitek, приоритет или

последовательность загрузки (т.е. попытка загрузки компьютера сначала с

накопителя со сменным, а затем несменным носителем или наоборот),

установка определенной тактовой частоты микропроцессора при включении,

разрешение парольной защиты и т.д. Как правило, расширенные установки

допускают определение областей «теневой» (shadow) памяти для системной ROM

BIOS, а также ROM BIOS видеоадаптеров, контроллеров накопителей и

дополнительных адаптеров. Кроме этого, возможна установка тактовой частоты

системной шины, а также числа тактов ожидания (или временной задержки) для

микропроцессора при обращении к устройствам ввода-вывода, оперативной

и/или кэш-памяти.

Заметим, что в случае повреждения микросхемы CMOS RAM (а также при

разряде батареи или аккумулятора) программа Setup имеет возможность

воспользоваться некой информацией по умолчанию (BIOS Setup Default Values),

которая хранится в таблице соответствующей микросхемы ROM BIOS.

НОВЫЕ ВИДЫ ПАМЯТИ

Резкое повышение быстродействия процессоров и переход на 32-разрядные

многозадачные операционные системы существенно поднимают требования и к

другим компонентам компьютера. Важнейшим из них является оперативная

память. Возрастание внешних тактовых частот процессоров с 33-40 МГц,

характерных для семейства 486 (486DX2-66/80 и 486DX4-100/120), до 50-66 МГц

для Pentium (Pentium 75/90/100/120/133), требует прежде всего адекватного

увеличения быстродействия подсистемы памяти. Поскольку в качестве

оперативной используется относительно медленная динамическая память DRAM

(Dynamic Random Access Memory), главный способ увеличения пропускной

способности основан на применении кэш-памяти. Кроме встроенной в процессор

кэш-памяти первого уровня применяется и кэш-память второго уровня

(внешняя), построенная на более быстродействующих, чем DRAM, микросхемах

статической памяти SRAM (Static RAM). Для высоких тактовых частот нужно

увеличивать быстродействие SRAM. Кроме того, в многозадачном режиме

эффективность работы кэш-памяти также может снижаться. Поэтому актуальной

становится задача не только увеличения быстродействия кэш-памяти, но и

ускорения непосредственного доступа к динамической памяти. Для решения этих

проблем начинают использоваться новые типы статической и динамической

памяти.

Требования к объемам памяти диктуются программным обеспечением. При

использовании Windows оценить необходимое количество памяти можно на основе

тестов Winstone, использующих наиболее популярные приложения Windows.

Соответствующие данные представлены на рисунке 1.

[pic]

Статическая память

В качестве кэш-памяти второго уровня практически всегда применялась (и

до сих пор продолжает широко применяться) стандартная асинхронная память

SRAM. При внешних тактовых частотах порядка 33 МГц хорошие результаты

давала статическая память со временем выборки 15-20 ns. Для эффективной

работы на частотах выше 50 МГц такого быстродействия уже недостаточно.

Прямое уменьшение времени выборки до нужных величин (12-8 ns) обходится

дорого, так как требует зачастую применения дорогой технологии Bi-CMOS

вместо CMOS, что неприемлемо для массового рынка. Поэтому предлагаемое

решение заключается в применении новых типов памяти с усовершенствованной

архитектурой, которые первоначально были разработаны для мощных рабочих

станций. Наиболее перспективна синхронная SRAM. В отличие от обычной

асинхронной, она может использовать те же тактовые сигналы, что и остальная

система, поэтому и называется синхронной. Она снабжена дополнительными

регистрами для хранения информации, что освобождает остальные элементы для

подготовки к следующему циклу еще до того, как завершился предыдущий.

Быстродействие памяти при этом увеличивается примерно на 20%. Эффективную

работу на самых высоких частотах может обеспечить особая разновидность

синхронной SRAM — с конвейерной организацией (pipelined burst). При ее

применении уменьшается число циклов, требующихся для обращения к памяти в

групповом режиме. Пример для тактовой частоты 66 МГц (Pentium 100 и Pentium

133) приведен в таблице1. В случае группового режима чтения-записи для

первого обращения нужно 3 цикла, для каждого следующего — только 1.

|Тип цикла |Асинхронная SRAM |Конвейерная SRAM |

|Single Read |3 |3 |

|Single Write |4 |3 |

|Burst Read |3-2-2-2 |3-1-1-1 |

|Burst Write |4-3-3-3 |3-1-1-1 |

Динамическая память

Так же, как и для статической памяти, прямое сокращение времени

выборки для динамической памяти достаточно трудно технически осуществимо и

приводит к резкому росту стоимости. Поэтому ориентация в новых системах

идет на микросхемы со временем выборки 60-70 ns. Стандартные микросхемы

DRAM имеют страничную организацию памяти — Fast Page Mode (FPM), которая

позволяет значительно ускорить доступ к последовательно расположенным (в

пределах страницы) данным по сравнению со случаем произвольной выборки.

Поскольку обращения к последовательно расположенным данным в реальных

задачах встречаются очень часто, применение FPM DRAM заметно повышает

производительность. FPM DRAM со временем выборки 60-70 ns обеспечивает

необходимые характеристики для тактовых частот 33-40 МГц. При повышении

тактовой частоты обеспечить надежное и быстрое считывание данных в

страничном режиме уже не удается. Эту проблему в значительной степени

решает применение памяти нового типа - EDO DRAM (Extended Data Output

DRAM). От обычной памяти со страничной организацией она отличается наличием

дополнительных регистров для хранения выходных данных. Увеличивается время,

в течение которого данные хранятся на выходе микросхемы, что делает

выходную информацию доступной для надежного считывания процессором даже при

высоких тактовых частотах (фактически время между обращениями в страничном

режиме можно уменьшить до 30 ns по сравнению с 45 ns для FPM).

Радикальный, но не общепризнанный подход к повышению быстродействия

динамической памяти заключается во встраивании в микросхемы DRAM

собственной кэш-памяти. Это Cached DRAM (CDRAM) и Enhanced DRAM (EDRAM).

Память CDRAM выпускается фирмой Mitsubishi и имеет 16 KB кэш-памяти как на

4, так и на 16 Mbit кристалле, обмен между динамической и встроенной кэш-

памятью осуществляется словами шириной 128 разрядов.

Вообще говоря, применение новых типов динамической памяти позволяет

получать высокую производительность даже и без применения кэш-памяти

второго уровня (если кэш-память первого уровня — типа write back), особенно

в случае CDRAM и Enhanced DRAM, которые именно так и используются. Однако

подавляющее большинство систем для достижения максимальной

производительности строится все-таки с использованием кэш-памяти второго

уровня. Для них наиболее подходит память типа EDO DRAM. К тому же она стала

уже промышленным стандартом, и ее доля будет преобладать в микросхемах

памяти емкостью 16 Mbit и более. Фактически эта память приходит на смену

стандартной FPM DRAM и ее можно применять в любых системах вместо

стандартной.

КОНСТРУКТИВ

Несмотря на то, что наиболее популярным конструктивом для динамической

памяти по-прежнему остается SIMM (Single In-line Memory Module), начинают

применяться и другие стандарты. Возникновение новых стандартов вызвано

необходимостью решения двух основных проблем. Первая связана с увеличением

плотности упаковки элементов памяти, особенно актуальной для рабочих

станций, использующих память очень большого объема, и мобильных систем.

Вторая — с обеспечением устойчивой работы при высоких частотах, которая

зависит от размеров, емкости и индуктивности соединителя. Большую по

сравнению с SIMM плотность упаковки и, соответственно, объем памяти могут

обеспечить модули типа DIMM (Dual In-line Memory Module), у которых, в

отличие от SIMM, контакты на обеих сторонах модуля не объединены, а могут

использоваться независимо.

Микросхемы стандартной статической памяти в основном выпускаются в

корпусах типа DIP и SOJ. Память типа pipelined burst либо запаивается на

системную плату сразу в процессе ее изготовления, либо поставляется в виде

модулей.

ЖЕСТКИЕ ДИСКИ

Большая часть жестких дисков, представленных на мировом рынке,

выпускается специализированными фирмами — Quantum, Seagate, Conner, Western

Digital, Maxtor и некоторыми другими.

Жесткие диски с интерфейсом IDE

Жесткая конкуренция и особая важность в этих условиях ценового фактора

требуют от производителей массовой продукции использования самых

современных технологических достижений. За счет применения записи с высокой

плотностью (400 Mbit на квадратный дюйм) стандартное значение емкости,

приходящейся на один диск (носитель), достигло 540 MB. Это позволяет

уменьшить не только количество дисков, но и магнитных головок и других

элементов, а значит снизить цену и повысить надежность. При применении

таких дисков линейка выпускаемых моделей по емкости выглядит следующим

образом: 540 MB, 1.0, 1.6, 2.2 GB и т. д. Практически все ведущие

производители переходят на выпуск моделей с такой плотностью записи,

которая уже находится на пределе возможностей стандартной технологии,

основанной на применении тон-копленочных магнитных головок. Радикальное

средство — переход на магниторезистивные головки — является для большинства

фирм довольно дорогостоящим, так как технологией их массового производства

обладают только IBM и Fujitsu. Поэтому начинают применяться некоторые

другие решения. Так, фирма Maxtor в новых моделях cepиях Durarigo (540 MB,

1 GB и 1.6 GB) начала применять особую технологию Proximity recording с

псевдо-контактирующей магнитной головкой Tripad (тонкопленочной) и

алмазоподобным углеродным покрытием носителя. Головка находится на очень

близком расстоянии от диска , а в отдельных случаях может даже касаться его

поверхности, что не приводят, однако, к. повреждению магнитного слоя,

защищенного прочным покрытием. Maxtor, а также некоторые другие фирмы

рассматривают эту технологию как более дешевую альтернативу

магниторезистивным головкам и PRML для плотностей записи до 1000 Mbit на

квадратный дюйм.

Интерфейс Enhanced IDE, ставший основным для массовой продукции,

несмотря на очень хорошие скорости передачи, все же уступает интерфейсу

SCSI по возможностям, особенно в многозадачных средах. Ситуация, возможно,

улучшится с принятием спецификации АТА-3, в которой, по предварительным

данным, будут дополнения (command overlapping and queuing, predictive

failure analysis bit и некоторые другие), позволяющие в некоторой степени

приблизиться к SCSI как по эффективности отработки запросов, так и по

контролю за целостностью данных.

Жесткие диски с интерфейсом SCSI

Если 90% жестких дисков, устанавливаемых в персональные компьютеры,

имеют интерфейс Enhanced IDE, и только 10% — SCSI, то для компьютеров,

используемых в качестве серверов, доля SCSI увеличивается до 90%. Интерфейс

SCSI обеспечивает большие преимущества при работе в многозадачном режиме,

поэтому, несмотря на более высокую цену по сравнению с IDE, доля SCSI

жестких дисков будет увеличиваться и для персональных компьютеров. На

нижнем краю диапазона выпускаемых дисков находятся модели, использующие ту

же механику, что и соответствующие диски Enhanced IDE. Соответственно, они

обладают такими же параметрами. Благодаря невысокой цене и хорошей

производительности, область их применения очень широка, начиная от

персональных компьютеров. Большая же часть продукции имеет повышенную

емкость и ориентирована на достижение самого высокого уровня

производительности. Поэтому использование передовых технологий —

магниторезистивных головок и PRML (применяются во всех моделях IBM и

Fujitsu и некоторых моделях других фирм) и усовершенствованных интерфейсов

— приобретает первостепенное значение. Такие диски обладают самыми высокими

параметрами — при емкости 4-8 GB (IBM довела емкость 3.5" моделей до 20 GB)

они имеют кэш-память 512-1024 KB, скорость вращения 7200 об/мин и среднее

время поиска меньше 10 ms. В некоторых случаях лимитирующим фактором

становится быстродействие интерфейса, поэтому кроме стандартного Fast SCSI-

2 со скоростью передачи 10 MB/s применяются также Fast Wide SCSI-2 (SCSI-3)

на 20 MB/s, Ultra SCSI (40 MB/s).

Жесткие диски для аудио и видео

Развитие multimedia вызвало значительный интерес к так называемым

аудио/видео жестким дискам как со стороны потребителей, так и

производителей. Обычные диски оптимизированы для быстрого доступа и быстрой

передачи относительно небольших блоков информации, т. е, для максимального

количества операций ввода/вывода в единицу времени. Для работы со звуком и

видео должна обеспечиваться, наоборот, непрерывная передача информации в

течение достаточно длительного времени с практически постоянной скоростью,

как в случае с магнитной лентой. Обычные диски из-за периодической

процедуры термической калибровки и повторного чтения в случае возникновения

ошибок допускают перерывы в передаче информации на время, достигающее сотен

миллисекунд, что приводит к неприятным последствиям при воспроизведении

изображения и звука. Реально встречающиеся перерывы можно неитрализовать с

помощью кэш-памяти очень большого объема, но это дорогостоящее решение.

Первые специализированные диски для аудио и видео выпустила фирма

Micropоlis. В настоящее время соответствующими возможностями начинают

оснащать свои изделия большинство ведущих производителей — IBM, Fujitsu,

Seagate, Quantum.

В дисках новой конструкции проблемы, связанные с термической калибровкой

решаются относительно легко, так как сервоинформация хранится не на

отдельной выделенной поверхности. а распределена по рабочим поверхностям.

Требуется только модификация встроенного контроллера для оптимизации

процедуры термической калибровки. На уровне контроллера оптимизируется и

процедура коррекции ошибок. Поэтому на основе одной и той же механики можно

создавать и обычные и аудио/видео жесткие диски. Такой подход позволяет

выпускать комбинированные (т. е. переключаемые) диски без особых

дополнительных затрат.

Страницы: 1, 2, 3, 4