Назначение контроллеров и шины
Контроллер — это специализированный процессор, управляющий работой вверенного ему внешнего устройства. Поскольку в системе появилось теперь несколько процессоров, главный из них для отличия стали называть центральным.
Наличие контроллеров существенно изменяет процессы обмена информацией внутри компьютера. Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру.
В отличие от первоначальной архитектуры, для связи между отдельными функциональными узлами компьютера используется специальное устройство — шина.
Шинасостоит из трех частей:
• шины данных (для передачи данных);
• шины адреса (для передачи адресов);
• шины управления (для передачи управляющих сигналов).
Одно из достоинств описанной схемы заключается в возможности легко подключать к компьютеру новые устройства. Это называется принципом открытой архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера в зависимости от круга решаемых задач.
Виды памяти
Память компьютера делится на внутреннюю — оперативнуюивнешнюю — долговременную. Основные различия внутренней и внешней памяти состоят в следующем: внутренняя память энергозависимая и «быстрая», внешняя память энергонезависимая и сравнительно «медленная».
Чем определяется быстродействие памяти? Временем доступа процессора к данным, хранящимся в устройстве памяти. Иначе говоря, тем, за какое время процессор считывает или записывает в память фиксированную порцию данных, например 1 байт. Время доступа самого современного жесткого диска (винчестера) составляет примерно 10 миллисекунд. А современная оперативная память обладает временем доступа порядка 5 наносекунд, т. е. работает примерно в миллион раз быстрее.
Конструктивно оперативная память (ОЗУ) компьютера представляет собой совокупность микросхем (чипов), обеспечивающих хранение программ и данных, оперативно обрабатываемых компьютером.
Существуют два основных типа устройств оперативной памяти: динамическая и статическая память. Динамическая память чаще всего является основной памятью, статическая — дополнительной. Динамическая память стоит много меньше статической (в расчете на единицу хранимой информации), но по быстродействию значительно уступает современным микропроцессорам. Это означает, что внутрипроцессорные операции совершаются значительно быстрее (в несколько раз), чем обмен информацией между процессором и памятью. Поскольку при исполнении программы постоянно идет обмен данными между процессором и оперативной памятью, то низкое быстодействие динамической памяти тормозит весь процесс.
Значит, дополнительно необходима пусть менее емкая, но более «быстрая» память. Это статическая память, которую еще называют кэш-па-мятью. В ней хранятся данные, к которым исполняемая программа обращается наиболее часто. Кэш-память работает практически с той же скоростью, что и процессор. Использование кэш-памяти позволяет значительно увеличить производительность системы.
Существует еще один вид устройств памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). ПЗУ — энергонезависимое устройство, т. е. данные, находящиеся в нем, не зависят от того, включен ли компьютер. В динамической и статической памяти при исчезновении энергопитания данные практически мгновенно исчезают. В ПЗУ хранится программа запуска компьютера, которая называется BIOS (базовая система ввода/вывода). BIOS начинает работать после включения питания компьютера. Эта программа загружает с диска операционную систему и далее в работе компьютера не участвует.
На рис. 4.1 также представлен еще один вид памяти — видеопамять, обслуживающая устройство визуального отображения выводимой информации — монитор. Сначала формируется содержимое видеопамяти, а затем контроллер монитора выводит изображение на экран.
Системная плата
Конструктивно упомянутые выше устройства расположены в персональном компьютере в системном блоке (в настольном варианте ПК). Если снять крышку системного блока, то под ней мы обнаружим несколько плат, содержащих многочисленные разъемы и микросхемы. Главная из них — системная плата, называемая также материнской платой. Перечислим лишь некоторые компоненты системной платы:
Контроллеры
Контроллер — это электронное устройство, предназначенное для подключения к магистрали компьютера разных по принципу действия, интерфейсу и конструктивному исполнению периферийных устройств (см. также “Функциональное устройство” и “Шины и интерфейсы”).
К термину “контроллер” очень близок по смыслу другой термин — “адаптер”. Назначение обоих одинаково, но контроллер несколько сложнее: “подразумевается его некоторая активность — способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор” 11 . На уровне рядового пользователя данные понятия практически неразличимы и могут считаться синонимами.
И еще одним похожим устройством является сопроцессор. Сопроцессоры “помогают” основному (центральному) процессору, который исполняет программу, реализовывать сложные специфические функции. Примером может служить графический сопроцессор, выполняющий геометрические построения и обработку графических изображений, — его вполне можно считать графическим контроллером. Несколько особняком стоит математический сопроцессор, который выполняет свои функции “в одиночку”, не управляя никакими внешними устройствами.
Все перечисленные выше устройства служат для уменьшения нагрузки на центральный процессор и повышают общую производительность системы. Значение контроллеров состоит в том, что они освобождают процессор от наиболее медленных функций ввода/вывода информации. Идеи применения специализированных интеллектуальных схем для разгрузки центрального процессора были заложены еще в третьем поколении ЭВМ в больших машинах коллективного пользования IBM-360 (в СССР данное семейство машин известно в качестве “аналога” под именем ЕС ЭВМ). В четвертом поколении возникла технологическая возможность собирать схемы управления в едином кристалле, и появились микроконтроллеры.
В качестве примера на фотографии приведен вид микроконтроллера, располагающегося внутри клавиатуры. Подчеркнем, что еще один контроллер для обслуживания клавиатуры есть в самом компьютере. Кроме того, все устройства ввода/вывода и внешняя память также имеют свои контроллеры.
В состав контроллера, как правило, входят: собственный микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ, регистры внешних устройств (через них контроллер взаимодействует с центральным процессором), буферные (согласующие) схемы. В определенном смысле сложный контроллер является упрощенной специализированной ЭВМ.
Чтобы читатели получили некоторое представление о функциях и возможностях современных контроллеров, приведем описание контроллера накопителя на гибких магнитных дисках, которое дается в фундаментальном труде Э.Таненбаума по операционным системам 12 . “Основными командами являются команды read и write (чтение и запись). Каждая из них требует 13 параметров, упакованных в 9 байт. Эти параметры определяют такие элементы, как адрес блока на диске, который нужно прочитать, количество секторов на дорожке, физический режим записи, расстановку промежутков между секторами. Они же сообщают, что делать с меткой адреса данных, которые были удалены. Если вы не можете сразу это осмыслить, не волнуйтесь — полностью это понятно лишь посвященным. Когда выполнение операции завершается, чип контроллера возвращает упакованные в 7 байт 23 параметра, отражающие наличие и типы ошибок”.
Еще боRльшим интеллектом обладает контроллер современного винчестера. Например, он “помнит” все имеющиеся на магнитной поверхности некачественно изготовленные сектора (а их при современной плотности записи избежать не удается!) и способен подменять их резервными, создавая видимость диска, который полностью свободен от дефектов. Или еще один пример. Современные жесткие диски используют технологию S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology — дословно “технология самоконтроля, анализа и отчета”; кроме того, английское слово “smart” имеет значение “разумный”, “интеллектуальный”). Винчестер, оснащенный такой возможностью, со времени самого первого включения ведет статистику своих параметров, сохраняя ее результаты в некоторой скрытой области диска. Накопленные данные могут помочь специалистам при анализе состояния жесткого диска и условий его эксплуатации.
Методические рекомендации
Курс информатики основной школы
Строго говоря, в Стандарте и Примерной программе не упоминается термин “контроллер”. Тем не менее минимальное представление о контроллерах и их функциях, по нашему мнению, школьникам желательно дать.
Курс информатики в старших классах
Стандарты (базовый и профильный) старших классов содержат вопросы, связанные с архитектурой и организацией современных компьютеров. По-видимому, осветить эти вопросы, не упоминая терминов “адаптер”, “контроллер” и “сопроцессор”, просто невозможно. Изложенный в статье материал можно рассматривать в качестве минимума информации, который следует изложить старшекласснику в рамках рассказа об устройстве современного компьютера.
11 Гук М. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. СПб.: Питер, 2003, 923.
12 Э.Таненбаум. Современные операционные системы. СПб.: Питер, 2004, 1040 с.
Назначение платы контроллеры компьютера
Если Вы владелец сайта, дополнительную информацию Вы можете узнать по e‑mail support@majordomo.ru
Создайте сайт-визитку, интернет-магазин или лендинг на основе шаблонов или выберите готовый вариант. От 210 руб/месяц.
Подбирайте и регистрируйте домены у аккредитованного регистратора. 200+ зон, .RU и .РФ всего за 149 руб/месяц.
Создайте страницу мероприятия любого типа в удобном конструкторе бесплатно. Запустите продажу билетов, комиссия от 3.5%.
Лучшее предложение на рынке виртуального хостинга от надежной компании! Тарифы на любой вкус от 99 руб/месяц.
Как происходит программирование
Контроллеры – это устройства, позволяющие обрабатывать электрический сигнал и преобразовывать его. На сегодняшний день в ПЛК ставится логика при помощи компьютерной программы. Именно она определяет, на каких выходных клеммах будет присутствовать напряжение при определенных условиях на входных клеммах. Отчасти эта логика схожа с той, которая применяется в релейной схемотехнике. Но в ней нет никаких реле, переключателей, контактов. Написание и просмотр программы происходит при помощи компьютера, который соединяется с портом программирования.
Допустим, у нас есть контроллер, лампа и выключатель. Контроллер подключается к источнику питания, со входом соединяется выключатель, а на выходе ставится лампа. При нажатии кнопки должна загораться лампа. Вариант простейшей программы для ПЛК:
- При разомкнутом выключателе на вход не подается напряжение, поэтому на выходе лампа не будет загораться.
- При нажатии на кнопку подается сигнал на вход. В программе контакты, соответствующие порту, будут активироваться. Все мнимые реле начнут работать внутри контроллера. Это образное обозначение, на деле никаких электромагнитных реле в нем нет. В результате появляется напряжение на выходе контроллера и лампа загорается.
Все действия, которые производятся с контроллерами, удобнее всего рассматривать на примере электромагнитных реле. Так нагляднее видна работа устройства.
RAID Контроллеры
Объединение жестких дисков в RAID-массивы, изначально применявшееся лишь для серверных SCSI-дисков, постепенно завоевывает все большую популярность и на рынке домашних ПК. Доказательством тому является тот факт, что подавляющее большинство производителей материнских плат интегрируют RAID-контроллеры в свои продукты. Причем зачастую на одной материнской плате может быть установлено сразу несколько (два-три) RAID-контроллеров. Кроме того, недавно корпорация Intel выпустила новое поколение чипсетов i875P (Canterwood) и i865 (семейство Springdale) с новым южным мостом ICH5R (микросхема i82801ER), содержащим интегрированный двухканальный SATA RAID-контроллер. Поэтому можно говорить о том, что для современных ПК наличие RAID-контроллера постепенно становится своеобразным стандартом де-факто.
Условно все SATA RAID-контроллеры можно поделить на два класса: контроллеры первого и второго поколений. Контроллеры первого поколения были популярны в переходный период, когда SATA-диски только начали появляться и фактически использовалась комбинация традиционного контроллера PATA (Parallel ATA) и моста, выполняющего преобразование PATA — SATA и обратное. За счет такого двойного преобразования производительность контроллеров первого поколения была не очень высока, хотя и сегодня такие решения еще встречаются. Контроллеры второго поколения — это так называемые истинные (native) SATA RAID-контроллеры.
Распространенные в настоящее время двухканальные SATA RAID-контроллеры практически идентичны по своим функциональным возможностям. Почти все они поддерживают объединение дисков в массивы уровня 0 или 1. Исключение составляет лишь контроллер, интегрированный в южный мост ICH5R чипсетов семейств i865 и i875. Сегодня эти контроллеры допускают лишь создание массивов уровня 0.
Размещение RAID Контроллера на материнской плате
Контроллеры материнской платы
Контроллеры — устройства для подключения к плате внешних устройств и управления ими. Таких контроллеров на плате много, но мы рассмотрим только некоторые из них.
Контроллеры IDE – предназначены для подключения к материнской плате устройств хранения и чтения информации – жестких дисков, CD/DVD-ROMов и т.д. контроллеры IDE уже устарели и на матерях, где встречается контроллер IDE их установлено два и к каждому можно подключить до двух устройств – ведущее Master и ведомое Slave. По умолчания первым ведущим всегда ставится жесткий диск, именно с него производится загрузка системы. Вторым ведущим ставится, как правило, CD/DVD-ROM. Если вы покупаете себе компьютер или отдельно материнскую плату, то вам следует отказаться от IDE в пользу нового стандарта Serial ATA (SATA).
SerialATA – новый стандарт интерфейса жестких дисков. К каждому разъему SATA подключается только одно устройство и привычная схема Master/Slave уходит в прошлое. Интерфейс SerialATA позволяет передавать данные с наиболее большей скоростью, чем традиционный ATA. Но здесь один минус – разъемов стало нехватать. Поэтому при покупке системной платы обратите внимание на количество SATA разъемов, их должно быть как можно больше.
