STRUCTURA PC

Organizarea generalaPlaca de bazaProcesorulMemoria cacheExecutia instructiunilorInterfatarea procesoruluiTipuri de RAMInterfata graficaSubsistemul de I/E

BibliografieMichael Karbo –„ PC Architecture”

Organizarea generala

PC-urile sunt realizate pe baza microprocesoarelor, care au evoluat din anii '70 pana astazi:

Nr. biti Procesor Aplicatii

4 biti 4004 Calcule aritmetice

8 biti 8080 Microcalculatoare CP/M

16 biti 8086, 80286 PC-uri IBM cu MS-DOS

32 biti 80386, Pentium 4 Windows 32

64 biti Athlon 64, Pentium 4 Itanium, Intel Core i7

Servere cu Windows, Linux 64biti

Un PC este alcatuit dintr-o unitate centrala si cateva dispozitive externe. Unitatea centrala este formata dintr-o carcasa (tower, minitower, desktop) continand electronica calculatorului (dispozitivele interne):

Dispozitivele interne:-placa de baza (motherboard): CPU, RAM, ROM (BIOS si programele

de startup), chipset (controllere), porturi, magistrale cu sloturi, interfete EIDE, USB, AGP, etc;

-hard disk-uri, unitati optice (CD-ROM, DVD), unitati de floppy disk;-placi diferite: placa video, placa retea, controller SCSI, placa de sunet;Dispozitive externe: tastatura, mouse, monitor, boxe, camera video

digitala, imprimanta, hard disk extern, etc. Dispozitivele externe sunt conectate la unitatea centrala prin cabluri sau wireless.

Placa de baza

Placa de baza (motherboard) este componenta cea mai importanta, intregul calculator fiind construit in jurul sau.

Comunicatia pe placa de baza:

Comunicatia cu dispozitivele externe:

Alimentarea placii de baza:

Conectorul mai vechi AT:

Conectorul ATX12V 2.x de 24 pini sau 20 pini (omite pinii 11, 12, 23, 24):

Placa de baza contine de asemenea:-cipuri: ROM cu BIOS si alte programe, memoria CMOS cu date

definite de utilizator pentru programul de setup, chipset (de obicei doua cipuri) continand diferite controllere;

-socket-uri: CPU, memori a RAM, diferite placi (PCI, AGP, AMR, etc.), hard disk, unitate CD-ROM, DVD;

-conectori pentru dispozitive externe: tastatura, mouse, monitor, USB, audio, etc.

-jumper-i utilizati pentru diferite configurari (tensiuni, selectie viteza,adaptare tip echipament);

-pini pentru conectarea buton RESET, LED activitate hard disk, difuzor incorporat, etc.

Procesorul

Procesorul sau CPU (Central Processing Unit) poate fi diferit. Anumite caracteristici sunt importante pentru amplasarea pe o placa de baza:

-tip socket;-frecventa de lucru;-mod de operare;-viteza de transfer pe magistrala;-putere termica.

Un exemplu: Intel Core i7 Extreme cu urmatoarele caracterisitici:-tip socket: 1366;-frecventa de lucru: 3.33 GHz;-mod de operare 32/64 biti;- viteza de transfer pe magistrala: 6.4 GT/sec (Giga Transferuri pe

secunda);-putere termica: 130 W.

Pentru a identifica procesorul din sistem se poate utiliza din Windows: Control Panel Performance and Maintenance System:

Puterea termica a procesoarelor actuale este foarte mare, astfel fiind necesara racirea ("cooler"):

Schema bloc a unui PC:

Transferul de date se poate face pe mai multe magistrale de viteze si rate de transfer diferite. Magistralele pot fi conectate prin circuite controller speciale numte "bridge"-uri.

Arhitectura cea mai raspandita de PC contine doua circuite in chipset numite "north bridge" si "south bridge" (inclusiv cele mai populare chipset-uri de la Intel si VIA), fiecare avand functii specifice.

North bridge este un controller care controleaza fluxul de date intre CPU, RAM si portul AGP. AGP este de fapt un port de I/E, utilizat pentru placa grafica si deoarece trebuie sa fie cat mai aproape de memoria RAM portul AGP este conectat la "north bridge". Asemanator portul PCI Express x 16, care este o solutie alternativa la PC-urile mai noi.

South bridge incorporeaza o serie de functii de control, in primul rand pentru hard disk si celelalte echipamente I/E.

Dezvoltarea hardware-ului a facut ca producatorii de circuite sa includa o serie de functii in chipset:

-placa grafica north bridge;-placa sunet south bridge;-modem south bridge;-retea south bridge;-Firewire south bridge.

Astfel calitatea obtinuta este satisfacatoare pentru majoritatea aplicatiilor. Insa pentru aplicatii speciale, placile dedicate permit performante superioare. Exemplu: placa grafica in jocuri 3D sau ieisre TV.

Memoria cache

Memoria cache este organizata pe cel putin doua niveluri:

Exemplu: Intel Celeron D 300 contine doua memorii cache L1 de 16 KB si o memorie cache L2 de 256 KB. Magistrala dintre cache-urile L1 si L2 trebuie sa dispuna de o viteza (rata) foarte mare de transfer. Se poate calcula pe baza largimii magistralei (numar de biti transferati in paralel) si frecventa ceasului:

CPU Largime magistrala

Frecventa ceas

Rata teoretica

Intel Pentium III

64 bits 1400 MHz 11.2 GB/s

AMD Athlon XP+

64 bits 2167 MHz 17.3 GB/s

AMD Athlon 64

64 bits 2200 MHz 17,6 GB/s

AMD Athlon 64 FX

128 bits 2200 MHz 35,2 GB/s

Intel Pentium 4

256 bits 3200 MHz 102 GB/s

Capacitatea memoriilor cache variaza in functie de procesor. In timp ce la AMD se utilizeaza cache L1 de capacitate mare (128 KB), Intel utilizeaza cache L1 mai mic (16 KB)dar eficient (Execution Trace Cache). Capacitatile memoriilor cache pentru cateva procesoare:

CPU L1 cache L2 cache

Athlon XP 128 KB 256 KB

Athlon XP+ 128 KB 512 KB

Pentium 4 (I) 20 KB 256 KB

Pentium 4 (II) "Northwood"

20 KB 512 KB

Athlon 64 128 KB 512 KB

Athlon 64 FX 128 KB 1024 KB

Pentium 4 (III) 28 KB 1024 KB

Executia instructiunilor

Setul de instructiuni executate intr-un PC este de tip CISC ("Complex Instruction Set Computer"). Instructiunile sunt complexe si au o lungime variabila intre 8 si 120 de biti. Solutia opusa este setul RISC ("Reduced Instruction Set Computer"), avand instructiuni de lungime constanta (ex: 32 de biti). Procesoarele actuale realizeaza un mixaj intre RISC si CISC. Pentru compatibilitate cu procesoarele mai vechi (programele mai vechi DOS / Windows) procesoarele actuale pot executa instructiuni CISC, dar fiecare instructiune CISC este translatata in cate o secventa RISC (2-3 micro-ops) inainte de executie.

Fiecare nou procesor introdus a extins setul de instructiuni al procesorului precedent: 80386 a adaugat 26 noi instructiuni, 80486 a adaugat 6 noi instructiuni, iar Pentium a adaugat 8 noi instructiuni. In paralel a scazut ciclul instructiunilor (ex: adunarea a doua numere la 80386 necesita 6 cicluri, iar la 80486 necesita numai doua cicluri).

Au fost introduse extensii cum sunt MMX si SSE (se vor discuta mai tarziu).

O alta imbunatatire importanta: procesoare pe 64 de biti, care pentru compatibilitate pot executa si programe pe 32 de biti).

Calculele executate intr-un calculator pot fi impartite in doua categorii: cu numere intregi si cu numere in virgula mobila (in jocuri 3D, prelucrari de sunete, imagini, video). Initial calculele de v.m. erau executate intr-un coprocesor aritmetic separat (ex: procesorul 80386 + coprocesorul de v.m 80387). Incepand cu 80486 coprocesorul aritmetic a fost plasat in procesor sub forma uneia sau mai multor FPU ("floating point unit").

Pentru cresterea performantelor s-au adaugat noi registre si noi instructiuni. Un prim exemplu: Pentium MMX ("multimedia extension") care avea un set de instructiuni MMX si un set de registre MMX.

In vara 1998 AMD a introdus sub denumirea 3DNow! un grup de 21 instructiuni SIMD pentru imbunatatirea prelucrarilor 3D, care permitea prelucrarea in paralel a catorva date cu o singura instructiune

In ianuarie 1999 Intel a introdus SSE ("Streaming SIMD Extensions") de asemenea pentru imbunatatirea performantelor 3D, in cadrul procesorului Pentium III. SSE reprezenta o solutie mai performanta decat 3Dnow!:

-8 registre noi de 128 biti care pot sa contina patru numere pe 32 de biti;

-50 noi instructiuni SIMD;-12 noi instructiuni media, special propiectate, exemplu: codificarea si

decodificarea stream-urilor video MPEG-2;-opt noi instructiuni de streaming la memorie pentru a imbunatati

transferul intre cache-ul L2 si memoria RAM.Cu Pentium 4 s-a extins SSE la SSE2, continand 144 noi instructiuni,

inclusiv operatii intregi SIMD pe 128 biti si operatii de v.m. dubla precizie pe 128 biti. Aplicatii: video, recunoasterea vorbirii, prelucrarea imaginilor, programe financiar/stiitifice. SSE2 a fost adoptat si de AMD, care a dublat numarul de registre SSE2 (in comparatie cu Pentium 4).

Mai tarziu, Intel a introdus SSE3 cu 13 noi instructiuni (Pentium 4 Prescott).

Pentru a beneficia de aceste facilitati a fost necesara rescrierea unor programe care sa includa noile instructiuni.

In cadrul procesorului Pentium 4 s-a introdus tehnologia Hyper-Threading Technology: permite executia in paralel a doua thread-uri (fire de executie). Astfel un singur procesor fizic functioneaza ca doua procesoare logice:

O solutie imbunatatita: procesoarele dual-core. Exemple: AMD Opteron, Intel Pentium 4 Smithfield. Un procesor dual-core Pentium 4 cu Hyper-Threading Technology functioneaza ca patru procesoare logice:

Interfatarea procesorului

Cea mai importanta conexiune este cea dintre procesor si memoria RAM. Transferul de date se face pe o magistrala lucrand la o anumita frecventa (deaoarece RAM-ul este mult mai lent decat procesorul si aceasta frecventa este mai mica).

In PC-ul original (IBM XT) transferul intre procesor, RAM si I/E se desfasura sincron la o frecventa comuna.

Compaq 1987: ideea separarii magistralei sistem de magistrala I/E, lucrand la frecvente diferite.

Cu introducerea procesorului 80486 s-a trecut la dublarea (cresterea) frecventei procesorului fata de frecventa RAM

Cu introducerea procesoarelor urmatoare s-a marit si mai mult frecventa procesorului fata de frecventa magistralei. Ex: Pentium III frecventa magistralei 133 MHz si frecventa procesorului 1200 MHz (9x).

Tipuri de RAM

In PC se utilizeaza diferite tipuri de RAM, cateva fiind date in tabel:

Tip RAM Pini Lung.cuvant

Utilizare

SD RAM 168 64 biti In PC-uri mai vechi.

Rambus RAM

184 16 biti In unele PC-uri cu Pentium 4 si anumite chipseturi.

DDR RAM 184 64 biti Versiune mai rapida de SD RAM. Utilizat cu Athlon si Pentium 4 la 2.5 V.

DDR2 RAM 240 64 biti Frecventa mai mare de ceas, la 1.8 V.

Interfata grafica

Portul AGP este direct conectat la procesor si la memoria RAM. Interfata grafica poate fi realizata in doua moduri:

-placa "plug-in";-integrata pe placa de baza.

Placa grafica poate fi conectata la magistrala PCI, magistrala AGP sau la magistrala PCI Express x16.

Initial, interfata grafica era plasata ca o interfata obisnuita de I/E. Din cauza cerintelor mari de transfer s-au introdus solutii mai performante.

AGP (Accelerated Graphics Port) este un port special de I/E propiectat exclusiv pentru placi grafice. Lansata initial de Intel, a fost plasata aproape fizic fata de "north bridge".

Magistrala AGP este o varianta pe 64 biti a magistralei PCI (pana si conectorul are forma unui conector PCI, dar de alta culoare si plasat in alta pozitie). Au fost dezvoltate diferite versiuni: 1X (rata de transfer 254 MB/s), 2X (508 MB/s), 4X, 8X.

Texturile corespund fondului in cadrul jocurilor, acestea se pot incarca direct din memoria RAM. Sistemul se numeste DIME – Direct Memory Execute, acesta permitand extinderea memoriei de pe placa video in RAM-ul placii de baza.

In figura apare si RAMDAC care permite translatarea datelor numerice in semnal analogic in cazul in care placa grafica este conectata la un monitor analogic.

Ulterior s-a introdus magistrala PCI Express X16, oferind o rata de 8 GB/s.

Subsistemul de I/E

Cresterea traficului si perfectionarea tehnologica au condus la perfectionarea controller-elor de I/E din south bridge.

O comparatie intre magistrala sistem si magistralele de I/E:

Magistrala Magistralele north bridge

Magistralele I/E

Variante FSB, RAM, AGP, PCI Express X16, CSA

ISA, PCI, PCI Express, USB, ATA, SCSI, FireWire

Conecteaza CPU, RAM, Video, Ethernet

Toate celelalte dispozitive

Frecventa ceasului 66-1066 MHz 10-33 MHz

Capacitate maxima >3 GB/s 20-500 MB/s per magistrala

Magistralele de I/E conecteaza diferite echipamente la procesor si memoria RAM:

Nume Dispozitive

KBD, PS2, FDC, Game

Tastatura, mouse, unitate de floppy disk, joystick, etc

ROM, CMOS BIOS, setup, POST

ATA Hard disk, CD-ROM/RW, DVD, etc.

PCI, PCI Express Placa retea, controller SCSI, video grapper card, placa sunet, etc.

USB Mouse, scanner, imprimanta, modem, hard disk extern, etc.

Firewire Scanner, DV camera, external hard disk

SCSI Hard disk, unitati CD-ROM, scanner, unitati banda magnetica

LPT, COM Dispozitive paralele si seriale (imprimanta, modem, etc)

Cateva exemple de magistrale propriu-zise:-ISA: mai veche, viteza scazuta;-MCI, EISA, VL: de asemenea mai vechi , dar mai rapide;-PCI: magistrala foarte generala de I/E;-PCI Express: mai recenta.

Acestor magistrale le corespund pe placa de baza conectori in care se pot introduce diferite placi.

Magistrala PCI

PCI (Peripheral Component Interconnect) este o magistrala independenta de procesor, putand fi utilizata atat in sisteme pe 32 biti cat si in sisteme pe 64 biti. Se poate calcula rata de transfer a magistralei:

Frecventa ceas 33 MHz

Largime magistrala 32 biti

Rata 32 biti x 33 333 333 impulsuri/s = 4 B x 33 333 333 impulsuri/s = 132 MB/s

Standardul Plug and Play (dezvoltat de Microsoft si Intel) este parte a specificatiei PCI, insemnand ca toate interfetele (placile) PCI sunt auto-configurabile. Conceptul permite ca foarte simplu o placa se poate introduce in calculator si aceasta va functiona: in realitate este ceva mai complicat caci este necesar sa se instaleze un driver software. Acest lucru se face insa automat prin cooperarea dintre interfata, placa de baza si sistemul de operare. Pentru a opera pe magistrala este necesar sa se specifice placii adresele de I/E, nivelurile de intrerupere (IRQ), etc:

SCSISCSI (Small Computer System Interface) este un controller avansat care poate transfera pana la 160 MB/s (mult mai mult decat magistrala PCI). Sistemul SCSI este construit in jurul unui controller central (adaptorul host) care poate controla un numar de dispozitive SCSI conectate in lant. Fiecarui dispozitiv i se aloca un numar de identificare si se plaseaza cate un terminator la sfarsitul fiecarui capat al lantului SCSI. Un lant tipic SCSI:

Controllerul SCSI gestioneaza o intreaga mica retea de dispozitive de I/E. Discurile SCSI au o capacitate sporita de transfer fata de dispozitivele standard ATA (chiar daca recent discurile ATA au fost perfectionate devenind comparabile cu discurile SCSI).

RAID

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) este o tehnologie care conecteaza impreuna o serie de hard discuri standard pentru a forma un sistem avansat, corector de erori, utilizat in servere. Este o extensie a standardului SCSI si a fost utilizat prima data in 1987, dar ulterior au fost dezvoltate standardele mai ieftine ATA si SATA.

Avantaje RAID:-securitate sporita (informatiile se gasesc pe mai multe discuri, in cazul

defectarii unui disc, informatia se gaseste si pe alte discuri;-transfer de date mai rapid (controllerul RAID scrie si citeste in paralel

pe mai multe discuri, astfel viteza de transfer se poate dubla sau tripla). Categorii RAID:

Nivel Tehnica

RAID 0 Doua sau mai multe discuri sunt conectate, iar datele sunt impartite intre ele. Creste viteza (acces paralel), dar fara sporirea securitati.

RAID 1 Doua hard discuri, obtinand securitate sporita (scriere normala, + scriere pe discul "mirror".

RAID 0/1

Utilizeaza patru discuri si combina cele doua tehnici.

RAID 3 Raspandeste datele pe mai multe discuri si memoreaza informatia de paritate pe unul dintre ele.

RAID 5 Imbunatateste securitatea si performanta. Utilizeaza cel putin trei sau uzual patru discuri, fiind considerata cea mai buna solutie.

USB

USB (Universal Serial Bus) este o magistrala seriala ieftina, care unifica conectorii diferiti pentru tastatura, mouse, scanner joystick, camera digitala, imprimanta, etc. pe o magistrala partajata, cu un conector comun.

Caracteristici:-viteza de transfer maxima 12 Mbiti/s (USB 1.1), respectiv 40 MB/s

(USB 2.0);-utilizeaza numai patru semnale (in comparatie cu alte standarde si

magistrale);-cablul USB poate furniza alimentare catre dispozitivul conectat;-se pot conecta maxim 127 de echipamente USB utilizand hub-uri

USB;-dispozitivele USB se pot conecta din "zbor" fara a restarta calculatorul;-a facut interfetele seriale COM1 si COM2 inutile.

IEEE 1394 – FireWire

FireWire este o extensie a standardului SCSI furnizand o magistrala seriala de viteza mare cu rata maxima de 400 Mb/s.

Anumite calculatoare dispun de porturi FireWire integrate pe placa de baza, altele permit conectarea unor placi FireWire, astfel se poate conecta direct o camera video

Hard discuri ATA si SATA

Un hard disc consta din unul sau mai multe platane magnetice montate intr-o cutie metalica. Vitezele de rotatie standard sunt de 5400 sau 7200 rotatii / minut. Capul de citire / scriere este un mic electromagnet care se deplaseaza deasupra pistelor pe care sunt inregistrati bitii.

Furnizand curent bobinei se poate face scriere, iar fara curent furnizat bobinei se face citirea.

Fiecare platan de disc este imparit in piste, iar fiecare pista este impartita in sectoare, un sector continand normal 512 octeti. Scrierea fisierelor pe disc se face pe unul sau mai multe sectoare, iar evidenta este tinuta de sistemul de fisiere (FAT in Windows 98, respectiv NTFS in Windows 2000/XP).

Toate hard discurile au cate o memorie cache de 2-8 MB, functionand ca un buffer, permitand o gestionare optima a datelor.

Hard discul este gestionat de un controller plasat chiar in unitate care comunica cu un controller compatibil plasat pe placa de baza, cele doua controllere fiind conectate printr-un cablu. Interfata ATA (AT Attachement) se bazeaza pe standardul IDE (Integrated Drive Electronics). Standardul IDE putea gestiona discuri de maxim 512 MB, astfel ca pe la mijlocul anilor '90 a fost dezvoltat standardul ATA (ATA paralel), utilizat pentru diverse echipamente ca hard discuri, CD-ROM, DVD, etc.

Interfata ATA poate fi vazuta ca o magistrala gestionata de un controller host, conectand pana la patru dispozitive, cate doua pe fiecare canal:

Exista mai multe protocoale ATA, fiecare fiind compatibil inapoi:

Protocol Rata transfer maxima teoretica

PIO3 13.3 MB/s

PIO4 16.6 MB/s

Ultra DMA (ATA/33)

33 MB/s

ATA/66 66 MB/s

ATA/100 100MB/s

ATA/133 133 MB/s

SATA 150 MB/s

Acestea sunt vitezele interfetelor, caci discurile livreaza date in general la o rata mai mica.

Incepand cu ATA/66 s-a schimbat si tipul de cablu, fiecare fir fiind dublat cu o linie de masa.

Fiecare dispozitiv ATA contine o mica zona de jumperi, care permit setarea daca este master sau slave.

Sistemul paralel ATA este inflexibil, iar cablurile late de conectare a discurilor la placa de baza ocupa loc si impiedica racirea => sistemul Serial ATA, avand cablu cu numai 7 fire. Caracteristici SATA:

-rate mari de transfer 150 MB/s (versiunea initiala), apoi 300 MB/s, 600 MB/s;

-nu este necesara oprirea calculatorului pentru conectarea / deconectarea unitatilor de disc;

-controller mai inteligent (tip SCSI);-fara jumperi pentru master/slave;-cablu de conectare ingust (8 mm);-cost scazut si instalare simpla.