Архитектура IBM PC-совместимого компьютера. ААС 09

1. Основы компьютерной техники

ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ
ТЕХНИКИ
Дисциплина: «Архитектура аппаратных средств»
Преподаватель: Солодухин Андрей Геннадьевич

2.

Архитектура IBM PC-совместимого
компьютера

3. Архитектура IBM PC-совместимого компьютера

• Архитектурный облик PC-совместимого компьютера
определяется рядом свойств, которые могут
обеспечить возможность функционирования
программного обеспечения, управляющего различным
периферийным оборудованием.

4. Архитектура IBM PC-совместимого компьютера

• Программы могут взаимодействовать с устройствами
разными способами:
• через вызовы функций операционной системы (DOS,
API Windows и т. п.);
• через вызовы функций базовой системы ввода-вывода
(BIOS);
• непосредственно взаимодействуя с известными им
компонентами — портами и памятью устройств или
контроллеров интерфейсов.

5. Архитектура IBM PC-совместимого компьютера

• Облик PC-совместимого компьютера в значительной
степени определяется такими разработчиками, как
Microsoft и Intel.
• Для этих фирм уже стало традицией выпускать
объемистый документ, диктующий разработчикам
аппаратуры требования для получения вожделенного
логотипа «Designed for Microsoft Windows».

6.

7. Архитектура IBM PC-совместимого компьютера

• В спецификациях определяются требования к
функциональности и производительности всех
подсистем компьютера, включая периферийные
устройства.
• Отдельные положения этих спецификаций
упоминаются в разделах, посвященных конкретным
подсистемам ПК.

8.

Структурная схема современного IBM PCсовместимого компьютера

9. Структурная схема

• Структурная схема современного IBM PC -
совместимого компьютера приведена на рисунке.
• Ядром компьютера являются процессор (один или
несколько), ОЗУ, ПЗУ с BIOS и интерфейсные
средства, связывающие их между собой и с
остальными компонентами.
• Эти средства на рисунке изображены в виде
«облака», поскольку их формы разнообразны (шины,
хабы).

10.

Структурная схема компьютера

11. Структурная схема

• Это «облако» обычно имеет интерфейсы одной или
нескольких шин расширения (ISA, PCI/PCI-X, PCI-E), а
также порта AGP (уже вытесняемого PCI-E).
Стандартная архитектура РС определяет набор
обязательных средств ввода-вывода и средств
поддержки периферии, включая:
систему аппаратных прерываний (i8259A),
систему прямого доступа к памяти (i8237A),
трехканальный счетчик (i8254),
интерфейс клавиатуры и управления (i8042),
канал управления звуком, память и часы CMOS.

12. Структурная схема

• На рисунке изображены лишь логические связи между
этими устройствами; подразумевается, что с помощью
средств того же «облака» они представлены своими
стандартизованными регистрами в общедоступном
пространстве ввода-вывода.
• Также подразумевается, что все компоненты получают
требуемое питание, что превращает весь этот набор
компонентов в работоспособный компьютер.

13. Структурная схема

• Конечно же, он должен быть дополнен периферией:
• дисплеем со своим адаптером, подключаемым к порту
AGP, шине расширения или прямо в «облако»,
• контроллерами шин периферийных устройств (АТА,
SATA, SCSI, SAS, USB, FireWire), интерфейсов портов
(COM, LPT, GAME...), дисководов, аудиосредств и пр.
• «Облако» вместе со средствами ввода-вывода и
поддержки периферии реализуется чипсетом
системной платы, который обычно включает в себя и
перечисленные выше интерфейсы.

14. Структурная схема

Любой PC-совместимый компьютер имеет
следующие характерные черты:
• процессор, программно совместимый с семейством
х86 фирмы Intel;
• специфическую систему распределения пространства
адресов памяти;
• традиционное распределение адресов пространства
ввода-вывода с фиксированным положением
обязательных портов и совместимостью их
программной модели;

15. Структурная схема

Любой PC-совместимый компьютер имеет
следующие характерные черты:
• систему аппаратных прерываний, позволяющую
периферийным устройствам сигнализировать
процессору о необходимости исполнения некоторых
обслуживающих процедур;
• систему прямого доступа к памяти, позволяющую
периферийным устройствам обмениваться массивами
данных с оперативной памятью, не отвлекая на это
процессор;
• набор системных (стандартных) устройств и
интерфейсов ввода-вывода;

16. Структурная схема

Любой PC-совместимый компьютер имеет
следующие характерные черты:
• унифицированные по конструктиву и интерфейсу
шины расширения (ISA, EISA, MCA, VLB, PCI/PCI-X,
PCI-E, PC Card, Card Bus), состав которых может
варьироваться в зависимости от назначения и модели
компьютера;
• базовую систему ввода-вывода (BIOS), выполняющую
начальное тестирование и загрузку операционной
системы, а также имеющую набор функций,
обслуживающих системные устройства ввода-вывода.

17.

Распределение пространства памяти

18. Распределение пространства памяти

• Пространство памяти в РС-совместимых компьютерах
используется для размещения собственно памяти
(ОЗУ, ПЗУ), а также регистров (областей локальной
памяти) периферийных устройств.
• Распределение пространства памяти РС обусловлено
особенностями системы адресации процессоров
семейства х86 и требованиями обратной
совместимости РС с ПО всех предшествующих
поколений.

19. Распределение пространства памяти

• Адресуясь в пространстве памяти, центральный
процессор и активные устройства (мастера шин) могут
обращаться и к памяти периферии, отображенной на
это пространство.
• Отметим, что в логическом распределении памяти
фигурирует физическая память (оперативная и
постоянная), а кэш является лишь «прозрачным»
средством повышения ее производительности и не
представляет отдельно адресуемых областей.

20. Распределение пространства памяти

• Процессоры 8086/88, применявшиеся в первых
моделях РС, имели доступное адресное пространство
1 Мбайт (20 бит шины адреса).
• Эти процессоры использовали сегментную модель
памяти, унаследованную и позднейшими моделями в
реальном режиме.
• Доступ к адресному пространству обеспечивался при
помощи пары 16-битных регистров.
• Начиная с процессора 80286, шина адреса была
расширена до 24 бит, а впоследствии (386DX, 486 и
выше) до 32 и даже 36 (у процессоров Р6).

21. Распределение пространства памяти

• В реальном режиме процессора, используемом в
DOS, применяется та же сегментная модель памяти и
формально доступен лишь 1 Мбайт памяти, что
является недостаточным для большинства
современных приложений.
• Процессоры 80286, с которых началась жизнь IBM
PC/AT, эмулируют процессор 8086 с ошибкой.
• Та самая единица в бите А20, которая отбрасывалась
в процессорах 8086/88, теперь попадает на шину
адреса.

22. Распределение пространства памяти

• За эту ошибку с радостью ухватились разработчики
РС, поскольку дополнительные байты оперативной
памяти, адресуемой в реальном режиме, оказались
подарком, позволяющим освободить дефицитное
пространство оперативной памяти для прикладных
программ.
• В эту область, названную высокой памятью (High
Memory Area, НМА), стали помещать часть
операционной системы и небольшие резидентные
программы.

23. Распределение пространства памяти

• Однако для полной совместимости с процессором
8086/88 в схему РС ввели вентиль линии А20 шины
адреса — GateA20, который либо пропускает сигнал
от процессора, либо принудительно обнуляет линию
А20 системной шины адреса.
• Старшие биты такой «заботы» не требуют, поскольку
переполнение при суммировании 16-битных
компонентов адреса по данной схеме до них не
распространяется.
• Управление этим вентилем подключили к свободному
программно-управляемому выходному биту 1
контроллера клавиатуры 8042, ставшего стандартным
элементом архитектуры РС, начиная с АТ.

24. Распределение пространства памяти

• Предполагалось, что этим вентилем часто
пользоваться не придется.
• Однако жизнь внесла свои поправки, и оказалось, что
переключение вентиля в многозадачных ОС, часто
переключающих процессор между защищенным
режимом, реальным режимом и режимом V86,
контроллером клавиатуры выполняется слишком
медленно.

25. Распределение пространства памяти

• Так появились альтернативные методы быстрого
переключения вентиля, специфичные для различных
реализаций системных плат (например, через порт
92h).
• Кроме того, иногда использовали и аппаратную логику
быстрого декодирования команды на переключение
бита, поступающую к контроллеру клавиатуры.

26. Распределение пространства памяти

• Для определения способа переключения в утилиту
CMOS Setup ввели соответствующие параметры,
позволяющие выбрать между стандартным, но
медленным способом и менее стандартизованным, но
быстрым, в зависимости от используемого ПО.
• Поскольку ошибка эмуляции 8086 была радостно
принята и широко использовалась, ее повторили в 386
и в следующих моделях процессоров.
• А для упрощения внешних схем в процессоры,
начиная с 486, ввели и вентиль GateA20 с
соответствующим внешним управляющим выводом.

27. Распределение пространства памяти

• Распределение памяти РС, физически адресуемой
процессором, проиллюстрировано на следующем
рисунке и представляется следующим образом:
• Адреса 00000h-9FFFFh (640 Кбайт) — стандартная,
или базовая, память (conventional, или base, memory).
Доступна DOS и программам реального режима.
• В некоторых системах с видеоадаптером MDA верхняя
граница сдвигается к AFFFFh (704 Кбайт).
• Иногда верхние 128 Кбайт стандартной памяти
(область 80000h-9FFFFh) называют расширенной
базовой памятью (extended conventional memory).

28. Распределение памяти РС

29. Распределение пространства памяти

• Адреса A0000h-FFFFFh (384 Кбайт) — верхняя память
(Upper Memory Area, UMA).
• Зарезервирована для системных нужд.
• В ней размещаются области буферной памяти
адаптеров, подключенных к шине ISA (например,
видеопамять), и постоянная память (BIOS с
расширениями). Эта область, обычно используемая не
в полном объеме, ставит архитектурный барьер на
пути непрерывной (нефрагментированной) памяти,
удобной для программного применения.

30. Распределение пространства памяти

• Память выше 100000h — дополнительная или
расширенная память (extended memory).
• Непосредственно доступна только в защищенном (и в
«большом реальном») режиме для компьютеров с
процессорами 286 и выше.
• В ней выделяется область 100000h-10FFEFh —
высокая память (НМА) — единственная область
расширенной памяти, доступная 286+ в реальном
режиме при открытом вентиле Gate А20.

31. Распределение пространства памяти

• Область памяти выше первого мегабайта в различных
источниках называется по-разному.
• Ее современное английское название - extended
memory - пересекается с названием одной из
спецификаций ее использования - extended memory
specification. В то же время название другой
спецификации - expanded memory specification - в
прямом переводе на русский язык неотличимо от
перевода предыдущего термина (оба термина, и
«extended» и «expanded», переводятся как
«расширенный»).

32. Распределение пространства памяти

• Мы будем придерживаться терминологии,
укрепившейся в литературе, и область всей
физической памяти, расположенной в адресном
пространстве выше первого мегабайта, назовем
дополнительной памятью.
• Ее объем указывается строкой Extended Memory ххххх
Kbyte в таблице, выводимой после прохождения теста
POST, и в меню стандартной конфигурации CMOS
Setup.

33. Распределение пространства памяти

• В современных компьютерах указывается общий
объем оперативной памяти.
• Верхняя граница адресуемой памяти определяется
разрядностью шины адреса процессора и системной
шины.
• Эти разрядности могут и не совпадать.
• Ограничение дает компонент с минимальной
разрядностью.

34. Распределение пространства памяти

• В старших адресах памяти находится образ ПЗУ BIOS:
в нем располагается программа начального запуска
компьютера (POST), стартующая с фиксированного
адреса.
• Оперативная память начинается с младших адресов,
что обусловлено фиксированным положением
таблицы прерываний в реальном режиме (она
начинается с нулевого адреса).
• Области пространства памяти, отводящиеся для
отображения периферии, находятся в местах, не
занятых оперативной и постоянной памятью.

35. Распределение пространства памяти

• Для первых компьютеров на процессорах 8086/88 с
20-битной шиной адреса верхняя граница адресуемой
памяти - 0F FFFFh.
• Область ПЗУ BIOS расположена по адресам 0Е
0000h-0F FFFFh; для оперативной памяти доступны
область стандартной памяти (640 К) и некоторые
области UMA (верхней памяти).
• Память периферийных устройств может
располагаться только в верхней памяти (Upper
Memory Area, UMA).

36. Распределение пространства памяти

• Для компьютеров класса АТ-286 с 24-битной шиной
адреса верхняя граница адресуемой памяти — FF
FFFFh.
• Область FE 0000h-FF FFFFh содержит ПЗУ BIOS
(ROM BIOS Area), обращение к этой области
эквивалентно обращению к ROM BIOS по адресам 0Е
0000h-0F FFFFh.
• В этих компьютерах для оперативной памяти доступна
и область дополнительной памяти, максимальный
размер ОЗУ может достигать 15,9 Мбайт.

37. Распределение пространства памяти

• Однако последний мегабайт (кроме области BIOS)
может быть отдан для областей памяти периферии
(дополнительно к UMA), так что объем ОЗУ окажется
меньше 15 Мбайт.
• Для процессоров 386+ и 32-битной шины адреса
верхняя граница адресуемой памяти - FFFF FFFFh (4
Гбайт).
• Здесь образ BIOS находится в адресах FFFE 0000hFFFF FFFFh, для ОЗУ и памяти периферии остается
почти 4 Гбайт.

38. Распределение пространства памяти

• Для обеспечения совместимости BIOS дополнительно
проецируется и в адреса Е 0000h-F FFFFh (для
программ, вызывающих сервисы BIOS по
фиксированным адресам).
• Для периферии доступна область UMA, не занятая
BIOS, и область, находящаяся выше границы ОЗУ (но
ниже границы 4 Гбайт).
• Периферия, расположенная на шине PCI и ее
«родственниках», может быть приписана к любым
адресам (на PCI доступно все адресное
пространство).

39. Распределение пространства памяти

• Периферия на шине ISA с ее 20-разрядным адресом
может располагаться только в пределах первых 16
Мбайт в UMA или в 16-м мегабайте памяти.
• Для адаптеров ISA в CMOS Setup предусмотрен
параметр Memory Hole At 15-16М, его установка
запрещает отображение на эти адреса оперативной
памяти. В современных версиях BIOS эта «дырка» не
мешает использованию ОЗУ объемом свыше 15
Мбайт.

40. Распределение пространства памяти

• Современные процессоры с 64-битным расширением,
как и 32-разрядные процессоры с 36-битной шиной
адреса, позволяют адресовать память и выше 4гигабайтной границы.
• Объем установленного ОЗУ также может превышать 4
Гбайт, но для периферийных устройств предусмотрено
«окно» под границей 4 Гбайт.

41. Распределение пространства памяти

• В процессорах с 64-битным расширением есть пара
специальных регистров, определяющих нижние
границы адресов для устройств ввода-вывода,
отображенных на память, для двух областей:
- под границей 4 Гбайт
- и под границей физически адресуемой памяти
(зависящей от модели процессора).

42. Распределение пространства памяти

• Иногда (в некоторых версиях BIOS для 32-разрядных
процессоров) в CMOS Setup можно включить
проекцию BIOS на область FE 0000h-FF FFFFh (как в
АТ-286).
• Особого смысла в этом нет, однако включение этого
параметра может создать трудности для
использования более 16 Мбайт ОЗУ.
• Система воспринимает только найденную
непрерывную область оперативной памяти.

43. Распределение пространства памяти

• Объем установленной оперативной памяти
определяется тестом POST при начальном включении
(перезагрузке) компьютера, начиная с младших
адресов.
• Натолкнувшись на отсутствие памяти (ошибку), тест
останавливается и сообщает системе объем реально
работающей памяти.
• Установленные в Setup «пустоты» под 16-м
мегабайтом современные версии BIOS успешно
обходят.

44. Распределение пространства памяти

• Современные системные платы позволяют установить
ОЗУ, объем которого исчисляется уже гигабайтами.
• Возможность использования тех или иных областей
оперативной памяти определяется типом
операционной системы:
- ОС реального (MS-DOS и аналогичные),
- или защищенного режима (Windows, Unix, Linux).

45. Распределение пространства памяти

• Физическое распределение адресного пространства
выполняется программированием регистров чипсета
системной платы и мостов шин расширения.
• Северный хаб (или мост) чипсета определяет
диапазоны адресов, которые обслуживает контроллер
памяти (с «вырезами» в области UMA (верхней
памяти) и другими «пустотами»).
• Распределением оставшейся части занимаются мосты
иерархии шин PCI (в эту иерархию входят мосты AGP,
PCI-X и PCI-E), к которым могут подключаться и мосты
старых шин (ISA).

46.

Память для режима SMM

47. Память для режима SMM

• Компьютеры, использующие режим системного
управления (System Management Mode, SMM),
поддерживаемый большинством процессоров
последних поколений, имеют еще одно адресное
пространство памяти - SMRAM (System Management
RAM).
• Это адресное пространство «параллельно»
пространству обычной памяти и при работе доступно
процессору только в режиме SMI.

48. Память для режима SMM

• Память SMRAM может представлять собой часть
физической оперативной памяти, хотя может быть
реализована и отдельной микросхемой памяти.
• Объем памяти для режима SMM может варьироваться
в диапазоне от 32 Кбайт (минимальные потребности
SMM) до 4 Гбайт. SMRAM располагается, начиная с
адреса SMIBASE, и распределяется следующим
образом:

49. Память для режима SMM

• Если для SMRAM используется системное ОЗУ, то
область SMRAM перемещают в старшие адреса.
• Это можно сделать только обработчиком прерывания
SMI, заменив образ регистра SMIBASE в сохраненной
области контекста.
• После выхода из прерывания SMI это назначение
вступит в силу, и следующий вход в SMM уже будет
производиться по новым адресам.
• Область SMRAM должна исключаться из области ОЗУ,
доступной операционной системе (обработчик SMI
является более низкоуровневой процедурой, чем
драйверы ОС).

50. Верхняя память - UMA

• Верхняя память имеет области различного
назначения, которые могут быть заполнены буферной
памятью адаптеров, постоянной памятью или
оставаться незаполненными.
• В первое время эти «пустоты» не использовали из-за
сложности «фигурного выпиливания» адресуемого
пространства.
• С появлением механизма страничной переадресации
(у процессоров 386 и выше) их стали по возможности
заполнять «островками» оперативной памяти,
названными блоками верхней памяти (Upper Memory
Block, UMB).

51. Верхняя память - UMA

• Эти области доступны DOS для размещения
резидентных программ и драйверов через драйвер
EMM386, который отображает в них доступную
дополнительную память.

52. Распределение верхней памяти (UMA)

53. Верхняя память - UMA

Стандартное распределение верхней памяти
выглядит следующим образом:
• Адреса A0000h-BFFFFh (128 Кбайт) — видеопамять
(Video RAM, VRAM). Обычно используется не полностью.
• Адреса C0000h-DFFFFh (128 Кбайт) — резерв для
адаптеров (adapter ROM и adapter RAM), использующих
собственные модули ROM BIOS или/и специальное ОЗУ,
разделяемое с системной шиной.
• Адреса E0000h-EFFFFh (64 Кбайт) — свободная
область, иногда занятая под системные модули BIOS
(system BIOS).

54. Верхняя память - UMA

Стандартное распределение верхней памяти
выглядит следующим образом:
• Адреса F0000h-FFFFFh (64 Кбайт) — системные модули
BIOS.
• Адреса FD000h-FDFFFh — ESCD (Extended System
Configuration Data) — область энергонезависимой
памяти, используемая для конфигурирования устройств
Plug and Play. Эта область имеется только при наличии
PnP BIOS, ее положение и размер жестко не заданы.

55. Верхняя память - UMA

• В области UMA практически всегда присутствует
графический адаптер.
В зависимости от модели он занимает следующие
области:
• MDA RAM - B0000h-B0FFFh.
• CGA RAM - B8000h-BBFFFh.
• EGA ROM - C0000h-C3FFFh/C7FFFh.
• VGA ROM - C0000h-C7FFFh.
• EGA, VGA RAM — A0000h-BFFFFh, в зависимости от
видеорежима используются следующие области:
Graphics — A0000h-AFFFFh;
Color Text - B8000h-BFFFFh;
Mono Text — B0000h-B7FFFh.

56. Верхняя память - UMA

• Также распространенным потребителем UMA
являются расширения ROM BIOS, расположенные на
платах дисковых контроллеров, а еще микросхемы
удаленной загрузки (boot ROM) на платах адаптеров
ЛВС.
• Обычно они занимают область для дисковых
контроллеров, но могут и перемещаться при
конфигурировании адаптеров.

57. Верхняя память - UMA

• Размер области, занимаемой системными модулями
ROM BIOS, колеблется от 8 Кбайт у PC/XT до 128
Кбайт, однако разумное значение - 64 Кбайт.
• Большая область использовалась «на радостях» от
появления микросхем ROM и флэш-памяти объемом 1
Мбит (128К х 8), но при этом размер доступной памяти
UMA сократился.
• Тогда стали микросхемы того же, и даже большего,
объема отображать только на область F0000h-FFFFFh
(64 Кбайт), а иногда и меньшую.

58. Верхняя память - UMA

• Это оказалось возможным, поскольку не все
содержимое микросхемы ROM BIOS должно быть
доступно одновременно.
• Таким образом удалось примирить интересы
пользователей UMB с необходимостью расширения
объема BIOS, связанной с усложнением технических
средств.

59.

Теневая память — Shadow ROM
и
Shadow RAM

60. Теневая память —Shadow ROM и Shadow RAM

• В области верхней памяти UMA обычно располагаются
устройства с медленной памятью:
- системная память BIOS (system ROM BIOS),
- расширения BIOS на графическом адаптере (video
ROM BIOS),
- на контроллерах дисков и интерфейсов (adapter
ROM),
- ПЗУ начальной загрузки на сетевой карте (boot
ROM),
- видеопамять (video memory buffer).

61. Теневая память —Shadow ROM и Shadow RAM

• Они, как правило, реализованы на 8- или 16-битных
микросхемах с довольно большим временем доступа.
• Обращение к полноразрядному системному ОЗУ
выполняется гораздо быстрее.
• Для ускорения обращений к памяти этих устройств
применяется теневая память (shadow memory) подмена памяти системным ОЗУ.

62. Теневая память —Shadow ROM и Shadow RAM

• Теневая память появилась на развитых моделях АТ-
286, где она была реализована аппаратно.
• Процессоры класса 386+ позволяют ее реализовать
программно за счет страничной переадресации.
Затенение ОЗУ и ПЗУ устройств выполняется по
разному.
• При инициализации теневого ПЗУ (shadow ROM)
содержимое затеняемой области копируется в ОЗУ и
при дальнейшем чтении по этим адресам
подставляется ОЗУ, а запись в эту область
блокируется.

63. Теневая память —Shadow ROM и Shadow RAM

• При использовании теневого ОЗУ (shadow RAM)
запись производится одновременно в физическую
память затеняемой области и в системное ОЗУ,
наложенное на эту область.
• При чтении затененной области обращение идет
только к системной памяти, что гораздо быстрее.
• Особенно велик эффект от затенения видеопамяти
старых графических адаптеров, которая по чтению
бывает доступна только во время обратного хода
развертки, и процессору приходится долго ждать этого
момента.

64.

Список литературы:
1. Аппаратные средства IBMРС. Гук М.Ю.
Энциклопедия. З-е изд. — СПб.: Питер, 2006.
2. Архитектура аппаратных средств. Конспект лекций.
Барсукова Т. И.
3. Архитектура аппаратных средств. Конспект лекций.
Забавина А. А.

65.

Список ссылок:
https://i2.wp.com/laptopmedia.com/wp-content/uploads/2017/06/900269711f3c.jpg
http://cart.softline.ru/pictures/products/16/35/05/99/af/f7/e1/63/ad/origin.jpeg
https://i.ebayimg.com/00/s/Njc1WDkwMA==/z/tkwAAOSweW5VAd64/$_57.JPG?set_id=880000500F
https://d.allegroimg.com/s1440/034db7/5bf73aa54f0ebb9f118bdae5d3ed
http://900igr.net/up/datas/55384/033.jpg
https://slide-share.ru/slide/4015074.jpeg
http://www.venuscomputers.pk/wp-content/uploads/2014/10/TG-3468.jpg
https://c-s.ru/uploads/29143/154716.jpg
https://go3.imgsmail.ru/imgpreview?key=65253deb8ce2d91f&mb=storage
https://i.ya-webdesign.com/images/pci-vector-slot.png
https://i.ebayimg.com/00/s/OTAwWDE2MDA=/z/ATkAAOSwAWlajflo/$_57.JPG?set_id=8800005007

66.

Благодарю за внимание!
Преподаватель: Солодухин Андрей Геннадьевич
Электронная почта: [email protected]