Архитектура IBM PC-совместимого компьютера. ААС 09 презентация

Архитектура IBM PC-совместимого
компьютера

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

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.
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».
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.
Архитектура IBM PC-совместимого
компьютера

Структурная схема современного IBM PC-совместимого компьютера

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).
Структурная схема

Структурная схема компьютера

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.
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.
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.
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;
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;
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.
Структурная схема

Распределение пространства памяти

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.

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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
Распределение пространства памяти

Распределение памяти РС

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.
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.
Распределение пространства памяти

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»).

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.
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.
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.
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).
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.
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 0000h-FFFF FFFFh, для ОЗУ и памяти периферии остается почти 4 Гбайт.
Распределение пространства памяти

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).

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.
Распределение пространства памяти

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

Память для режима SMM

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.

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:
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).
Память для режима SMM

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).

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

Распределение верхней памяти (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).
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.
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.
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.
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.
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.
Верхняя память - UMA

Теневая память — Shadow ROM
и
Shadow RAM

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).

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.
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.
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.
Теневая память —Shadow ROM и Shadow RAM

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

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
Список ссылок: