3.3.2. Organizacija mikroračunalnog sustava

Organizacija izmjene podataka između pojedinih uređaja digitalnog računala sustava (DRS) temelji se na paralelnom prijenosu podataka, dakle svaki bit po svojoj 'žici' u skupu vodova za prijenos signala nazvan SABIRNICA, a prema shemi na slijedećoj slici.

Slika 3.3.5 Organizacija 8 bit-nog računalnog sustava.

Načelo rada je slijedeće: Mikroprocesor na osnovu naloga s tipkovnice učita s diska (vanjska jedinica) preko sabirnice podataka željeni program, odnosno preko upravljača (controller) utaknutog u jedan od utora (u1 - u4) povezan za sabirnice, a po nalogu predanog upravljaču diska preko upravljačke sabirnice. Program se s diska učitava byte po byte. Kad prvi byte dođe na sabirnicu podataka on je prisutan na ulazu u sve uređaje 'zakačene' na sabirnicu.

Preko adresne sabirnice mikroprocesor određuje na koje mjesto će se u radnoj memoriji upisati svaki pojedini byte programa. Preko upravljačke sabirnice daje nalog da se omogući prolaz prema radnoj memoriji i da se s podatkovne sabirnice podatak prenese u radnu memoriji. Po upisu podatka mikroprocesor onemogućava pristup u radnu memoriju. Tada daje nalog da se s diska (ili iz cache-memorije diska) uzme drugi byte i ponavlja postupak s drugim podatkom i pazi da se drugi podatak ne pohrani na mjesto prethodnog, i tako dalje dok se svi podaci ne prenesu u radnu memoriju.

Tijekom rada mikroprocesor prati koja su mjesta u memoriji slobodna za prihvat novih podataka. Po istom načelu prihvaćaju se podaci sa tipkovnice ili od nekog drugog uređaja posredstvom U / I kanala ili uređaja povezanog preko 'slot-a'. Naravno, podaci iz ROM-a uvijek su dostupni mikroprocesoru i u taj dio memorije nije moguće upisivanje.

Cijeli postupak prijenosa byte-ova odvija se velikom brzinom prema taktu kojeg mikroprocesor prima iz generatora takta. Svaki takt (impuls iz generatora) je nalog za izvršavanje slijedeće radnje. Jasno, što je brži takt, odnosno ako je mikroprocesor primio više impulsa takta u jednoj sekundi odvijanje radnje je brže. Broj impulsa iz generatora takta u jednoj sekundi (mjerna jedinica nazvana Hertz - Hz) je osnovna RADNA FREKVENCIJA rada računala. Množenjem ili dijeljenjem iste dobije se radna frekvencija na kojoj radi JEZGRA mikroprocesora, priručne memorije, radne memorije, sabirnice i drugih sklopova. Obično se danas pod radnom frekvencijom računala podrazumijeva radna frekvencija JEZGRE mikroprocesora, kojemu se u opisu pridružuje pojam FSB (Front Side Bus) koji opisuje radnu frekvenciju vanjske sabirnice mikroprocesora.

Radna frekvencija ovisi o kvaliteti mikroprocesora, radne memorije i ostalih komponenti računala priključenih na sabirnice, odnosno njihovoj sposobnosti da što brže prime podatke i ne može biti veća od brzine rada najsporije komponente u sustavu. Obično iznosi od 4 MHz do 1000 MHz pa i više. Pojednostavljeno 4'000'000 do 1000'000'000 zadaća u jednoj sekundi. Procesori generacije od 2006. godine svoje računske zadaće vrše s radnim frekvencijama do 4 GHz. Memorijski sustavi još uvijek ne mogu pratiti ovako velike brzine i rade s višestruko manjim radnim frekvencijama.

Sve tri sabirnice tvore SABIRNICU SUSTAVA. Što je broj vodova sabirnice veći to je i veća brzina rada sustava, jer se istovremeno prenosi više bit-a. Intelov procesor 8086 radi sa podatkovnom sabirnicom od osam bit-a (kao na slici 3.3.5), 80386 sa sabirnicom podataka od 32 bit-a, a Pentium sa sabirnicom podataka od 64 bit-a.

Nove inačice PC računala imaju i po dvije sustavne sabirnice, jednu sa manje vodova za sporije i jednostavnije uređaje kao pisač, miš i slično, a drugu sa više vodova za direktnu vezu procesora sa memorijom, grafičkom karticom, upravljačem diska i uređajima koji zahtijevaju brzu komunikaciju. Dakle, takt rada spore i brze sabirnice nije jednak. Noviji procesori za svoje interne zadaće koriste takt višestruko brži od takta sabirnica.

Dakle, komponente u računalu rade na najmanje tri različite radne frekvencije, već prema tome kojoj su sabirnici ili sklopu pridružene. Kako matične ploče mogu podržati više vrsta mikroprocesora, premosnicima se određuje takt pojedinih komponenti kako bi bile međusobno usklađene po brzini rada, ili se kod modernijih matičnih ploča opisani odnosi podešavaju postavkama u BIOS-u, ili pak BIOS sve automatski podešava pomoću ukomponirane programske potpore.

Primjer II

U PC svijetu često se susrećemo sa sabirnicama pod nazivom:

      ISA (Industry Standard Architecture) - 16 bit-na sabirnica.
      EISA (Enhanced Industry Standard Architecture) - 32 bit-na sabirnica
      MCA (Mikro Channel Architecture) - u verziji 16 i 32 bit-a.
      VLB (VESA Local Bus) - u verziji 32 bit-a.
      PCI (Peripheral Component Interconnection) - 32 bit-a.
      AGP (Accelerated Graphics Port 1x-8x) - 32 ili 64 bit-a.
      PCI-X (brži i poboljšani PCI standard) - 32 ili 64 bit-a.
      PCI-Express (x1-x32) - sabirnice 'širine' 8 bit-a po x-'koridoru'.

ISA sabirnica vrlo često se naziva i AT-bus prema nazivu računala u kojem je prvi put implementirana; IBM AT - Advanced Technology računalo koncipirano na porodici mikroprocesora INTEL 80286. Broj bit-a sabirnice odnosi se na podatkovnu sabirnicu. Brzina prijenosa podataka (propusnost) nije ista za sve navedene sabirnice a uobičajena propusnost za pojedine iz popisa je 8 MB/s, 32 MB/s, 64 MB/s, 132 MB/s i 524 MB/s te naviše za PCI-X i PCI-Express (PCIe).

Već od ranije poznata koncepcija, zamišljena na posebnoj sabirnici za grafičku memoriju, donedavni standard u PC svijetu - AGP port. Navedeni ima vezu s procesorom na većem taktu od PCI sabirnice a u slučaju nedostatka grafičke memorije njezin upravljački sklop posluži se resursima 'klasične' memorije. Na taj način osjetno se ubrzavaju grafičke aplikacije pisane upravo za ovakav tip računala. AGP port i PCI sabirnica više puta su unapređivani ali i nekompatibilni, pa se tako može naći AGP 2x, AGP 4x i drugo. U suštini AGP nije sabirnica jer opslužuje samo grafičku karticu, te otuda i naziv 'port'.

Značajno unapređenje PCI sabirnice je PCI-Express sabirnica koja je zamišljena da prenosi podatke serijski preko vrlo brzih kanala (koridora) koji se kombiniraju u skupinu veličine do 32 kanala, To znači da se i fizička veličina utora za uređaje razlikuje. Standard omogućava da se uređaji dizajnirani za x1 utor mogu umetnuti u x32 utor. Nema potrebe za AGP portom, koji je služio samo za potporu grafici, a pošto je PCI-Express u suštini sabirnica može podržati više grafičkih uređaja. Osim navedenog brzina prijenosa po jednom koridoru značajno je povećana u odnosu na standardnu PCI sabirnicu. Unutar koridora prijenos je serijski sa znatno poboljšanim sistemom sinkronizacije i upravljanja te otuda veća brzina prijenosa podataka uz manje fizičkih vodova po koridoru. Kada se kod PCI-Express (PCI-E) sabirnice koristi više koridora za prijenos podataka, vrši se paralelni prijenos skupine podataka, kao kod klasičnih sabirnica, što znači da prijenos podataka ima elemente paralelne i serijske komunikacije. Sve novije vrste sabirnica, ne samo kod računala već i kod mrežnih uređaja koriste ovaj mehanizam prijenosa podataka.

SAŽETAK:

Kako noviji mikroprocesori rade na nekoliko puta većim frekvencijama od mogućnosti sabirnice računalnog sustava, poseban upravljač sabirnice, kao dio CHIPSET-a, vodi brigu o prijenosu podataka između vanjske sabirnice mikroprocesora (FSB) i ostalih uređaja računala spojenih na sabirnicu sustava. Stoga je potrebito da brži procesori uz svoju sabirnicu imaju 'cache', pomoćnu brzu memoriju, za internu uporabu, te za vrijeme jednog takta sabirnice sustava obavljaju više internih radnji mikroprocesora. Što je 'cache' veći učinkovitost procesora je veća jer više toga može prirediti. Osnovna namjena mu je da smanji prosječno vrijeme pristupa RAM-u. Prema mjestu u sustavu razlikuju s tri vrste 'cache'-a:

• L1 cache - Postavlja se u mikroprocesor i radi na frekvenciji JEZGRE. Iznosi nekoliko desetaka kB. To je memorija SRAM tipa.
  
  
• L2 cache - Postavlja se u mikroprocesor i radi na FSB frekvenciji. Iznosi nekoliko stotina kB do nekoliko MB. To je memorija SRAM tipa. U začecima mikroprocesorske ere postavljala se je na matičnu ploču.
  
  
• L3 cache - U začecima mikroprocesorske ere postavljao se je na matičnu ploču, uglavnom kod poslužitelja visokih performansi kojima je 'L2 cache' bio u sastavu mikroprocesora. Moguća je izvedba bila je u SRAM i DRAM tehnologiji. Značajno je veći od 'L2 cache'. Moderne moćne verzije mikroprocesora imaju ovu međumemoriju ukomponiranu u svoje kućište kao SRAM.

Različite vrste sabirnica koristi se za komunikaciju prema radnoj memoriji, tvrdom disku i optičkim uređajima kao i prema samom procesoru. O prometu kroz cjelokupni sustav i usklađivanju brzine sabirnica brine posebna grupa elektroničkih sklopova od nekoliko integriranih krugova - CHIPSET. Glede učinkovitosti računala nastoji se u osnovi postići da je radna frekvencija RAM što bliža frekvenciji FSB. Kako zahtjevi po pitanju obveza chipset-a neprestano rastu, i ove komponente 'dogurale' su do činjenice da su postale poveći potrošač te se poprilično zagrijavaju i nerijetko imaju pasivne hladnjake na kućištu. No o tome više u opisu rada PC računala (poglavlje 3.5).