Домашнее задание - Центральная и периферийная части компьютера

Выполняйте только если преподаватель назначил это задание. Срок сдачи сообщит преподаватель.

1. Разобранный образец: Расчет пропускной способности и трассировка накопителя NVMe (Direct CPU vs PCH/DMI)

В современной системной плате первый разъем M.2_1 подключен напрямую к процессорным линиям PCIe, а вторичные разъемы M.2_2 и M.2_3 подключены к чипсету PCH. Рассмотрим физические различия обоих вариантов при чтении крупного массива данных объемом 16 ГиБ.

Архитектурный и расчетный пример:
• Случай А: Накопитель PCIe 4.0 x4 в слоте Direct CPU.
Пропускная способность 1 линии PCIe 4.0 составляет 16 ГТ/с с кодированием 128b/130b $pprox 1.97$ ГБ/с. Для 4 линий: $4 imes 1.969 pprox 7.88$ ГБ/с в одну сторону.
Маршрут пакетов TLP: Контроллер SSD ➔ 4 медные дифференциальные дорожки платы ➔ Сокет LGA ➔ PCIe Root Complex ЦП ➔ Системный агент ➔ Кэш L3 / ОЗУ через контроллер памяти IMC.
Аппаратная задержка трансляции составляет всего $pprox 12$ нс. Канал монопольный: никакие внешние устройства не влияют на скорость.

• Случай Б: Тот же накопитель в слоте M.2_2 через чипсет PCH (шина DMI 4.0 x8).
Маршрут пакетов: Контроллер SSD ➔ линии PCIe чипсета ➔ Внутренний коммутатор PCH ➔ Инкапсуляция в кадры шины DMI ➔ Линк DMI 4.0 x8 (15.75 ГБ/с) ➔ Сокет LGA ➔ Системный агент ЦП ➔ ОЗУ.
Из-за буферизации и маршрутизации в PCH аппаратная задержка возрастает на 15–25% (до $pprox 15-18$ нс). При параллельной работе сетевой карты 2.5G LAN и копировании на USB 3.2 Gen 2x2 (20 Гбит/с = 2.5 ГБ/с) общая полоса шины DMI разделяется между устройствами, что создает риск снижения скорости.

Инженерный вывод: Системный накопитель с ОС и файлами подкачки всегда монтируется в прямой слот CPU (M.2_1), а вспомогательные диски для архивов — в чипсетные слоты.

2. Упражнение 1. Расчет тепловыделения и токовой нагрузки подсистемы питания VRM

Процессор потребляет в стресс-тесте электрическую мощность $P = 200 ext{ Вт}$ при напряжении ядер $V_{ ext{core}} = 1.20 ext{ В}$. Подсистема питания системной платы построена по схеме из 10 фаз $V_{ ext{core}}$, КПД импульсного преобразователя составляет $\eta = 90\%$.

Требуется:
1. Рассчитать суммарный ток $I_{ ext{total}}$, протекающий через сокет процессора ($I = P / V$).
2. Рассчитать ток, приходящийся на одну силовую фазу питания.
3. Определить суммарную мощность тепловых потерь $P_{ ext{loss}}$, выделяющуюся на транзисторах VRM в виде тепла, и объяснить, почему для отвода этого тепла необходим массивный алюминиевый радиатор.

3. Упражнение 2. Трассировка сигнала прерывания и пакета сетевой карты в ОЗУ

Компьютер подключен к локальной сети через дискретный сетевой контроллер 2.5G Ethernet, распаянный на системной плате. По кабелю «витая пара» пришел пакет данных.

Требуется:
Опишите пошаговую аппаратную цепочку обработки этого события: от разъема RJ-45 и гальванической развязки (LAN Magnetics), через шину PCIe x1 в чипсет PCH, генерацию сигнала прерывания MSI/MSI-X по шине DMI в контроллер прерываний процессора (APIC), захват шины механизмом прямого доступа к памяти (DMA) и запись пакета в кольцевой буфер оперативной памяти.

4. Упражнение 3. Анализ топологии оперативной памяти и правила слотов A2/B2

Пользователь приобрел материнскую плату с четырьмя разъемами DIMM DDR5 и топологией разводки дорожек Daisy-Chain. При сборке ПК он установил два купленных модуля оперативной памяти в первый и третий слоты (A1 и B1), после чего система стала выдавать синие экраны (BSOD) при включении профиля XMP/EXPO 6000 МГц.

Требуется:
1. Объясните физическую причину нестабильности с точки зрения распространения высокочастотных электромагнитных волн в медных проводниках системной платы (эффект незамкнутого отростка — stub reflection).
2. Укажите, в какие именно слоты необходимо переставить модули и почему именно в них сигнал будет чистым.