Конспект лекций МТ11, страница 3

Следует отметить, что производительность и возможности любого микропроцессора определяются как уровнем развития технологии элементной базы, так и достижениями математической логики и научной мысли, воплощенной в современные решения алгоритмов обработки информации. Для программиста особый интерес представляет набор команд микропроцессора, поскольку именно в нем заложены возможности программирования.

Проследим за последовательностью работы типового микропроцессора, как частного случая, чтобы понять и изучить те приемы обработки информации, которые используются в микропроцессорной технике.

При выполнении программы, которая располагается в области памяти ПП, начиная с первой команды, происходит ее считывание в регистр команд РК с последующей дешифрацией и формированием микропроцессором управляющих сигналов, соответствующих коду команды. При выполнении арифметико-логических действий необходимые для этого операнды передаются в АЛУ из области памяти ПД, по адресам, формируемым дешифратором ДК, в случае обращения к устройствам ввода – из области пространства памяти УВВ.

Результаты вычислений могут поступать (записываться) в память данных ПД или выводиться в область пространства адресов устройств вывода. При вычислении в АЛУ результатов логических операций в случае достижения необходимых (заданных в команде) значений в счетчик команд СК выдается соответствующий сигнал, который влияет на ход формирования следующего адреса команды.

Если в команде заложен переход к подпрограмме, то счетчик команд формирует адрес следующей команды и передает его значение в стековую память. А дальнейшие действия реализуются, начиная с адреса подпрограммы, указанного в команде.

После определения адреса следующей команды система прерывания СП осуществляет опрос линий прерываний и при наличии требований устройств по доступу к ресурсам микропроцессора на линиях, предоставляет необходимые устройству ресурсы в порядке установленного приоритета устройств.

Действия всех устройств синхронизируются с помощью ГТИ.

3. Шинный принцип построения архитектуры ПК

Системная и локальная шины

Рассмотренные выше и входящие в состав ПК устройства обмениваются информацией. В связи с этим был сформулирован и реализован в 1971 г. (шина Q-bus) шинный принцип организации и построения ПК. Суть принципа заключена в том, что все устройства подключаются к единой, стандартизированной информационной магистрали, по которой и осуществляется обмен информацией и управление устройствами. На физическом уровне шина есть не что иное, как набор проводников, каждый из которых предназначен для передачи определенных сигналов.

Подключаемые к шине устройства подразделяются на две основные группы:

1. Ведущие устройства – активные устройства, инициирующие и организующие процессы обмена информацией между другими участниками в пределах шины.

2. Ведомые устройства – или пассивные, лишь принимающие участие в процессах взаимодействия, предлагаемых активными участниками шины.

Фирма IBM впервые предложила конструкцию шины, послужившую основой для построения современных шин. Первый ПК фирмы имел шину, содержащую 8 линий данных, 20 линий адресов, и набор линий управления. В дальнейшем эта шина модернизировалась и получила название ISA (Industrial Standard Architecture). Когда шина стала основной в комплектации IBM PC/AT, она имела 16 линий данных, 24 линии адресов и линии управления.

Ш
ина функционирует на определенной тактовой частоте (внешней, по отношению к тактовой частоте процессора). Обмен информацией через шину идет в соответствии с установленным протоколом (заданный порядок сигналов, необходимый для того, чтобы произвести действия по передаче информации). Длительность всех сигналов кратна тактовой частоте. У первых шин тактовая частота была жестко задана (4,77 МГц).

Первые IBM PC/AT имели одноименный набор компонентов. Они содержали микропроцессор (М), контроллер шины (КШ), шину ISA, клавиатуру (КЛ), подключаемую к контроллеру клавиатуры (ККЛ), постоянную (ROM) и оперативную память (RAM), монитор и накопители на гибком (дисковод) и жестком диске (винчестер), подсоединяемые к соответствующим контроллерам монитора (КМ), накопителя на гибком магнитном диске (КНГМД) и накопителя на жестком магнитном диске (КНЖМД) (рис.7).

В системе ПК новые устройства могут подключаться к шине через платы расширения (контроллер устройств, адаптер), которые устанавливаются в слоты (разъемы) расширения шины – эта идея получила название "открытая архитектура". Смысл этого понятия состоит в том, что благодаря единому, открытому стандарту на шину, к комплектации ПК могут быть добавлены новые устройства.

В первых ПК шина ISA сразу же стала узким местом. Она была ограниченной и малопроизводительной, поэтому замедляла процессы взаимодействия всех устройств. Вследствие единственности шины, не учитывалась специфика работы отдельных устройств, не обеспечивались необходимые скорости обмена. Все обмены велись только через эту шину, называемую системной. Позднее стала появляться многолинейная (многошинная) организация персональных компьютеров.

Для устройств, требующих высоких скоростей обмена, таких, как контроллер монитора (дисплея), жесткие диски и т.д., шина ISA стала сдерживающим фактором. Первым решением было улучшить системную шину. В этой связи в 1986 г. фирма IBM разработала шину MCA (Micro-Channel Architecture), которая имела на порядок больше пропускную способность, чем ISA.

Шина MCA обладала высоким быстродействием, на ее базе выпустили компьютеры семейства PS/2, но, к сожалению, такого распространения, как семейство АТ эти компьютеры не получили, т.к.:

1. в те времена было мало фирм, специализирующихся на выпуске комплектующих для ПК, которые владели технологией необходимой для производства плат MCA;

2. полная несовместимость компьютеров AT и PS/2 в аппаратной части.

Кроме того, другие фирмы не поддержали IBM и стали работать над расширением шины ISA и выпустили совместимый стандарт – Extended ISA (EISA). В нем адресное пространство было расширенно до 4 Гбайт (2³²), благодаря 32 разрядам адресной шины. Это позволило увеличить быстродействие. Одни и те же платы устройств можно было использовать как для ISA, так и для EISA. Конструктивно это было сделано так: в стандарте EISA можно было вставить ISA в EISA и наоборот. Частота шины была повышена до значения =33 MHz.

Частоту на шине ISA выше 12 МГц нельзя устанавливать, поскольку появляется вероятность сбоя. В шине EISA был введен ряд дополнительных линий заземления и питания, что позволило поднять частоту до 33МГц.

Шина EISA получила широкое распространение, кроме того, появилась новая идея – многошинной организации (рис.8). С этого времени устройства, требующие более высоких скоростей обмена, подключались к новым шинам, которые получили название локальных. Был предложен ряд локальных шин для обмена с быстродействующими устройствами. Так, введение локальной шины памяти ускорило процессы обмена с RAM и КЕШ-памятью.

Дальнейшее развитие локальных шин для их использования другими устройствами связано с появлением шины VLB. Разъемы этой шины располагались на одной линии с разъемами ISA, а платы, устанавливаемые на шину VLB, используют одновременно разъемы и VLB, и ISA. Эта шина работала на тактовой частоте микропроцессора, обычно это 33 (40) МГц - внешняя тактовая частота микропроцессора. Шина VLB была простым решением и не требовала специального контроллера для связи с системной шиной. Недостатками шины была прямая зависимость от частоты микропроцессора (проводники фактически подсоединялись к ножкам микропроцессора) и связанная также с этим опасность перегрузки микропроцессора при подключении большого количества устройств.

Вторая шина, - PCI (Peripheral Components Interconnect), - дальнейшее развитие. Обладает множеством преимуществ: независимостью от микропроцессора, высокой производительностью и наиболее широко применяется в последнее время, как локальная шина. Однако для подсоединения к микропроцессору требуется контролер.

Производительность шины, фактически, определяется ее пропускным потоком, т.е. количеством бит информации, которое может быть передано по шине в единицу времени. Очевидно, что этот параметр зависит от разрядности шины данных (количества линий для передачи) и тактовой частоты (скорости обработки информации). Сравнительные характеристики шин представлены в таблице 1. Могут существовать различные версии одной шины, что связано с внесением изменений в спецификацию (перечень и порядок обработки сигналов на линиях) шины в процессе развития.

Сравнительные характеристики различных шин. Табл.1.

Системная плата

В шинной организации ПК все основные устройства подключаются к разъемам шин, расположенным на системной плате. Размеры всех плат стандартизированы.

Н
а плате располагаются следующие основные элементы (рис.9.): разъемы или слоты расширения глобальной шины компьютера ISA (1). К разъему подводятся 16 линий данных, 24 линии адресов, 8 линий прерываний, 4 линии запроса прямого доступа в память, ряд линий управлений для организации различных циклов обмена. В этой шине идет обмен определенными байтами. Адресное пространство составляет 1Mb (2²⁰).

Для подключения RAM по локальной шине памяти используются слоты памяти (5), а установка дополнительной КЕШ-памяти производится на слоты 6. Разъемы шины VLB, показаны под номером 2, однако, в последнее время эта шина уступила свои позиции шине PCI и не используется в современных системных платах.

Разъемы шины PCI показаны под номером 3, конструкция такая же, как и у разъемов VLB, однако устанавливается не как продолжение ISA, а сбоку. Микропроцессор (4) через CHIPSET (набор микросхем, который используется на материнской плате для подсоединения шин к микропроцессору) (7) взаимодействует со всеми локальными и глобальными шинами для решения поставленных перед ним задач.

4. Принципы построения и типы памяти, используемой в ПК

В процессе работы микропроцессор использует память как для хранения данных во время выполнения программы, так и для получения из нее служебной информации о свойствах и заданных настройках аппаратного окружения. Для решения такого рода задач используются различные по своему устройству типы памяти:

а) ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) – память, которая хранит неизменяемую (постоянную) информацию, заложенную на единственном, технологическом этапе программирования.

б) РПЗУ (ре-программируемое запоминающее устройство) – может изредка перепрограммироваться и хранит, таким образом, условно-постоянную информацию. Например, запись информации может производиться электрическими импульсами, а удаление – ультрафиолетовым излучением.

в) ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) – тип памяти, используемый для многократной записи и удаления информации.

К
аждая, из рассмотренных типов памяти, используется по определенному назначению. Первые два типа можно условно отнести к ПЗУ, поскольку ре-программирование РПЗУ осуществляется очень редко – лишь в том случае, когда необходимо ре-структурировать систему. Так, например, в ПЗУ записывается неизменная часть программы базовой системы ввода-вывода (BIOS) ПК, которая жестко привязана к материнской плате.