Тема 6 ЭВМ с магистр_организ (Все лекции Шамаевой в формате PDF)

Тема 6Функциональная и структурная организация ЭВМОглавление1.ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИЭВМ ................................................................................................................................ 12.ОРГАНИЗАЦИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭВМ С МАГИСТРАЛЬНОЙАРХИТЕКТУРОЙ ........................................................................................................... 23.ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ ЭВМ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЗАДАНИЯПОЛЬЗОВАТЕЛЯ .......................................................................................................... 54. ОТОБРАЖЕНИЕ АДРЕСНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРОГРАММЫ НАОСНОВНУЮ ПАМЯТЬ ..................................................................................................

74.1. Адресная структура команд микропроцессора и планирование ресурсов ............................................ 104.2. Виртуальная память ........................................................................................................................................ 154.3. Система прерываний ЭВМ ............................................................................................................................. 191.Общие принципы функциональной и структурнойорганизации ЭВМЭлектронные вычислительные машины включают, кроме аппаратурной части ипрограммного обеспечения (ПО), большое количество функциональных средств.

К нимотносятся коды, с помощью которых обрабатываемая информация представляется вцифровом виде:• арифметические коды - для выполнения арифметических преобразованийчисловой информации;• помехо - защищенные коды, используемые для защиты информации отискажений;• коды формы, определяющие, как должна выглядеть обрабатываемая в ЭВМинформация при отображении; цифровые коды аналоговых величин (звука,“живого видео”) и др.Кроме кодов, на функционирование ЭВМ оказывают влияние:• алгоритмы их формирования и обработки,• технология выполнения различных процедур (например, начальной загрузкиоперационной системы, принятой в системе технологии обработки заданийпользователей и др.);• способы использования различных устройств и организация их работы(например, организация системы прерываний или организация прямого доступак памяти),• устранение негативных явлений (например, таких, как фрагментация памяти) идр.Будем считать, что коды, система команд, алгоритмы выполнения машинныхопераций, технология выполнения различных процедур и взаимодействия hard и soft,способы использования устройств при организации их совместной работы, составляющиеидеологию функционирования ЭВМ, образуют функциональную организацию ЭВМ.Реализована идеология функционирования ЭВМ может быть по-разному: аппаратурными, программно-аппаратурными или программными средствами.При аппаратурной и программно-аппаратурной реализации могут бытьприменены: регистры, дешифраторы, сумматоры; блоки жесткого аппаратурного управления или микропрограммного суправлением подпрограммами (комплексами микроопераций); устройства или комплексы устройств, реализованные в виде автономныхсистем (программируемых или с жестким управлением) и др.При программной реализации могут быть применены различные виды программ обработчики прерываний, резидентные или загружаемые драйверы, соm-, ехе- или tsr программы, bat- файлы и др.Будем считать, что способы реализации функций ЭВМ составляют структурнуюорганизацию ЭВМ.

Тогда элементная база, функциональные узлы и устройства ЭВМ,программные модули различных видов (обработчики прерываний, драйверы, соm-, ехе-,tsr-программы, bat-файлы и др.) являются структурными компонентами ЭВМ.При серьезных конструктивных различиях ЭВМ могут быть совместимыми, т.е.приспособленными к работе с одними и теми же программами (программнаясовместимость) и получению одних и тех же результатов при обработке одной и той же,однотипно представленной информации (информационная совместимость).

Еслиаппаратурная часть ЭВМ допускает их электрическое соединение для совместной работыи предусматривает обмен одинаковыми последовательностями сигналов, то имеет место итехническая совместимость ЭВМ.Совместимые ЭВМ должны иметь одинаковую функциональную организацию:информационные элементы (символы) должны одинаково представляться при вводе ивыводе из ЭВМ, система команд должна обеспечивать в этих ЭВМ получение одинаковыхрезультатов при одинаковых преобразованиях информации. Работой таких машин должныуправлять одинаковые или функционально совместимые операционные системы (а дляэтого должны быть совместимы методы и алгоритмы планирования и управления работойаппаратурно-программного вычислительного комплекса). Аппаратурные средства должныиметь согласованные питающие напряжения, частотные параметры сигналов, а главное состав, структуру и последовательность выработки управляющих сигналов.2.Организация функционирования ЭВМ с магистральнойархитектуройЭВМ представляет собой совокупность устройств, выполненных на большихинтегральных схемах, каждая из которых имеет свое функциональное назначение.Комплект интегральных схем, из которых состоит ЭВМ, называется микропроцессорнымкомплектом.

В состав микропроцессорных комплектов входят:• системный таймер,•••••микропроцессор (МП),сопроцессоры,контроллер прерываний,контроллер прямого доступа к памяти,контроллеры устройств ввода-вывода и др.Все устройства ЭВМ делятся на центральные и периферийные. Центральныеустройства полностью электронные, периферийные устройства могут быть либоэлектронными, либо электромеханическими с электронным управлением.В центральных устройствах основным узлом, связывающим микропроцессорныйкомплект в единое целое, является системная магистраль (СМ). Она состоит из трехузлов, называемых шинами: шина данных (ШД), шина адреса (ША), шина управления(ШУ).

В состав системной магистрали входят регистры-защелки, в которых запоминаетсяпередаваемая информация, шинные формирователи, шинные арбитры, определяющиеочередность доступа к системной магистрали, и др.Системная магистральЛогика работы системной магистрали, количество разрядов (линий) в шинахданных, адреса и управления, порядок разрешения конфликтных ситуаций, возникающихпри одновременном обращении различных устройств ЭВМ к системной магистрали,образуют интерфейс системной шины.Интерфейс системной шиныВ состав центральных устройств ЭВМ входят: центральный процессор, основнаяпамять и ряд дополнительных узлов, выполняющих служебные функции: контроллерпрерываний, таймер и контроллер прямого доступа к памяти (ПДП).Периферийные устройства делятся на два вида: внешние ЗУ (НМД, НГМД, НМЛ)и устройства ввода-вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, принтер, мышь, адаптер каналовсвязи (КС) и др.Управляющая работой ЭВМ программа перед началом выполнения загружается восновную память.

Адрес первой выполняемой команды передается микропроцессору изапоминается в счетчике команд.Начало работы процессора заключается в том, что адрес из счетчика команд (вкотором всегда хранится адрес очередной команды) выставляется на ША системноймагистрали. Одновременно на ШУ выдается команда: «Выборка из ОП», котораявоспринимается основной памятью. Получив с ШУ системной магистрали команду,основная память считывает адрес с ША, находит ячейку с этим номером и ее содержимоевыставляет на ШД, а на ШУ выставляет сигнал о выполнении команды.

Процессор,получив по ШУ сигнал об окончании работы ОП, вводит число с ШД на внутреннююмагистраль МП и через нее пересылает введенную информацию в регистр команд.В регистре команд полученная команда разделяется на кодовую и адресную части.Код команды поступает в блок управления для выработки сигналов, настраивающих МПна выполнение заданной операции, и для определения адреса следующей команды,который сразу заносится в счетчик команд. Адресная часть команды выставляется на ШАсистемной магистрали и сопровождается сигналом «Выборка из ОП» на ШУ. Выбраннаяиз ОП информация через шину данных поступает на внутреннюю магистраль МП, скоторой вводится в арифметическое устройство (АУ).

На этом заканчивается подготовкаМП к выполнению операции, и начинается ее выполнение в АЛУ.Результат выполнения операции выставляется микропроцессором на ШД, на ШАвыставляется адрес ОП, по которому этот результат необходимо записать, а на ШУвыставляется команда «Запись в ОП». Получив с ШУ команду, ОП считывает адрес иданные с системной магистрали, организует запись данных по указанному адресу и послевыполнения команды выставляет на ШУ сигнал, обозначающий, что число записано.Процессор, получив этот сигнал, начинает выборку очередной команды: выставляет адресиз счетчика команд на шину адреса, формирует команду «Выборка из ОП» на ШУ и т.д.В каждом цикле, получив команду в регистр команд и выделив код операции,процессор определяет, к какому устройству она относится. Если команда должнавыполняться процессором, организуется ее выполнение по описанному циклу.

Если жекоманда предназначена для выполнения в другом устройстве ЭВМ, центральныйпроцессор (ЦП) передает ее соответствующему устройству.Процесс передачи команды другому устройству предусматривает следующиедействия:• ЦП выставляет на шину адреса СМ адрес интересующего его устройства.• По шинам управления передается сигнал «Поиск устройства».

Все устройства,подключенные к системной магистрали, получив этот сигнал, читают номерустройства с шины адреса и сравнивают его со своим номером. Устройства, длякоторых эти номера не совпадают, на эту команду не реагируют. Устройство ссовпавшим номером вырабатывает сигнал отклика по шине управления.• ЦП, получив сигнал отклика, в простейшем случае выставляет имеющуюся унего команду на шину данных и сопровождает ее по шине управления сигналом«Передаю команду».• Получив сигнал о приеме команды, ЦП переходит к выполнению очереднойсвоей команды, выставляя на шину адреса содержимое счетчика команд.В более сложных случаях, получив сигнал, что устройство откликнулось, преждечем передавать команду, ЦП запрашивает устройство о его состоянии.

Текущее состояниеустройства закодировано в байте состояния, который откликнувшееся устройствопередает процессору через ШД системной магистрали. Если устройство включено иготово к работе, то байт состояния - нулевой. Наличие в нем единиц свидетельствует онештатной ситуации, которую ЦП пытается проанализировать и в необходимых случаяхизвещает оператора о сложившейся ситуации.Взаимодействие МП с внешними устройствами предусматривает выполнениелогической последовательности действий, связанных с поиском устройства, определениемего технического состояния, обменом командами и информацией.