Тема 4_2010_Принципы функциональной и структурной организации ЭВМ (Лекции (ещё одни))

Тема 4 (Повтор материала 1-го семестра)Функциональная и структурная организация ЭВМОглавление1.ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И СТРУКТУРНОЙОРГАНИЗАЦИИ ЭВМ ............................................................................................................... 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 ........................................................................................................................................ 144.3.

Система прерываний ЭВМ ............................................................................................................................. 171.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 быть примененырегистры, дешифраторы, сумматоры; блоки жесткого аппаратурного управления илимикропрограммного с управлением подпрограммами (комплексами микроопераций);устройства или комплексы устройств, реализованные в виде автономных систем(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 прямогодоступа 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. Она состоит из трех узлов,называемых шинами: шина данных (ШД), шина адреса (ША), шина управления (ШУ).

Всостав системной магистрали входят регистры-защелки, в которых запоминаетсяпередаваемая информация, шинные формирователи, шинные арбитры, определяющиеочередность доступа к системной магистрали, и др.Логика 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.В 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 шину адресасистемной магистрали. Одновременно на шину управления выдается команда: выборкаиз ОП, которая воспринимается основной памятью. Получив с шины управлениясистемной магистрали команду, основная память считывает адрес с шины адреса, находитячейку с этим номером и ее содержимое выставляет на шину данных, а на шинууправления выставляет сигнал о выполнении команды. Процессор, получив по шинеуправления сигнал об окончании работы ОП, вводит число с шины данных навнутреннюю магистраль МП и через нее пересылает введенную информацию в регистркоманд.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 нашину адреса системной магистрали (СМ) и сопровождается сигналом выборка из ОП нашине управления. Выбранная из ОП информация через шину данных поступает навнутреннюю магистраль МП, с которой вводится в арифметическое устройство (АУ). Наэтом заканчивается подготовка МП к выполнению операции, и начинается ее выполнениев АЛУ.Результат выполнения операции выставляется микропроцессором на шину данных,на шину адреса выставляется адрес ОП, по которому этот результат необходимо записать,а на шину управления выставляется команда запись в ОП.

Получив с шины управлениякоманду, ОП считывает адрес и данные с системной магистрали, организует записьданных по указанному адресу и после выполнения команды выставляет на шинууправления сигнал, обозначающий, что число записано. Процессор, получив этот сигнал,начинает выборку очередной команды: выставляет адрес из счетчика команд на шинуадреса, формирует команду выборка из ОП на шине управления 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 командыдругому устройству предусматривает следующие действия: ЦП выставляет на шинуадреса СМ адрес интересующего его устройства.

По шинам управления передается сигналпоиск устройства. Все устройства, подключенные к системной магистрали, получив этотсигнал, читают номер устройства с шины адреса и сравнивают его со своим номером.Устройства, для которых эти номера не совпадают, на эту команду не реагируют.Устройство с совпавшим номером вырабатывает сигнал отклика по шине управления. ЦП,получив сигнал отклика, в простейшем случае выставляет имеющуюся у него команду нашину данных и сопровождает ее по шине управления сигналом передаю команду.Получив сигнал о приеме команды, ЦП переходит к выполнению очередной своейкоманды, 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. Эта логическаяпоследовательность действий вместе с устройствами, реализующими ее, получиланазвание интерфейс ввода-вывода.Для различных устройств могут использоваться разные логическиепоследовательности действий, поэтому интерфейсов ввода-вывода может в одной и тойже ЭВМ использоваться несколько.