Процессор содержит два основных устройства арифметико логическое устройство и устройство управления
4. Функциональная структура микропроцессора. Устройство управления, арифметико-логическое устройство, интерфейсная часть микропроцессора.
Функциональная структура микропроцессора.
Само слово процессор происходит от английского глагола to process, что в переводе на русский будет звучать, как обрабатывать. В общем понимании, под данным термином подразумевается устройство или набор программ, которые используются для совершения вычислительных операций или обработки массива данных или процесса.
В персональном компьютере процессор выполняет функцию «мозга», являясь основной микросхемой, которая требуется для бесперебойной и правильной работы ПК. Под управлением CPU находятся все внутренние и периферийные устройства.
Центральный процессор - это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.
арифметико-логическое устройство;
шины данных и шины адресов;
регистры;
счетчики команд;
кэш - очень быструю память малого объема,
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему - тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристаллическая пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.
Существующие в настоящее время центральные процессоры (ЦП) могут различаться по множеству параметров. Существуют различные характеристики процессора, набор которых для каждой модели ЦП уникален. Абсолютно одинаковых микросхем, имеющих полностью совпадающие параметры, практически не существует.
Основные характеристики процессоров
• Количество ядер. Чем больше число входящих в состав процессора ядер, тем выше его производительность.
• Разрядность процессора — означает, какое максимальное количество оперативной памяти можно установить на компьютер.
• Технический процесс. Чем этот параметр меньше, тем лучше, поскольку иными словами – это занимаемая кристаллом площадь на процессоре, следовательно, чем размер кристаллов меньше, тем большее их количество уместится, что увеличит тактовую частоту.
• Кэш процессора также является немаловажным параметром. Чем показатели его выше, тем больше данных можно сохранить в особой памяти, ускоряющей работу процессора.
• Тактовая частота. Тактом условно называется одна операция. Единицей измерения тактовой частоты считается МГц и ГГц. Так, например один МГц означает, что процессору под силу выполнить один миллион команд в секунду.
• Socket . Данный параметр позволяет стандартизировать все процессоры по подключаемым к материнской плате разъемам.
Функционально МП можно разделить на две части:
· операционную, содержащую устройство управления (УУ), арифметикологическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) (за исключением нескольких адресных регистров);
· интерфейсную, содержащую адресные регистры МПП; блок регистров команд — регистры памяти для хранения кодов команд, выполняемых в ближайшие так ты работы машины; схемы управления шиной и портами.
Обе части МП работают параллельно, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти (ее запись в блок регистров команд и предварительный анализ) выполняется во время выполнения операционной частью предыдущей команды^ Современные микропроцессоры имеют несколько групп регистров в интерфейсной: части, работающих с различной степенью опережения, что позволяет выполнять операции в конвейерном режиме. Такая организация МП позволяет существенно повысить его эффективное быстродействие.
Устройство управления, арифметико-логическое устройство, интерфейсная часть микропроцессора.
Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством ПК. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины.
Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.
Функционально АЛУсостоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).
Сумматор — вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.
Регистры — быстродействующие ячейки памяти различной длины.
Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП с системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд.
5. Материнская плата. Ее компоненты.
Материнская плата (англ. motherboard, MB, также используется название англ. mainboard — главная плата; сленг.мама, мать, материнка) — сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера либо сервера начального уровня (центральный процессор, контроллер оперативной памяти и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Именно материнская плата объединяет и координирует работу таких различных по своей сути и функциональности комплектующих, как процессор, оперативная память, платы расширения и всевозможные накопители.
Центральный процессор (ЦПУ).
Набор системной логики (чипсет — англ. chipset) — набор микросхем, обеспечивающих подключение ЦПУ к ОЗУ и контроллерам периферийных устройств. Как правило, современные наборы системной логики строятся на базе двух СБИС: «северного» и «южного мостов».
Для подключения ЦПУ к системному контроллеру могут использоваться такие FSB-шины, как HyperTransport и SCI.
Обычно к системному контроллеру подключается ОЗУ. В таком случае он содержит в себе контроллер памяти. Таким образом, от типа применённого системного контроллера обычно зависит максимальный объём ОЗУ, а также пропускная способность шины памяти персонального компьютера. Но в настоящее время имеется тенденция встраивания контроллера ОЗУ непосредственно в ЦПУ (например, контроллер памяти встроен в процессоры в AMD K8 и IntelCore i7), что упрощает функции системного контроллера и снижает тепловыделение.
В качестве шины для подключения графического контроллера на современных материнских платах используется PCI Express. Ранее использовались общие шины (ISA, VLB, PCI) и шина AGP.
Южный мост (англ. Southbridge), ICH (I/O controllerhub), периферийный контроллер — содержит контроллеры периферийных устройств (жёсткого диска, Ethernet, аудио), контроллеры шин для подключения периферийных устройств (шины PCI, PCI Express и USB), а также контроллеры шин, к которым подключаются устройства, не требующие высокой пропускной способности (LPC — используется для подключения загрузочного ПЗУ; также шина LPC используется для подключения мультиконтроллера (англ. Super I/O) — микросхемы, обеспечивающей поддержку исторических низкопроизводительных интерфейсов передачи данных: последовательного и параллельного интерфейсов, контроллера клавиатуры и мыши).
Процессор включает в себя, в большенстве случаев, одно или несколько операционных (или арифметическо-логических устройств) , устройство управления, локальную память, средства контроля и диагностики. Арифметически-логическое устройство (АЛУ) выполняет операции преобразования данных. Оно включает в себя один или несколько сумматоров и регистры для хранения промежуточных данных и результатов
преобразований. Арифметическо-логическое устройство может быть расширено специализированными операционными устройствами: сдвигателем, быстрым умножителем, десятичным сумматором, конвертером и др.
Устройство управления (УУ) - автомат управляющий процессами передачи и обработки информации в процессоре. Это устройство принимает команды и формирует последовательность управляющих сигналов, проверяет и т. п. Оно входит в работы функциональных узлов путем выдачи синхронизирующих и управляющего сигналов. В составе процессора может находится локальная память различного функционального назначения: рабочие регистры, РОН,
регистры указатели, управляющие регистры, регистры служебных слов и т. п. Служебная память может использоваться для буферизации данных и команд, хранения таблиц преобразования адреса, ключей защиты и др.
Процессор может включать в себя набор специальных системных средств: службу времени (суточные часы, таймер и т. п.) , средства межпроцессорной связи, пульт управления системой и др. Средства контоля и диагностики позволяют обнаруживать и устранять неисправности без потери производитетьности процессора.
Блок УУ вырабатывает последовательность управляющих сигналов, ини-циирующих выполнение соответствующей последовательности микроко-манд (находящихся в ПЗУ), реализующей текущую команду. Наряду с этим УУ координирует функционирование всех устройств ЭВМ посред-ством посылки управляющих сигналов: обмен данными ЦП ОП, хране-ние и обработка информации, интерфейс с пользователем, тестирование и диагностика и др. Поэтому УУ целесообразно рассматривать как отдель-ный блок ЦП; однако на практике большинство управляющих схем рас-пределены по всей ЭВМ. Они связаны большим числом управляющих ли-ний, передающих сигналы для синхронизации операций во всех устрой-ствах ЭВМ и принимающих сигналы о их состоянии. Важной составной частью УУ является панель или консоль, динамически отображающая работу УУ (а значит и ЭВМ) и позволяющая оператору визуально ее от-слеживать и влиять (при необходимости) на последующий ход обработки. В ПК функции консоли с более ограниченными возможностями выполняют клавиатура и дисплей, отображающая, в основном, ход вычислительного процесса, а не работу собственно устройств компьютера.
Блок УР предназначен для временного хранения управляющей информа-ции и содержит регистры и счетчики, участвующие совместно с УУ в управлении вычислительным процессом: регистр состояния ЦП, счетчики команд и тактов, регистр (вектор) запросов прерываний и др. Примером регистра состояния ЦП служит слово состояния программы (ССП); счет-чик команд (СК) представляет собой регистр, хранящий в ОП адрес вы-полняемой команды (в период выполнения команды его содержимое об-новляется на адрес следующей команды); регистр команд (РК) содержит выполняемую команду.
Блок РП содержит регистры сверхоперативной памяти (более высокого быстродействия, чем ОП) небольшого объема, позволяющие повысить быстродействие и логические возможности ЦП. Эти регистры служат для хранения операндов, результатов операций.
Блок АЛУ служит для выполнения арифметических и логических опера-ций над данными, поступающими из ОП и хранящимися в РП и работает под управлением УУ. АЛУ служит для выполнения любой операции, зада-ваемой ему УУ. В общем случае обрабатываемая в ЭВМ информация со-стоит из слов, содержащих фиксированное число n битов (например, n=8,16,32,64,128,бит). В этом случае АЛУ должно иметь возможность производить операции над n-битными словами: поступают из ОП на ре-гистры АЛУ, а УУ указывает операцию, которую необходимо над ними произвести; результат каждой арифметико-логической операции сохраня-ется в специальном регистре-сумматоре.
Сумматор соединен с элементарными логическими схемами (вентилями) для выполнения необходимых операций над его содержимым и содержи-мым других регистров.
Интерфейсный блок (ИБ) обеспечивает обмен информацией ЦП с ОП и защиту участков ОП от несанкционированного для текущей программы доступа, а также связь ЦП с периферийными устройствами и другими внешними по отношению к нему устройствами (ВУ). В частности, ИБ со-держит два регистра, обеспечивающие связь с ОП регистр адреса па-мяти (РАП) и регистр данных памяти (РДП). Первый регистр использу-ется для хранения адреса ячейки ОП, с которой производится обмен дан-ными, а второй содержит собственно данные обмена.
Блок контроля и диагностики (БКД) предназначен для обнаружения сбоев и отказов узлов ЦП, восстановления работы текущей программы после сбоев и локализации неисправностей при отказах.
Процессором называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки данных и программное управление этим процессом. Процессор дешифрирует и выполняет команды программы, организует обращения к оперативной памяти, в нужных случаях инициирует работу периферийных устройств, воспринимает и обрабатывает запросы, поступающие из устройств машины и из внешней среды (“запросы прерывания”).
Процессор занимает центральное место в структуре ЭВМ, так как он осуществляет управление взаимодействием всех устройств, входящих в состав ЭВМ.
Выполнение команды (машинной операции) разделено на более мелкие этапы — микрооперации (микрокоманды) , во время которых выполняются определенные элементарные действия. Конкретный состав микроопераций определяется системой команд и логической структурой данной ЭЗМ. Последовательность микроопераций (микрокоманд) , реализующих данную операцию (команду) , образует микропрограмму операции.
Для определений временных соотношений между различными этапами операции используется понятие машинного такта. Машинный такт определяет интервал времени, в течение которого выполняется одна или одновременно несколько микроопераций. Границы тактов задаются синхросигналами, вырабатываемыми специальной схемой — генератором синхросигналов.
Таким образом, может быть установлена следующая иерархия этапов выполнения программ в процессоре: программа, команда (микропрограмма) , микрооперация (микрокоманда) .
В процессор входят: арифметическо - логическое устройство АЛУ, управляющее устройство (управляющий автомат) УУ, блок управляющих регистров БУР, блок регистровой памяти (местная память) и блок связи с ОП и некоторым другим, в том числе внешним по отношению к ЭВМ, оборудованием.
В состав процессора могут также входить и некоторые другие блоки, участвующие в организации вычислительного процесса (блок прерывания, блок защиты памяти, блок контроля правильности работы и диагностики процессора и др.) . Оперативная (основная) память выполняется в виде отдельного устройства, хотя в небольших ЭВМ может конструктивно объединяться с процессором и использовать частично его оборудование.
Арифметическо-логическое устройство процессора выполняет логические и арифметические операции над данными. В общем случае в АЛУ выполняются логические преобразования над логическими кодами фиксированной и переменной длины (над отдельными битами, группами бит, байтами и их последовательностями) , арифметические операции над числами с фиксированной и плавающей точками, над десятичными числами, обработка алфавитно-цифровых слов переменной длины и др. Характер выполняемой АЛУ операции задается командой программы.
В процессоре может быть одно универсальное АЛУ для выполнения всех основных арифметических и логических преобразований или несколько специализированных для отдельных видов операций. В последнем случае увеличивается количество оборудования процессора, но повышается его быстродействие за счет специализации и упрощения схем выполнения отдельных операций.
Управляющее устройство (управляющий автомат) вырабатывает последовательность управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности микроопераций, обеспечивающей реализацию текущей команды.
Блок управляющих регистров предназначен для временного хранения управляющей информации. Он содержит регистры и счетчики, участвующие в управлении вычислительным процессом: регистры, хранящие информацию о состоянии процессора, регистр-счетчик адреса команды — счетчик команд (СчК) , счетчики тактов, регистр запросов прерывания и др. К блоку управляющих регистров следует также отнести управляющие триггеры, фиксирующие режимы работы процессора.
Для повышения быстродействия и логических возможностей процессора и микропроцессора в их состав включают блок регистровой памяти (местную память) небольшой емкости, но более высокого, чем ОП, быстродействия. Регистры этого блока (или ячейки местной памяти) указываются в командах программы путем укороче
Reduced instruction set computer — вычисления с упрощённым набором команд (в литературе слово «reduced» нередко ошибочно переводят как «сокращённый») . Архитектура процессоров, построенная на основе упрощённого набора команд, характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации. Концепция RISC разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).
Упрощение набора команд призвано сократить конвейер, что позволяет избежать задержек на операциях условных и безусловных переходов. Однородный набор регистров упрощает работу компилятора при оптимизации исполняемого программного кода. Кроме того, RISC-процессоры отличаются меньшим энергопотреблением и тепловыделением.
Very long instruction word — сверхдлинное командное слово. Архитектура процессоров с явно выраженным параллелизмом вычислений, заложенным в систему команд процессора. Являются основой для архитектуры EPIC. Ключевым отличием от суперскалярных CISC-процессоров является то, что для них загрузкой исполнительных устройств занимается часть процессора (планировщик) , на что отводится достаточно малое время, в то время как загрузкой вычислительных устройств для VLIW-процессора занимается компилятор, на что отводится существенно больше времени (качество загрузки и, соответственно, производительность теоретически должны быть выше) . Примером VLIW-процессора является Intel Itanium.
АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЕ, РЕГИСТРЫ, КОНТРОЛЕР ПРЕРЫВАНИЙ, КОНТРОЛЕР ВВОДА-ВЫВОДА, КЕШ И ИНТЕРФЕЙСНОЕ УТРОЙСТВО
Одним из важнейших устройств компьютера является центральный процессор (CPU — англ, central processing unit, что переводится как «центральное вычислительное устройство»). Именно от типа процессора и его характеристик в первую очередь зависит производительность компьютерной системы в целом.
Центральный процессор — это устройство компьютера, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными, а также координации работы всех устройств компьютера.
Современные центральные процессоры для персональных компьютеров выполняются в виде отдельных микросхем и называются микропроцессорами. В дальнейшем будем считать понятия «микропроцессор» и «процессор» равнозначными.
Схема состава микропроцессора показана на рисунке 1.
Основным элементом микропроцессора является ядро, от которого зависит большинство характеристик самого процессора. Ядро представляет собой часть микропроцессора, содержащую его основные функциональные блоки и осуществляющую выполнение одного потока команд.
Современные процессоры могут иметь более одного ядра, т.е. могут быть многоядерными. Многоядерные процессоры способны выполнять одновременно несколько потоков команд. Основная причина перехода к многоядерным процессорам была вызвана тем, что повышение производительности микропроцессоров путем дальнейшего наращивания тактовой частоты достигло физического предела в связи с очень высоким уровнем тепловыделения и энергопотребления. Производительность многоядерного процессора увеличивается за счет распараллеливания обработки данных между несколькими ядрами. Визуальное представление процессора показано на рисунке 2.
Ядро процессора помещается в корпус (пластмассовый или керамический) и соединяется проводками с металлическими ножками (выводами), с помощью которых процессор присоединяется к системной плате компьютера. Количество выводов и их расположение определяют тип процессорного интерфейса (разъема). Каждая системная плата ориентирована на один определенный тип разъема
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все математические и логические операции.
Управляющее устройство (УУ) обеспечивает выполнение процессором последовательности команд программы.
Набор регистров — ячейки памяти внутри процессора, используемые для размещения команд программы и обрабатываемых данных.
Кэш-память (кэш) — сверхбыстрая память, хранящая содержимое наиболее часто используемых ячеек оперативной памяти, а также части программы, к которым процессор обратится с наибольшей долей вероятности. Процессор в первую очередь пытается найти нужные данные именно в кэш-памяти, а если их там не оказывается, обращается к более медленной оперативной памяти. Кэш-память делится на два или три уровня, которые обозначаются LI, L2 и L3 (чаще всего уровней два).
Сопроцессор — элемент процессора, выполняющий действия над числами с плавающей запятой.
Характеристики микропроцессора Тактовая частота. Для каждой выполняемой процессором команды требуется строго определенное количество единиц времени (тактов). Тактовые импульсы формируются генератором тактовой частоты, установленным на системной плате. Чем чаще они генерируются, тем больше команд процессор выполняет за единицу времени, т. е. тем выше его быстродействие. Тактовая частота обычно выражается в мегагерцах. 1 МГц равен 1 миллиону тактов в секунду. Первые модели процессоров Intel ( i 8008 x ) работали с тактовыми частотами, меньшими 5 МГц. Сегодня тактовая частота последних процессоров превышает 3 ГГц (1 ГГц = 1000 МГц). Внутренняя архитектура процессора, как и тактовая частота, также влияет на работу процессора, поэтому два CPU с одинаковой тактовой частотой не обязательно будут тратить одинаковое время на выполнение одной команды. Если, например, микропроцессору Intel 80286 требовалось 20 тактов, чтобы выполнить команду умножения двух чисел, то Intel 80486 или старше мог выполнить это же действие за один такт. Некоторые процессоры способны выполнять более одной команды за 1 такт. Их называют суперскалярными. Различают внутреннюю и внешнюю тактовую частоту. Внешняя тактовая частота — это частота, с которой процессор обменивается данными с оперативной памятью компьютера. Как уже было сказано выше, она формируется генератором тактовых импульсов (кварцевым резонатором).
Внутренняя тактовая частота — это частота, с которой происходит работа внутри процессора. Именно это значение указывается в прайс-листах фирм, продающих процессоры.
1. Арифметико-логическое устройство микропроцессора. Назначение, функции, основные технические характеристики
В общем случае многофункциональное АЛУ включает операционную часть (ОУ) и устройство управления (УУ), которое осуществляет вторичную дешифрацию кода команды и определяет выполняемую в АЛУ операцию.
Структура АЛУ:
Набор выполняемых в АЛУ операций должен обладать функциональной полнотой. Чтобы обеспечить функциональную полноту достаточно четырех операций:
· обращение к памяти для записи / чтения данных;
· сравнение (реализует возможность условного перехода);
· останов работы устройства.
В первых процессорах количество операций ограничивалось шестнадцатью, теперь достигает нескольких сотен.
Количество выполняемых операций является важной характеристикой АЛУ.
Классификация АЛУ
АЛУ можно классифицировать по ряду признаков, приведенных ниже.
Классификация по способу представления данных:
· с фиксированной запятой;
· с плавающей запятой.
Классификация по способу действия над операндами:
· последовательные АЛУ, где каждая операция выполняется последовательно над каждым разрядом;
· параллельные АЛУ, операция выполняется над всеми разрядами данных одновременно;
· последовательно - параллельные АЛУ, где слово данных делится на слоги, обработка данных ведется параллельно над разрядами слога и последовательно над слогами.
Классификация по использованию систем счисления:
Классификация по характеру использования элементов и узлов:
· блочные - для выполнения отдельных арифметических операций в структуру АЛУ вводят специальные блоки, что позволяет процесс обработки информации вести параллельно;
· конвейерные - в конвейерных АЛУ операция разбивается на последовательность микроопераций, выполняемых за одинаковые промежутки времени (такты) на разных ступенях конвейера, что позволяет выполнять операцию над потоком операндов каждый такт;
· многофункциональные - это универсальные АЛУ, выполняющие множество операций в одном устройстве. В таких АЛУ требуется настройка на выполнение данной операции при помощи кода операции.
Классификация по временным характеристикам.
По временным характеристикам АЛУ делятся на:
· синхронные - в синхронных АЛУ каждая операция выполняется за один такт.
· асинхронные - не тактируемые АЛУ, обеспечивающие высокое быстродействие, так как выполняются на комбинационных схемах.
Классификация по структуре устройства управления:
· АЛУ с жесткой логикой устройства управления;
· АЛУ с микропрограммным управлением.
Основные функции и характеристики АЛУ
Современные АЛУ выполняют:
· функции двоичной арифметики для данных в формате с фиксированной точкой;
· функции двоичной арифметики для данных в формате с плавающей точкой;
· функции арифметики двоично-десятичного представления данных;
· логические операций (в том числе сдвиги арифметические и логические);
· операции пересылки данных;
· работу с символьными данными;
· работу с графическими данными.
Основные характеристики АЛУ:
Основные характеристики АЛУ можно разделить на количественные и качественные.
Количественные характеристики:
Количественные характеристики определяют скорость выполнения операций, время выполнения одной операции, точность представления данных, количество выполняемых операций.
Среднюю скорость выполнения операций V ср. в АЛУ можно определить как отношение N ( T ) - количества операций, выполненных за отрезок времени Т к данному отрезку времени:
ср = N(T)/T
Среднее время, которое АЛУ тратит на выполнение операции равно:
ср = 1/Vср
Точность представления данных в АЛУ зависит от разрядной сетки АЛУ и выбранного формата данных.
Качественные характеристики АЛУ :
К качественным характеристикам АЛУ относятся:
· структурные особенности АЛУ;
· форматы представления данных (с фиксированной или плавающей точкой);
· способы кодирования данных.
. Организация системы ввода/вывода микро ЭВМ
Можно выделить два характерных принципа построения систем ввода-вывода: ЭВМ с одним общим интерфейсом и ЭВМ с множеством интерфейсов и процессорами (каналами) ввода-вывода.
Структура с одним общим интерфейсом: структура с одним общим интерфейсом предполагает наличие общей шины, к которой подсоединяются все модули, в совокупности образующие ЭВМ: процессор, оперативная и постоянная память и периферийные устройства. В каждый данный момент через общую шину может происходить обмен данными только между одной парой присоединенных к ней модулей. Таким образом, модули ЭВМ разделяют во времени один общий интерфейс, причем процессор выступает как один из модулей системы.
Периферийные устройства подсоединяются к общей шине с помощью блоков управления периферийными устройствами (контроллеров), осуществляющих согласование форматов данных периферийных устройств с форматом, принятым для передачи по общей шине.
Если в периферийном устройстве операции ввода - вывода производятся для отдельных байт или слов, то используется программно-управляемая передача данных через процессор и под его управлением. Конструкция контроллера при этом сильно упрощается.
Для периферийных устройств с поблочной передачей данных (ЗУ на дисках, лентах и др.) применяется прямой доступ к памяти и контроллеры ПДП.
При общем интерфейсе аппаратура управления вводом-выводом рассредоточена по отдельным модулям ЭВМ. Процессор при этом не полностью освобождается от управления операциями ввода-вывода. Более того, на все время операции передачи данных интерфейс оказывается занятым, а связь процессора с памятью блокированной.
Интерфейс с общей шиной применяется только в малых и микро-ЭВМ, которые имеют короткое машинное слово, небольшой объем периферийного оборудования и от которых не требуется высокой производительности.
Структура с каналами ввода-вывода: структура системы с процессорами (каналами) ввода-вывода применяется в высокопроизводительных ЭВМ. В таких ЭВМ система ввода-вывода строится путем централизации аппаратуры управления вводом-выводом на основе применения программно-управляемых процессоров (каналов) ввода-вывода. Обмен информацией между памятью и периферийным устройством осуществляется через канал ввода-вывода.
Каналы ввода - вывода полностью освобождают процессор от управления операциями ввода-вывода.
В вычислительной машине с каналами ввода-вывода форматы передаваемых данных неоднородны, поэтому неоходимо использовать в ЭВМ несколько специализированных интерфейсов.
Можно выделить 4 типа интерфейсов: интерфейс основной памяти, интерфейс процессор-каналы, интерфейсы ввода-вывода, интерфейсы периферийных устройств (малые интерфейсы).
Через интерфейс основной памяти производится обмен информацией между памятью, с одной стороны, и процессором и каналами - с другой.
Интерфейс процессор-каналы предназначается для передачи информации между процессорами и каналами ввода-вывода.
Через интерфейс ввода-вывода происходит обмен информацией между каналами и блоками управления периферийных устройств.
Интерфейс периферийного устройства служат для обмена данными между периферийным устройством и его блоком управления. Унификации малые интерфейсы не поддаются, так как ПУ весьма разнообразны по принципу действия, используемым форматам данных и сигналам.
3. Реальный режим работы МП
Реальный режим (или режим реальных адресов) - это название было дано прежнему способу адресации памяти после появления процессора 80286, поддерживающего защищённый режим. Но только с появлением процессора 80386 можно говорить о защищённом режиме в современном понимании, так как в процессоре 80286 нет страничной адресации памяти.
Описание: в реальном режиме при вычислении линейного адреса, по которому процессор собирается читать содержимое памяти или писать в неё, сегментная часть адреса умножается на 16 (или, что то же самое, сдвигается влево на 4 бита) и суммируется со смещением (если процессору передаётся не полный адрес из двух 16-битных значений - сегмента и смещения, - а только 16-битное смещение, то сегмент берётся из одного из сегментных регистров). Таким образом, адреса 0400h:0001h и 0000h:4001h ссылаются на один и тот же физический адрес, так как 400hЧ16+1 = 0Ч16+4001h.
Такой способ вычисления физического адреса позволяет адресовать 1 Мб + 64 Кб − 16 байт памяти (диапазон адресов 0000h…10FFEFh). Однако в процессорах 8086/8088 всего 20 адресных линий, поэтому реально доступен только 1 мегабайт (диапазон адресов 0000h…FFFFFh), а при адресации выше (в диапазоне 100000h…10FFEFh) происходит «заворот» - старший единичный бит адреса игнорируется и происходит обращение к 64 килобайтам в начальных адресах (0000h…FFEFh).
Процессор 80286 имеет 24-битную адресную шину (возможна адресация 2 24 = 16 Мб памяти), поэтому в них переполнения не происходит. Компьютеры IBM PC/AT построены на процессоре Intel 80286, но, из соображений совместимости с IBM PC и IBM PC/XT, построенных на Intel 808x, в них был введён логический элемент (вентиль), управляющий работой 21-го адресного провода (A20). Этот логический элемент, получивший название «Gate A20», по умолчанию отключен, что соответствует режиму совместимости, но управляется через контроллер клавиатуры (микросхема Intel 8042).
Использование: После подачи сигнала сброса или включения питания процессор начинает работу в реальном режиме; в этом режиме начинается исполнение BIOS IBM PC-совместимого компьютера. В реальном режиме может быть выполнена инициализация части аппаратуры (например, контроллер ОЗУ чипсета), которая необходима для работы программ после переключения в защищённый режим.
Если размеры кода и данных программы невелики, она может целиком исполняться в реальном режиме. Так, например, DOS использует реальный режим, как основной, и сама не пытается перевести процессор в защищённый режим, предоставляя это пользовательским программам. Ранние версии Microsoft Windows могли работать только в реальном режиме. Даже Windows 3.0, среди трёх режимов работы, предусматривала запуск в реальном режиме и могла выполняться на 8086.
Процессоры 80286 и более поздние, работая в реальном режиме, в основном, сохраняют те же ограничения на размер адресного пространства, что и 8086. Для использования большего объёма памяти программам, разработанным для реального режима, необходимы специальные средства. На машинах с процессором 80286 и выше, можно, например, использовать драйверы вроде HIMEM.SYS. Есть также средства, предоставляемые недокументированной командой LOADALL (что, однако, сопряжено с целым рядом трудностей). Начиная с 80386 появилась опять же не документированная фирмой Intel возможность перевести процессор в режим, неофициально называемый «Unreal mode», позволяющий, хоть и с некоторыми ограничениями, использовать 32-битное физическое адресное пространство (4 Гбайт).
Несмотря на то, что Intel не предусмотрела возврат процессора 80286 из защищённого в реальный режим, компьютер IBM PC/AT имеет такую возможность, благодаря аппаратным особенностям и BIOS. Так, в нём предусмотрена программная подача сигнала сброса на процессор. BIOS также может различать причины / режимы перезапуска, анализируя содержимое ячейки памяти 40h:72h и байта по адресу 0Fh в конфигурационной памяти (CMOS). Поэтому можно заставить BIOS не выполнять начальную загрузку, оставить содержимое ОЗУ тем же, что и до сброса, а управление передать по адресу, помещённому в ячейку 40h:67h. Таким образом программа может многократно переключаться между защищённым и реальным режимами, хотя этот способ требует сравнительно большого расхода времени на каждое переключение.
Возможность «нормального», без ухищрений, программного возврата в реальный режим была предусмотрена Intel только в процессорах 80386 и выше. Однако в 80386 большую ценность имеет другая новая возможность - Режим виртуального 8086 (V86, VM86). При этом программы получают возможность использовать как бы прежний способ адресации 8086, в то время как процессор находится в защищённом режиме, а линейный адрес, вычисленный по правилам 8086, подвергается страничной трансляции. Режим V86 позволил создавать виртуальные машины. Операционная система может ограничить доступ к той или иной области памяти (см. Защита памяти) для каждой виртуальной машины, выделять для них виртуальную память вместо реальной физической и контролировать обращения к портам ввода-вывода. Всё это используется для организации работы DOS внутри многозадачных систем вроде OS/2 и Microsoft Windows. При этом каждой виртуальной DOS-машине доступен только 1 мегабайт адресного пространства, но их может быть запущено одновременно большое количество.
Список литературы
1. Бабич Н.П., Жуков И.А. Компьютерная схемотехника. Методы построения и проектирования: Учебное пособие. - К.: «МК-Пресс», 2004
2. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. 4-е изд. - СПб.: Питер, 2005. - (Серия «Классика computer science »).
. Зубков С.В. Assembler для DOS , Windows и UNIX . - 3-е издание, - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2004
Читайте также: