Главная страница Случайная страница
Разделы сайта
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Внешняя память
|
|
Системная шина: назначение и состав
Объединение функциональных блоков в ЭВМ осуществляется посредством следующей системы шин: шины данных, но которой осуществляется обмен информацией между блоками ЭВМ, шины адреса, используемой для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение), и шины управления для передачи управляющих сигналов.
Совокупность этих трех шин называют системной шиной, системной магистралью или системным интерфейсом.
Принципиально общие закономерности в организации шин
Шина состоит из отдельных проводников - линий.
Сигналы по линиям шины могут передаваться либо импульсами (наличие импульса соответствует логической 1, а отсутствие импульса — 0), либо уровнем напряжения (высокий уровень, низкий).
Шириной шины называется количество линий, входящих в состав шины. Ширина шины адреса определяет размер адресного пространства ОП ЭВМ. Если количество линий адреса равно 20, то общее количество адресуемых ячеек ОП составит 220 = 1 048 576 ячеек. Ширина шины данных определяется разрядностью ЦП (длиной машинного слова).
Обычно на шине в любой момент можно выделить два активных устройства. Одно из них называется задатчиком и инициирует операцию обмена данными (формирует адреса и управляющие сигналы).
Другое называется исполнителем и выполняет операцию (дешифрирует адреса и управляющие сигналы и принимает или передает данные). В большинстве случаев задатчиком является центральный процессор. Память всегда выступает только в качестве исполнителя.
Структура шины управления
Линия занятости. Если линия находится в состоянии «шина свободна», то задатчик (ЦП) может начать операцию обмена данными по шине, иначе задатчику придется ожидать, пока шина не освободится.
Линия выполняемой операции. Указывает, какая именно операция будет выполняться: чтение (задатчик принимает данные от исполнителя), запись (задатчик передает данные исполнителю).
Линия синхронизации. Используется для передачи сигналов синхронизации задатчика и исполнителя.
Операции чтения и записи
Чтение:
Процессор переводит шину в состояние занято, на адресную шину помещает адрес требуемой ячейки памяти, устанавливает на шине управления сигнал чтение, выдает сигнал синхронизации задатчика.
Память принимает адрес, дешифрирует его, находит нужную ячейку и помещает ее содержимое на шину данных. Далее память выдаёт сигнал синхронизации исполнителя.
Получив ответ от памяти, процессор считывает данные с шины данных, снимает свои управляющие сигналы и освобождает шину.
Запись:
Процессор переводит шину в состояние занято, на адресную шину помещает адрес требуемой ячейки памяти, на шину данных помещает данные, которые надо записать в эту ячейку, устанавливает на шине управления сигнал запись, выдает сигнал синхронизации.
Память, получив сигнал синхронизации от ЦП, принимает адрес, дешифрирует его, находит нужную ячейку и помещает в нее содержимое с шины данных. Далее память выдает сигнал синхронизации исполнителя.
Получив ответ от памяти, ЦП снимает свои управляющие сигналы и освобождает шину.
Виды программно-управляемой передачи данных
Синхронный – наиболее простой вид, требует минимум технических и программных средств: поскольку время выполнения операции внешним устройством точно известно.
Асинхронный – интервал между командами обмена задается внешним устройством программным путем.
Обмен по прерываниям -готовность ВУ к обмену данными проверяется не программным путем, а аппаратным, через контроллеры прерываний.
Обобщенный алгоритм функционирования фон-неймановской ЭВМ с шинной организацией
После включения ЭВМ или операции сброса в регистры центрального процессора заносятся некоторые начальные значения. Обычно в процессе инициализации после включения ЭВМ в память ЭВМ помещается программа, называемая первичным загрузчиком. Основное назначение этой программы — загрузить в оперативную память с устройства внешней памяти операционную систему.
Пока будем полагать, что в оперативной памяти оказалась первая из подлежащих выполнению программ.
Программному счетчику присваивается начальное значение, равное адресу первой команды программы, указанной выше.
Центральный процессор производит операцию считывания первой команды программы из оперативной памяти.
В качестве адреса ячейки памяти используется содержимое программного счетчика.
Содержимое считанной ячейки памяти помещается в регистр команды УУ. Устройство управления приступает к интерпретации команды. По полю кода операции из первого слова команды УУ определяет ее длину и, если это необходимо, организует дополнительные операции считывания, пока вся команда полностью не будет прочитана процессором.
Вычисленная длина команды прибавляется к исходному содержимому программного счетчика, и когда команда полностью прочитана, программный счетчик будет хранить адрес следующей команды.
По адресным полям команды устройство управления определяет, имеет ли команда операнды в памяти.
Если это так, то на основе указанных в адресных полях режимов адресации вычисляются адреса операндов и производятся операции чтения памяти для считывания операндов.
Устройство управления и арифметико-логическое устройство выполняют операцию, указанную в поле кода операции команды.
Во флаговом регистре процессора запоминаются признаки результатов операции (равно нулю или нет, знак результата, наличие переполнения и т.д.).
Если это необходимо, устройство управления выполняет операцию записи для того, чтобы поместить результат выполнения команды в память.
Если последняя команда не была командой остановить процессор, то описанная последовательность действий повторяется, начиная с шага 1.
Описанная последовательность достаточно простых действий центрального процессора с шага 1 до шага 6 называется циклом процессора.
Особенности реализации цикла процессора в ЭВМ с различной конфигурацией
В различных конфигурациях ЭВМ реализация цикла процессора может несколько отличаться. Так, например, по-разному может осуществляться синхронизация задатчиков и исполнителей;
процессор может считывать из памяти не одну команду, а сразу несколько и хранить их в специальной очереди команд;
часто используемые программой команды и данные могут храниться не в основной памяти ЭВМ, а в быстродействующей буферной памяти и т.д.
Шинная организация: достоинства и недостатки
Шинная организация. В этой схеме все устройства симметрично подсоединяются к одному каналу, называемому общей шиной.
Симметрия подключения гарантирует свободное подключение новых устройств, т.е. система имеет теоретически неограниченное развитие.
Между блоками ЭВМ (процессор, оперативная память, внешние устройства) организуется обмен информации. Так как потоки информации ограничены возможностями одного канала, эта схема имеет принципиальные ограничения скорости работ.
Раздел 7 (Лекции 10-12)
Упрощенная схема ЭВМ с канальной организацией
ВУ – внешние (периферийные) устройства
Понятие канала
Канал – это специализированный процессор, осуществляющий всю работу по управлению контроллерами внешних устройств и обмену данными между оперативной памятью и внешними устройствами.
Контроллер внешнего устройства – это программно-аппаратная составляющая устройства, которая служит для связи внешнего устройства с данной моделью ЭВМ.
Принципы подключения внешних устройств к каналам
Внешние устройства группируются по характерной скорости на два класса (быстрые и медленные) и подключаются к соответствующим каналам.
«Быстрые» устройства (например, накопители на магнитных дисках) подключаются к селекторным каналам. Такое устройство получает селекторный канал в монопольное использование на все время выполнения операции обмена данными.
«Медленные» устройства подключаются к мультиплексным каналам. Такой канал разделяется (мультиплексируется) между несколькими устройствами, за счет чего возможен одновременный обмен данными с несколькими устройствами.
Все контроллеры внешних устройств подключаются к «своим» каналам с помощью стандартного интерфейса.
Контроллер оперативной памяти
Доступ к оперативной памяти может получить и центральный процессор, и один из каналов. Для управления очерёдностью доступа имеется контроллер оперативной памяти. Он определяет приоритет доступа при одновременном обращении нескольких устройств к памяти.
Наименьший приоритет имеет центральный процессор. Среди каналов больший приоритет имеют медленные каналы. Таким образом, приоритет обратно пропорционален частоте обращения устройств к памяти.
Канальные команды и команды ЦП для работы с каналами
За счёт существенного усложнения организации ЭВМ упрощаются операции ввода-вывода данных.
Для ускорения обмена данными реализованы несколько трактов обмена (процессор — оперативная память и каналы — оперативная память).
Канал, являясь хотя и специализированным, но все-таки процессором, выполняет свою канальную программу.
О своём состоянии канал информирует процессор с помощью сигнала прерывания.
Канальная программа
Канальная программа состоит из канальных команд. Длина канальной программы произвольна, но ее последняя команда содержит признак конца.
Подготовку канальной программы и загрузку ее в оперативную память осуществляет операционная система.
Адрес начала канальной программы размещается в фиксированной ячейке памяти, называемой словом адреса канала CAW (Chanel Adress Word).
Центральный процессор для работы с каналами имеет всего несколько команд.
1. Операция обмена данными инициируется ЦП с помощью команды:
НАЧАТЬ ВВОД-ВЫВОД (Start IO (M, N))
M – номер канала
N – номер устройства
Команда передается во все каналы, но воспринимает ее только канал M.
Центральный процессор может проверить состояние канала с помощью команды:
2. ОПРОСИТЬ ВВОД-ВЫВОД (Test IO)
Если канал занят, то он устанавливает соответствующее состояние своих регистров, и процессор по команде (Test IO) может выяснить, что запуск канальной программы для обмена данными не состоялся.
Если канал свободен, то он:
Во-первых, выбирает из оперативной памяти из ячейки CAW в свой регистр адрес первой команды SIO (M, N).
Во-вторых, передает подключенным к нему устройствам команду SIO (M, N). Эта команда запуска ввода-вывода передается всем устройствам, но воспринимает ее только устройство N.
Если устройство занято или не готово, в регистрах канала устанавливается соответствующее состояние, и ЦП по команде TIO узнает о том, что операция обмена данными не состоялась.
Если же устройство свободно и готово к обмену данными, оно устанавливает в интерфейсе сигнал ожидания.
Преимущества канальной организации ЭВМ
В ЭВМ фон Неймана с канальной организацией процессор практически полностью освобождается от рутинной работы по организации ввода-вывода. Управление контроллерами внешних устройств и обмен данными берет на себя канал.
Наличие нескольких каналов передачи данных снимает трудности, связанные с блокировкой единственного канала (системной шины), что повышает скорость обмена.
Все это даёт возможность производить обмен данными с внешними устройствами параллельно с основной вычислительной работой центрального процессора.
В результате общая производительность системы существенно возрастает.
Удорожание схемы окупается.
Канал как специализированный узел
В рассмотренной выше схеме ЭВМ операции обмена данными с внешними устройствами организуются через специализированный узел — канал ввода-вывода. Благодаря этому можно организовать обработку информации параллельно с вводом-выводом.
В настоящее время схемы со специализированными процессорами ввода-вывода часто встречаются в ЭВМ
Информационная модель ЭВМ
ЭВМ можно представить как совокупность узлов, соединённых каналом связи.
Узлы соединяют в себе функции хранения и преобразования информации. Некоторые узлы могут иметь специальную функцию ввода информации в систему и вывода из нее.
По каналам связи информация передаётся от узла к узлу.
Основные характеристики ЭВМ при использовании информационной модели
Узлы хранения имеют:
вместимость — максимальную, среднюю или минимальную;
скорость выборки;
разрядность выборки.
Преобразующие узлы имеют скорость преобразования
Каналы определяются:
скоростью передачи информации (пропускная способность);
разрядностью передачи.
Типовые схемы организации ЭВМ
Показанная выше информационная модель ЭВМ не имеет ограничений на связи между отдельными узлами. Реализовать такую схему весьма сложно.
Реально существующие системы имеют ряд ограничений на связи и четкое функциональное назначение узлов.
Из множества возможных соединений выделяются следующие схемы ЭВМ:
ЭВМ с шинной организацией;
ЭВМ с канальной организацией
ЭВМ с перекрестной коммутацией
ЭВМ с конвейерной организацией
ЭВМ с распределенными функциями (распределенный интеллект)
Система команд ЭВМ
Все разнообразие решаемых на ЭВМ задач реализуется с помощью небольшого набора очень простых команд.
Система команд у типичной ЭВМ включает в себя всего 60-150 базовых команд. Все команды в основном служат для выполнения очень простых действий, таких, как прочитать, запомнить, сложить, сдвинуть, сравнить и т.д.
Интеллектуальность ЭВМ достигается за счет того, что ЭВМ способна выполнять программы, состоящие из большого числа таких простых действий с огромной, не достижимой для человека скоростью.
При описании системы команд ЭВМ обычно принято классифицировать команды по следующим признакам.
Классификация команд ЭВМ
Структура команды ЭВМ
Трёхадресная команда
Команды передачи данных
Данная группа команд включает в себя подгруппы команд передачи кодов между регистрами внутри процессора, из регистров процессора в память, из памяти в регистры процессора, из одних ячеек памяти в другие и передачи данных между процессором и портами внешних устройств.
Отдельную подгруппу составляют команды работы со стеком. Они позволяют включить данные в стек для временного хранения и извлекать данные из стека при необходимости их использования.
Команды обработки данных
Данную группу команд с точки зрения выполняемых над данными операций можно подразделить на арифметические (сложить, вычесть, умножить, сравнить), логические (операции И, ИЛИ, НЕ и т.д.) и команды сдвига.
Команды этого типа могут иметь один или два операнда. Операнды могут храниться к регистрах центрального процессора, в памяти или в самой команде.
Результат операции формируется в регистре-приёмнике или в специализированном регистре-аккумуляторе.
Команды данной группы формируют также признаки результатов, устанавливаемые в регистре флагов процессора: перенос из старшего разряда, переполнение, нулевой результат и др.
Команды передачи управления
Они имеют важное значение, так как используются для изменения естественного порядка следования команд и организации циклических участков в программах.
Простейшей командой передачи управления является команда безусловного перехода
JMP < адрес>, которая загружает адрес перехода, указанный в команде, в программный счётчик.
Команды условного перехода проверяют указанное в команде условие и модифицируют программный счётчик, если условие истинно.
Организация подпрограмм в программе
В программировании широко используется такой приём, как организация подпрограмм. Подпрограмма описывается один раз, а вызываться может из различных мест программы неоднократно. Подпрограмма в процессе своей работы может вызвать другую.
После того как подпрограмма закончила свою работу, управление должно быть передано на команду, следующую в памяти сразу за командой обращения к этой подпрограмме.
Адрес возврата
Адрес команды, на которую управление передаётся после окончания работы подпрограммы, называется адресом возврата.
Понятие стека и его организация
Большинство ЭВМ используют аппаратно поддерживаемую структуру данных, называемую стеком. Стек — это структура данных, организованная по принципу: последним вошел — первым вышел, т.е. последние записанные в стек данные извлекаются из него первыми.
В переводе с англ. stack — стопка. Аналогом стека может служить стопка тарелок. Положить тарелку в стопку можно только сверху, извлечь без проблем опять-таки только верхнюю тарелку.
|
|