Шина – набор проводников, объединенных едиными функциями. В структуре с общей шиной все устройства ВМ подключаются к системной шине (магистрали). Все устройства ввода-вывода (УВВ) имеют встроенную небольшую микросхему – контроллер, управляющий операциями обмена данными.
Рис. 1.3. Архитектура на основе общей шины
— простота изменения конфигурации.
— единственная шина для разнообразных потоков данных, сильно отличающихся по скорости (например, процессор-память и процессор-принтер);
— невозможна параллельная передача данных несколькими устройствами, так как информацию по шине в один момент времени может передавать только одно устройство.
Архитектура с иерархией шин
В структуре с иерархией шин помимо системной шины (между процессором и памятью) существует ряд дополнительных шин. Каждая шина имеет свою пропускную способность, достаточную для устройств, которые она связывает. Контролирует взаимодействие всех устройств в такой архитектуре чипсет (chipset – набор микросхем).
Рис. 1.4. Архитектура с иерархией шин
Структуры вычислительных систем
ВС с общей памятью
В такой структуре все процессоры используют для хранения и обмена данными общую память.
Рис. 1.5. Структура вычислительной системы с общей памятью
Распределенная ВС
В распределенных ВС каждый процессор имеет собственную локальную память (говорят, что память распределена по узлам), а обмен информацией осуществляется посредством коммуникационной сети. В такой структуре каждый узел системы представляет, по сути, отдельную вычислительную машину.
Рис. 1.6. Структура распределенной вычислительной системы
Видео:Лекция 1 | Архитектура ЭВМ и основы ОС | Кирилл Кринкин | CSC | ЛекториумСкачать
10.4 Архитектура с общей шиной
В ЭВМ четвертого поколения, особенно в персональных компьютерах, где проблема универсализации подключений выходит на первый план, используется архитектура с общей шиной. Соединение всех устройств обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, сигналов управления, адресов и питания. Эти магистрали получили название шины данных, шины адреса и шины управления, как это представлено на рис 10.2.
Архитектура с общей шиной
Рис 10.2
Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее более децентрализованной. При этом все передачи данных по шине осуществляются процессором, управляемым сервисными программами. Подключение внешних устройств обеспечивается через соответствующие адаптеры или контроллеры — специальные устройства для согласования скоростей работы сопрягаемых устройств и управления периферийной аппаратурой.
В настоящее время наметилась тенденция к еще большей децентрализации, проявляющаяся в том, что контроллеры внешних устройств функционально приобретают черты специализированных процессоров ввода/вывода и снабжаются значительными по объему буферами памяти. Следующая отмечаемая тенденция — появление иерархии и специализации шин — системная шина, локальная шина, периферийная шина.
Синхронизация в архитектуре с общей шиной может быть обеспечена как использованием аппарата прерываний, так и временным опросом контроллеров со стороны центрального процессора. Обработка особых ситуаций функционально возложена на операционную систему, получающую информацию об операции ввода/вывода по шинам управления и данных.
Видео:Базовая архитектура и структура ЭВМСкачать
10.5 Архитектура ввода/вывода с общей памятью
Стремление универсально выполнять операции доступа, как к внешним, так и к внутренним устройствам привела в рамках архитектуры процессора пересылок к идее объединения адресного пространства не только внутри процессора и оперативной памяти, но и на уровне буферов устройств ввода/вывода — рис 10.3.
Архитектура ввода/вывода с общей памятью
Таким образом, процессор обращается к устройству, просто пересылая данные в соответствующий буфер. Однако такая архитектура требует ряда специальных решений по синхронизации и обработке особых ситуаций.
Видео:03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать
![03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]](https://i.ytimg.com/vi/mjiJutISb6U/0.jpg)
11. Параллельная обработка
Несмотря на существование различных архитектур процессоров, одной из самых привлекательных идей повышения наблюдаемой скорости обработки, при фиксированной элементной базе и тактовой частоте, была и остается идея параллельной обработки. Отметим сразу, что для эффективности параллельной обработки необходимо, что бы число одновременно поступающих в систему задач было достаточно велико. Более точно это означает, что коэффициент загрузки системы должен быть близок к единице.
Читайте также: Шины тайгер all seasons
В рамках этой идей предложено и реализовано много различных вариантов, обладающих разными характеристиками и имеющих различные области применения.
Видео:Как работает компьютер? Шины адреса, управления и данных. Дешифрация. Взгляд изнутри!Скачать
11.1 Мультипрограммирование (многозадачность)
Идея мультипрограммирования связана исторически прежде всего с совершенствованием операционных систем в направлении обеспечения «одновременного» выполнения на однопроцессорной ЭВМ потока разнородных задач. Исторически это было обусловлено большими ЭВМ второго и третьего поколений, работавших в основном в режиме пакетной обработки. Рассмотрим различные варианты обеспечения многозадачного режима:
Видео:КАК работает ПРОЦЕССОР? ОБЪЯСНЯЕМСкачать
Архитектура ЭВМ с общей шиной.
Эта архитектура была разработана, когда появилась необходимость в массовом производстве относительно простых компьютеров (их тогда называли мини- и микро- ЭВМ [11]). Основой архитектуры этого класса ЭВМ была, как можно легко догадаться из названия, общая шина. В первом приближении общую шину можно представить себе как набор электрических проводов (линий), снабженных некоторыми электронными схемами. В современных ЭВМ число линий в такой шине обычно порядка сотни. Все устройства компьютера в архитектуре с общей шиной соединяются между собой посредством подключения к такому общему для них набору электрических проводов – шине. На рис. 15.2 показана схема соединения устройств компьютера с помощью общей шины.
В этой архитектуре шина исполняет роль главного элемента, связующей магистрали, по которой производится обмен информацией между всеми остальными устройствами ЭВМ. Легко понять, что, так как обмен информацией производится по шине с помощью электрических сигналов, то в каждый момент времени только два устройства могут выполнять такой обмен. Обычно одно из этих устройств является ведущим (инициатором обмена данными), а другое – подчинённым (ведомым). Все устройства связаны с общей шиной посредством специальных электронных схем, которые называются портами ввода/вывода. Каждый порт имеет на шине уникальный номер (в нашей архитектуре этот номер имеет формат i16). Обычно у каждого устройства не один порт, а несколько, так как они специализированные: по некоторым портам устройство может читать данные с шины, по другим – записывать (передавать) данные в шину, а есть и универсальные порты, как для чтения, так и для записи.
При использовании шины устройствами может возникать конфликт, когда два или более устройств захотят одновременно обмениваться данными. Для разрешения таких конфликтов предназначен арбитр шины – специальныя электронная схема, которая обычно располагается на одном из концов шины. Разрешение конфликтов производится по принципу приоритетов устройств, – устройству с большим приоритетом арбитром отдаётся предпочтение при конфликте. В простейшем случае приоритеты устройствам явно не назначаются, просто считается, что из двух устройств то имеет больший приоритет, которое расположено на шине ближе к арбитру. Исходя из этого, более «важные» устройства стараются подключить к шине поближе к арбитру.
Разберём схему обмена данными между двумя устройствами с помощью общей шины. Сначала ведущее устройство (инициатор обмена) делает так называемый запрос шины, т.е. посылает арбитру сигнал о желании начать обмен данными (или же читает из специального регистра флаг-признак занятости шины). Если шина занята, то устройство вынуждено ждать её освобождения, а если шина свободна, то устройство производит операцию захвата шины в своё монопольное использование.
После захвата шины ведущее устройство определяет, готово ли ведомое устройство для обмена данными. Для этого ведущее устройство посылает ведомому устройству специальный сигнал, или же читает из порта ведомого устройства его флаг готовности. Определив готовность ведомого устройства, ведущее устройство начинает обмен данными. Каждая порция данных (в простейшем случае это один байт или одно слово) снабжается номером порта устройства-получателя.
Окончив обмен данными, ведущее устройство производит освобождение шины. На этом операция обмена данными между двумя устройствами по общей шине считается завершённой. Разумеется, арбитр следит, чтобы ни одно из устройств не захватывало шину на длительное время (например, устройство может сломаться, и оно поэтому «забудет» освободить шину).
Читайте также: Шины для уазика 15 радиус
Рассмотрим теперь, как видит общую шину программист. Как уже было сказано, у каждого периферийного устройства обязательно есть один или несколько портов с закреплёнными за этим устройством номерами. Программист может обмениваться с портами байтами или словами (в зависимости от вида порта). Для записи в некоторый порт используется команда
out op1,op2
Здесь операнд op1 определяет номер нужного порта и может иметь формат i8 (если номер порта небольшой и известен заранее) или быть регистром dx (если номер большой или становится известным только в процессе счёта программы). Второй операнд op2 должен задаваться регистрами al (если производится обмен байтом) или ax (если производится обмен словом).
Для чтения данных из порта служит команда
Здесь уже второй операнд op2 определяет номер нужного порта и может иметь, как и в предыдущей команде, формат i8 или быть регистром dx. Первый операнд op1 должен задаваться регистрами al (если производится обмен байтом) или ax (если производится обмен словом). Далее мы рассмотрим небольшой пример использования этих команд.
Рассмотрим теперь общую архитектуру связи центрального процессора и периферийных устройств с точки зрения пользователей разного уровня.
· Конечный пользователь. Пользователь-непрограммист бухгалтер Иванов уверен, что в компьютере есть команда «Распечатать ведомость», так как именно это происходит каждый раз, когда он нажимает на кнопку меню «Печать ведомости».
· Прикладной программист. Программист Петров, который написал бухгалтерскую программу на языке Паскаль, только улыбнётся наивности Иванова. Уж он то точно знает, что даже для того, чтобы вывести только один, например, символ ‘A’, надо написать оператор стандартной процедуры Write(‘A’) . Правда Петрову известно, что на самом деле его программа сначала переводится (транслируется) на машинный язык, поэтому он из любопытства поинтересовался у программиста на Ассемблере Сидорова, что тот напишет, чтобы вывести символ ‘A’. Сидоров ответил, что обычно для этой цели он пишет предложение Ассемблера outch ‘A’ . Разница между этими двумя способами вывода символа показалась Петрову несущественной, например он читал о том, что, например, в языке С для этой же цели надо вызвать библиотечную функцию printf(«%c»,’A’); .[88]
· Программист на Ассемблере. Сидоров, однако, знает, что предложение outch ‘A’ является не командой машины, а макрокомандой, на её место макропроцессор подставит макрорасширение, например, такого вида
Вот этот, как говорят, системный вызов и будет, с точки зрения Сидорова, выводить символ ‘A’ на стандартное устройство вывода.
· Системный программист. Системный программист (раньше иногда говорили системный аналитик) Антонов, однако снисходительно пояснит Сидорову, что системный вызов – это просто переход на служебную процедуру-обработчик прерывания с номером 21h. А уж эта процедура и произведёт на самом деле вывод символа, используя, в частности, специальные команды обмена с внешними устройствами in и out.
· Инженер-электронщик. Инженер Попов, внимательно прослушав разговор пользователей, скажет, что всё это неверно. На самом деле центральный процессор выводит символ на экран или печатающее устройство путём сложной последовательности действий, которая включает в себя такие операции с общей шиной, как запрос, захват, передача данных и освобождение этой шины. И только после этого символ, наконец, прибывает по назначению.
Как Вы догадываетесь, нельзя сказать, кто же из этих людей прав, и бессмысленно спрашивать, как всё происходит «на самом деле». Каждый из них прав со своего уровня видения архитектуры компьютера. И, как мы уже говорили, опускаться на более низкий уровень рассмотрения архитектуры следует только тогда, когда это абсолютно необходимо для дела.
Разберём теперь простой пример реализации операции ввода/вывода на уровне системного программиста. Оставим в стороне пользователя-непрограммиста (он нам сейчас неинтересен) и рассмотрим, например, операцию позицирования курсора на экране компьютера в позицию (X,Y).
Читайте также: Шины для додж челленджер
Для прикладного программиста, как Вы знаете, для этой цели надо выполнить, например, оператор стандартный процедуры Турбо-Паскаля GotoXY(X,Y) . Для программиста на Ассемблере позицирование курсора можно выполнить с использованием такого системного вызова:
Как видим, параметры позицирования X и Y передаются в регистрах dl и dh. Системный вызов int 10h может выполнять различные операции с экраном компьютера, в зависимости от своих параметров, передаваемых ему на регистрах. Рассмотрим (в сильно упрощённом виде) тот фрагмент процедуры-обработчика системного вызова, который выполняет запрос на позицирование курсора.[89]
Во-первых, нам необходимо понять, а как вообще дисплей (точнее, электронная схема – контроллер дисплея) «знает», куда необходимо в каждый момент времени поставить курсор. Оказывается, что у контроллера дисплея, как, впрочем, и у любого другого периферийного устройства, есть свои регистры. Нас будут интересовать регистры дисплея с номерами 14 и 15 (обозначим их R14 и R15), каждый из них имеет размер 8 бит, но их совокупность может хранить длинное целое число, как показано ниже
Далее, дисплей «считает»,[90] что его экран имеет не 25 строк и 80 столбцов, как думают программисты, а 25*80 знакомест, в каждое из которых можно вывести один символ и поставить курсор. Знакоместа в первой строке экрана нумеруются не от 1 до 80, а от 0 до 79, во второй – от 80 до 159 и т.д. Другими словами, все позиции экрана расмматриваются как одномерный массив. Так вот, чтобы курсор переместился в нужную нам позицию (X,Y) в пару регистров необходимо записать число
Следовательно, сначала прецедуре-обработчику прерывания необходимо вычислить это число, используя параметры X и Y из системного вызова:
mul dh; ax:=80*(Y-1)
adc ah,0; ax:=80*(Y-1)+(X-1)
mov bx,ax; Спасём на bx
Теперь необходимо переслать содержимое регистров bl и bh соответственно в регистры R15 и R14 дисплея. Для этого мы будем использовать два порта дисплея (в каждый можно записывать для передачи дисплею операнд размером в байт). Порт с шестнадцатеричным номером 3D4h позволяет выбрать номер регистра дисплея, в который будет производиться очередная запись данных. Для этого в этот порт необходимо записать номер соответствующего регистра (у нас это номера 15 и 14). После выбора номера регистра запись в него нового значения производится посредством посылки байта в «транспортировочный» порт дисплея с номером 3D5h. В итоге получается следующий фрагмент программы:
mov dx,3D4h; Порт выбора регистра
out dx,al; Выбираем R15
inc dx; Порт записи в регистр
mov al,bl; младший байт BX
out dx,al; Запись в R15
dec dx; Порт выбора регистра
out dx,al; Выбираем R14
inc dx; Порт записи в регистр
mov al,bh; старший байт BX
out dx,al; Запись в R14
Вот теперь курсор будет установлен в нужное место экрана, и можно возвращаться на команду, следующую за системным вызовом int 10h . Разумеется, наш алгоритм весьма примитивен. Например, после записи в 15-й регистр дисплея и до записи в 14-й регистр курсор прыгнет в непредсказуемое место экрана, так что по-хорошему надо было бы на время работы нашего фрагмента заблокировать для контроллера чтение данных из регистров дисплея. Это, разумеется, делается записью некоторого значения в определённый управляющий регистр дисплея, для чего понадобятся и другие команды in и out. Кроме того, хорошо бы предварительно убедиться, что дисплей вообще включён и работает в нужном нам режиме, для чего потребуется, например, считать некоторые флаги состояния дисплея .
Надеюсь, что этот простенький фрагмент реализации системного вызова не отобьёт у Вас охоту быть системным программистом и заниматься написанием драйверов внешних устройств J.
Дата добавления: 2015-10-05 ; просмотров: 1622 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
- Свежие записи
- Нужно ли менять пружины при замене амортизаторов
- Скрипят амортизаторы на машине что делать
- Из чего состоит стойка амортизатора передняя
- Чем стянуть пружину амортизатора без стяжек
- Для чего нужны амортизаторы в автомобиле
📺 Видео
Архитектура ЭВМ. Лекция 1: Типы архитектур. Комбинационная и последовательная логика.Скачать
Трехшинная архитектура ЭВМСкачать
Архитектура персонального компьютераСкачать
Архитектура ЭВМ. Лекция 2: АЛУ. Устройство памятиСкачать
Архитектура ЭВМ. Лекция 3: Кодирование и тип инструкций процессора.Скачать
Архитектура ЭВМ. Лекция 0: Предварительные сведенияСкачать
Как работает ЭВМ? Собираем простейший компьютер на базе Z80, эмулятора ПЗУ и порта на D-триггере.Скачать
