Появление интегральных микросхем (ИМС) привело к существенному росту быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри информации и медленной работой устройств ввода/вывода в большинстве схем содержащих механические движущиеся части.
Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специализированным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы называются контроллер внешнего устройства (или просто контроллер).
Центральный процессор при необходимости произвести обмен выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора, который получает возможность выполнять программу дальше.
Общая шина (магистраль) состоит из:
o шины данных, по которой передается информация;
o шины адреса, определяющая, куда передаются данные;
o шины управления, управляющая процессом обмена информацией.
Существуют модели ЭВМ, у которых ШД и ША объединены для экономии. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные, при этом сигнал по шине управления определяет что сейчас передается по шине.
Схему, построенную по шинной архитектуре, легко пополнять новыми устройствами — это свойство называют открытостью архитектуры.
Видеопамять — новый вид памяти, по сравнению с архитектурой Неймана, его появление связано с разработкой особого устройства вывода — дисплея. Для получения на экране монитора стабильной картинки ее надо где-то хранить. Для этого и нужна видеопамять.
При шинной архитектуре процессор перестал быть центром структуры, поэтому стало возможна передача данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот без участия процессора. Такой режим называется прямым доступом к памяти (ПДП). Для его реализации используются специальный контроллер (контроллер ПДП).
Помимо центрального процессора в компьютере может быть специализированные процессоры для вычисления с плавающей запятой, так называемые математические сопроцессоры, видеопроцессоры и т.д.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Видео:Как работает компьютер? Шины адреса, управления и данных. Дешифрация. Взгляд изнутри!Скачать
Архитектура ЭВМ/Занятие 9/Шины
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)
Шинная структура связей [ править ]
При шинной структуре связей все сигналы между устройствами передаются по одним и тем же линиям связи, но в разное время (это называется мультиплексированной передачей).
Все устройства микропроцессорной системы объединяются общей системной шиной (она же называется еще системной магистралью или каналом). Системная магистраль включает в себя четыре основные шины нижнего уровня:
- шина адреса (Address Bus);
- шина данных (Data Bus);
- шина управления (Control Bus);
- шина питания (Power Bus).
Видео:Лекция 1 | Архитектура ЭВМ и основы ОС | Кирилл Кринкин | CSC | ЛекториумСкачать
Обмен информацией по шинам [ править ]
Как в шине данных, так и в шине адреса может использоваться положительная логика или отрицательная логика. При положительной логике высокий уровень напряжения соответствует логической единице на соответствующей линии связи, низкий — логическому нулю. При отрицательной логике — наоборот. В большинстве случаев уровни сигналов на шинах — ТТЛ.
Сигналы шины управления также могут передаваться как в положительной логике (реже), так и в отрицательной логике (чаще).
Для снижения общего количества линий связи магистрали часто применяется мультиплексирование шин адреса и данных. То есть одни и те же линии связи используются в разные моменты времени для передачи как адреса, так и данных (в начале цикла — адрес, в конце цикла — данные). Для фиксации этих моментов (стробирования) служат специальные сигналы на шине управления.
Видео:Архитектура ЭВМ. Лекция 2: АЛУ. Устройство памятиСкачать
3. Шинная архитектура.
В предыдущем разделе была описана классическая структура ЭВМ, соответствующая вычислительным машинам первого и второго поколений. Естественно, что в результате бурного развития технологии производства средств вычислительной техники такая структура не могла не претерпеть определенных прогрессивных изменений.
Читайте также: Найти шины для газель
Как отмечалось выше, появление третьего поколения ЭВМ было обусловлено переходом от транзисторов к интегральным микросхемам. Значительные успехи в миниатюризации электронных схем не просто способствовали уменьшению размеров базовых функциональных узлов ЭВМ, но и создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло существенное противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащими механически движущиеся части. Процессор, руководивший работой внешних устройств , значительную часть времени был бы вынужден простаивать в ожидании информации «из внешнего мира», что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Такие схемы имели различные названия: каналы обмена, процессоры ввода-вывода, периферийные процессоры. Последнее время все чаще используется термин «контроллер внешнего устройства (или просто контроллер).
Наличие интеллектуальных контроллеров внешних устройств стало важной отличительной чертой машин третьего и четвертого поколения.
Контроллер можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера, которые могут быть в дальнейшем прочитаны центральным накопителяпроцессором.
Таким образом, наличие интеллектуальных внешних устройств может существенно изменять идеологию обмена. Центральный процессор, при необходимости произвести обмен, выдает задание на его осуществление контроллеру. Дальнейший обмен информацией может протекать под руководством контроллера без участия центрального процессора. Последний получает возможность «заниматься своим делом», т.е. выполнять программу дальше (если по данной задаче до завершения обмена ничего сделать нельзя, то можно в это время решать другую. ).
Перейдем теперь к обсуждению вопроса о внутренней структуре ЭВМ, содержащей интеллектуальные контроллеры. Для связи между отдельными функциональными узлами ЭВМ используется общая шина (часто ее называют магистралью). Шина состоит из трех частей:
шина данных, по которой передается информация;
шина адреса, определяющая, кому передаются данные;
шина управления, регулирующая процесс обмена информацией.
Отметим, что существуют модели компьютеров, у которых шины данных и адреса для экономии объединены. У таких машин сначала на шину выставляется адрес, а затем через некоторое время данные; для какой именно цели используется шина в данный момент, определяется сигналами на шине управления.
Описанную схему легко пополнять новыми устройствами — это свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая архитектура означает возможность свободно выбирать состав внешних устройств для своего компьютера, т.е. конфигурировать его в зависимости от круга решаемых задач.
Рис.2 Шинная архитектура ЭВМ.
Существует новый вид памяти — видео-ОЗУ (видеопамять). Его появление связано с разработкой особого устройства вывода — дисплея (монитора). Основной частью дисплея служит электронно-лучевая трубка, которая отображает информацию примерно также, как это происходит в телевизоре; для некоторых дешевых домашних моделей просто подключается обычный телевизор. Очевидно, что дисплей, не имея механически движущихся частей, является «очень быстрым» устройством отображения информации. Поэтому для ЭВМ третьего и четвертого поколений монитор является неотъемлемой частью (строго говоря, впервые дисплей был реализован на ЭВМ второго поколения «МИР-2» — очень интересной во многих отношениях отечественной разработке).
Читайте также: Высота протектора новых зимних шин нокиан
Для получения на экране монитора стабильной картинки ее надо где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран.
Объем видеопамяти существенно зависит от характера информации (текст или графика) и от количества цветов изображения. Конструктивно она может быть выполнена как обычное ОЗУ, или содержаться непосредственно в контроллере дисплея. (на рис.2 она показана пунктиром).
Остановимся еще на одной важной особенности структуры современных ЭВМ. Поскольку процессор теперь перестал быть центром конструкции, стало возможным реализовывать прямые связи между устройствами ЭВМ. На практике чаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот. Режим, при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия центрального процессора, называется прямым доступом к памяти (ПДП). Для его реализации необходим специальный контроллер. Подчеркнем, что режим ПДП в машинах первого и второго поколения не существовал. Поэтому встречающаяся в популярных книгах схема ЭВМ, на которой данные из устройств ввода напрямую поступают в ОЗУ, не соответствует действительности: данные при отсутствии контроллера ПДП всегда сначала принимаются во внутренние регистры процессора, и лишь затем в память.
При описании магистральной структуры мы упрощенно предполагали, что все устройства взаимодействуют через общую шину. С точки зрения архитектуры этого вполне достаточно. Упомянем все же, что на практике такая структура применяется только для ЭВМ с небольшим количеством внешних устройств. При увеличении потоков информации между устройствами ЭВМ единственная магистраль перегружается, что существенно тормозит работу компьютера. Поэтому в состав ЭВМ могут вводиться одна или несколько дополнительных шин .Например, одна шина может использоваться для обмена с памятью, вторая — для связи с «быстрыми», а третья — с «медленными» внешними устройствами. Отметим, что высокоскоростная шина данных ОЗУ обязательно требуется при наличии режима ПДП.
Завершая обсуждение особенностей внутренней структуры современных ЭВМ, укажем несколько характерных тенденций в ее развитии.
Во-первых, постоянно расширяется и совершенствуется набор внешних устройств, что приводит, как описывалось выше, к усложнению системы связей между узлами ЭВМ.
Во-вторых, вычислительные машины перестают быть однопроцессорными. Помимо центрального, в компьютере могут быть специализированные процессоры для вычисления с плавающей запятой (так называемые математические сопроцессоры), видеопроцессоры для ускорения вывода информации на экран дисплея и т.п. Развитие методов параллельных вычислений также вызывает к жизни вычислительные системы достаточно сложной структуры, в которых одна операция выполняется сразу несколькими процессорами.
В-третьих, наметившееся стремление иметь быстродействующие машины не только для вычислений, но и для логического анализа информации, также может привести в ближайшие годы к серьезному пересмотру традиционной фон-неймановской архитектуры.
Еще одной особенностью развития современных ЭВМ является все ускоряющееся возрастание роли межкомпьютерных коммуникаций. Все большее количество компьютеров объединяются в сети и обрабатывают имеющуюся информацию совместно.
Таким образом, внутренняя структура вычислительной техники постоянно совершенствовалась и будет совершенствоваться. Вместе с тем, на данный момент подавляющее большинство существующих ЭВМ, несмотря на имеющиеся различия, по-прежнему состоит из одинаковых узлов и основано на общих принципах фон-неймановской архитектуры.
Читайте также: Сетевая топология шина это
В данном разделе коротко рассмотрена последовательность действий при выполнении команды в ЭВМ. Можно утверждать, что рабочий цикл в общем виде одинаков для всех фон-неймановских машин.
Как уже отмечалось, важной составной частью фон-неймановской архитектуры является счетчик адреса команд — специальный внутренний регистр процессора постоянно указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. При включении питания или при нажатии на кнопку сброса (начальной установки) в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящейся в ПЗУ программы инициализации всех устройств и начальной загрузки. Дальнейшее функционирование компьютера определяется программой. Таким образом, вся деятельность ЭВМ — это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.
Каждая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных унифицированных составных частей, которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команды, она может быть реализована за разное количество тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные еще не находятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.
При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандартные действия, описанные ниже.
1. Согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается очередная команда программы , код которой обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд.
2. Счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды. В простейшем случае для этой цели достаточно к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу, определяющуюся длиной команды.
3. Считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необходимые данные и над ними выполняются требуемые действия. Затем во всех случаях, за исключением команды останова, все описанные действия циклически повторяются.
После выборки команды останова ЭВМ прекращает обработку программы. Для выхода из этого состояния требуется либо запрос от внешних устройств, либо перезапуск машины.
Рассмотренный основной алгоритм работы ЭВМ позволяет шаг за шагом выполнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу . Если же требуется изменить порядок вычислений для реализации развилки или цикла , достаточно в счетчик команд занести требуемый адрес ( именно так происходит условный или безусловный переход ). В компьютерах на базе микропроцессоров INTEL 80286 и более поздних моделей для ускорения основного цикла выполнения команды используется метод конвейрезации ( иногда применяется менее точный термин » опережающая выборка «). Идея состоит в том , что несколько внутренних устройств процессора работают параллельно : одно считывает команду , другое дешифрует операцию , третье вычисляет адреса мспользуемых операндов и т. д. В результате по окончании команды чаще всего оказывается , что следующая уже выбрана из ОЗУ, дешифрована и подготовлена к выполнению .
Любопытно , что в случае нарушения естественного порядка выполнения команд в программе ( например , при безусловном переходе ) опережающая выборка оказывается напрасной и конвейер очищается . Следующая за переходом крманда выполняется дольше : чтобы конвейер » заработал в полную мощность » необходимо его предварительно заполнить. Иными словами , в конвейерной машине время выполнения проограммы может зависеть не только от составляющих ее команд , но и от их взаимного расположения.
- 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
Трехшинная архитектура ЭВМСкачать
Базовая архитектура и структура ЭВМСкачать
Архитектура ЭВМ. Лекция 1: Типы архитектур. Комбинационная и последовательная логика.Скачать
КАК работает ПРОЦЕССОР? ОБЪЯСНЯЕМСкачать
Архитектура ЭВМ. Лекция 4: Однотактный процессор: тракт данных, ветвлениеСкачать
Системная шина процессораСкачать
Архитектура ЭВМ Лекция 11: Организация ввода вывода. Интерфейсы передачи данных.Скачать
Архитектура персонального компьютераСкачать
Введение в архитектуру компьютеровСкачать
Как работает ЭВМ? Собираем простейший компьютер на базе Z80, эмулятора ПЗУ и порта на D-триггере.Скачать
Архитектура ЭВМ. Лекция 3: Кодирование и тип инструкций процессора.Скачать
Архитектура ЭВМ. Лекция 0: Предварительные сведенияСкачать
