Архитектура персонального компьютера наличие общей шины

Шиной (Bus) называется вся совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства ПК. Шины предназначены для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом. На рис. 1 дана структура шины.

Шина имеет места для подключения внешних устройств – слоты, которые в результате становятся частью шины и могут обмениваться информацией со всеми другими подключенными к ней устройствами.

Шины в ПК различаются по своему функциональному назначению:

• системная шина (или шина CPU) используется микросхемами Cipset для пересылки информации к CPU и обратно (см. также рис. 1);
• шина кэш-памяти предназначена для обмена информацией между CPU и кэш-памятью (см. также рис. 1);
• шина памяти используется для обмена информацией между оперативной памятью RAM и CPU;
• шины ввода/вывода информации подразделяются на стандартные и локальные.

Локальная шина ввода/вывода – это скоростная шина, предназначенная для обмена информацией между быстродействующими периферийными устройствами (видеоадаптерами, сетевыми картами, картами сканера и др.) и системной шиной под управлением CPU. В настоящее время в качестве локальной шины используется шина PCI. Для ускорения ввода/вывода видеоданных и повышения производительности ПК при обработке трехмерных изображений корпорацией Intel была разработана шина AGP (Accelerated Graphics Port).

Стандартная шина ввода/вывода используется для подключения к перечисленным выше шинам более медленных устройств (например, мыши, клавиатуры, модемов, старых звуковых карт). До недавнего времени в качестве этой шины использовалась шина стандарта ISA. В настоящее время – шина USB.

Шина имеет собственную архитектуру, позволяющую реализовывать важнейшие ее свойства – возможность параллельного подключения практически неограниченного числа внешних устройств и обеспечение обмена информацией между ними. Архитектура любой шины имеет следующие компоненты:

• линии для обмена данными (шина данных);
• линии для адресации данных (шина адреса);
• линии управления данными (шина управления);
• контролер шины.

Контроллер шины осуществляет управление процессором обмена данными и служебными сигналами и обычно выполняется в виде отдельной микросхемы либо в виде совместимого набора микросхем – Chipset.

Шина данных обеспечивает обмен данными между CPU, картами расширения, установленными в слоты, и памятью RAM. Чем выше разрядность шины, тем больше данных может быть передано за один такт и тем выше производительность ПК. Компьютеры с процессором 80286 имеют 16-разрядную шину данных, с CPU 80386 и 80486 – 32-разрядную, а компьютеры с CPU семейства Pentium – 64-разрядную шину данных.

Шина адреса служит для указания адреса к какому-либо устройству ПК, с которым CPU производит обмен данными. Каждый компонент ПК, каждый регистр ввода/вывода и ячейка RAM имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство ПК. По шине адреса передается идентификационный код (адрес) отправителя и (или) получателя данных.

Для ускорения обмена данными используется устройство промежуточного хранения данных – оперативная память – RAM. При этом решающую роль играет объем данных, которые могут временно храниться в ней. Объем зависит от разрядности адресной шины (числа линий) и тем самым от максимально возможного числа адресов, генерируемых процессором на адресной шине, т.е. от количества ячеек RAM, которым может быть присвоен адрес. Количество ячеек RAM не должно превышать 2 n , где n – разрядность адресной шины. В противном случае часть ячеек не будет использоваться, поскольку процессор не сможет адресоваться к ним.

Видео:Базовая архитектура и структура ЭВМСкачать

В двоичной системе счисления максимально адресуемый объем памяти равен 2 n , где n – число линий шины адреса.

Процессор 8088, например, имел 20 адресных линий и мог, таким образом, адресовать память объемом 1 Мбайт (2 20 =1 048 576 байт=1024 Кбайт). В ПК с процессором 80286 разрядность адресной шины была увеличена до 24 бит, а процессоры 80486, Pentium, Pentium MMX и Pentium II имеют уже 32-разрядную шину адреса, с помощью которой можно адресовать 4 Гбайт памяти.

Шина управления передает ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приему/передаче данных, подтверждения приема данных, аппаратного прерывания, управления и других, чтобы обеспечить передачу данных.

Основные характеристики шины

Разрядность шины определяется числом параллельных проводников, входящих в нее. Первая шина ISA для IBM PC была восьмиразрядной, т.е. по ней можно было одновременно передавать 8 бит. Системные шины современных ПК, например, Pentium IV – 64-разрядные.

Пропускная способность шины определяется количеством байт информации, передаваемых по шине за секунду.

При расчете пропускной способности, например шины AGP, следует учитывать режим ее работы: благодаря увеличению в два раза тактовой частоты видеопроцессора и изменению протокола передачи данных удалось повысить пропускную способность шины в два (режим 2 х ) или четыре (режим 4 х ) раза, что эквивалентно увеличению тактовой частоты шины в соответствующее число раз (до 133 и 266 МГц соответственно).

Внешние устройства к шинам подключается посредством интерфейса (Interface – сопряжение), представляющего собой совокупность различных характеристик какого-либо периферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором.

К числу таких характеристик относятся электрические и временные параметры, набор управляющих сигналов, протокол обмена данными и конструктивные особенности подключения. Обмен данными между компонентами ПК возможен, только если интерфейсы этих компоненты совместимы.

Стандарты шин ПК

Принцип IBM-совместимости подразумевает стандартизацию интерфейсов отдельных компонентов ПК, что, в свою очередь, определяет гибкость системы в целом, т.е. возможность по мере необходимости изменять конфигурацию системы и подключать различные периферийные устройства. В случае несовместимости интерфейсов используются контроллеры. Кроме того, гибкость и унификация системы достигаются за счет введения промежуточных стандартных интерфейсов, таких как интерфейсы необходимы для работы наиболее важных периферийных устройств ввода и вывода.

Читайте также: Грузовые шины адреса в красноярске

Системная шина предназначена для обмена информацией между CPU, памятью и другими устройствами, входящими в систему. К системным шинам относятся:

• GTL, имеющая разрядность 64 бит, тактовую частоту 66, 100 и 133 МГц;
• EV6, спецификация которой позволяет повысить ее тактовую частоту до 377 МГц.

Видео:03. Основы устройства компьютера. Память и шина. [Универсальный программист]Скачать

Шины ввода/вывода совершенствуются в соответствии с развитием периферийных устройств ПК. В табл. 2 представлены характеристики некоторых шин ввода/вывода.

Шина ISA в течение многих лет считалась стандартом ПК, однако и до сих пор сохраняется в некоторых ПК наряду с современной шиной PCI. Корпорация Intel совместно с Microsoft разработала стратегию постепенного отказа от шины ISA. В начале планируется исключить ISA-разъемы на материнской плате, а впоследствии исключить слоты ISA и подключить дисководы, мыши, клавиатуры, сканеры к шине USB, а винчестеры, приводы CD-ROM – к шине IEEE 1394. Однако наличие огромного парка ПК с шиной ISA будет востребована еще на протяжении некоторого времени.

Шина EISA стала дальнейшим развитием шины ISA в направлении повышения производительности системы и совместимости ее компонентов. Шина не получила широкого распространения в связи с ее высокой стоимостью и пропускной способностью, уступающей пропускной способности появившейся на рынке шины VESA.

Таблица 2. Характеристики шин ввода/вывода

Шина VESA, или VLB, предназначена для связи CPU с быстрыми периферийными устройствами и представляет собой расширение шины ISA для обмена видеоданными.

Шина PCI была разработана фирмой Intel для процессора Pentium и представляет собой совершено новую шину. Основополагающим принципом, положенным в основу шины PCI, является применение так называемых мостов (Bridges), которые осуществляют связь между шиной PCI и другими типами шин. В шине PCI реализован принцип Bus Mastering, который подразумевает способность внешнего устройства при пересылке данных управлять шиной (без участия CPU). Во время передачи информации устройство, поддерживающее Bus Mastering, захватывает шину и становится главным. В этом случае центральный процессор освобождается для решения других задач, пока происходит передача данных. В современных

материнских платах тактовая частота шины PCI задается как половина тактовой частоты системной шины, т.е. при тактовой частоте системной шины 66 МГц шина PCI будет работать на частоте 33 МГц. В настоящее время шина PCI стала фактическим стандартом среди шин ввода/вывода.

Шина AGP – высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер (3D-акселератор) с системой памятью ПК. Шина AGP была разработана на основе архитектуры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Однако при этом у нее есть дополнительные возможности увеличения пропускной способности, в частности, за счет использования более высоких тактовых частот.

Шина USB была разработана лидерами компьютерной и телекоммуникационной промышленности Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft для подключения периферийных устройств вне корпуса PC. Скорость обмена информацией по шине USB составляет 12 Мбит/с или 15 Мбайт/с. К компьютерам, оборудованным шиной USB, можно подключать такие периферийные устройства, как клавиатура, мышь, джойстик, принтер, не выключая питания. Все периферийные устройства должны быть оборудованы разъемами USB и подключаться к ПК через отдельный выносной блок, называемый USB-хабом, или концентратором, с помощью которого к ПК можно подключить до 127 периферийных устройств. Архитектура шины USB представлена на рис. 4.

Шина SCSI (Small Computer System Interface) обеспечивает скорость передачи данных до 320 Мбайт/с и предусматривает подключение к одному адаптеру до восьми устройств: винчестеры, приводы CD-ROM, сканеры, фото- и видеокамеры. Отличительной особенностью шины SCSI является то, что она представляет собой кабельный шлейф. С шинами PC (ISA или PCI) шина SCSI связана через хост-адаптер (Host Adapter). Каждое устройство, подключенное к шине SCSI, может инициировать обмен с другими устройством.

Шина IEEE 1394 – это стандарт высокоскоростной локальной последовательной шины, разработанный фирмами Apple и Texas Instruments. Шина IEEE 1394 предназначена для обмена цифровой информацией между

ПК и другими электронными устройствами, особенно для подключения жестких дисков и устройств обработки аудио- и видеоинформации, а также работы мультимедийных приложений. Она способна передавать данные со скоростью до 1600 Мбайт/с, работать одновременно с несколькими устройствами, передающими данные с разными скоростями, как и SCSI.

Подключить к компьютеру через интерфейс IEEE 1394 можно практически любые устройств, способные работать с SCSI. К ним относятся все виды накопителей на дисках, включая жесткие, оптические, CD-ROM, DVD, цифровые видеокамеры, устройства. Благодаря таким широким возможностям, эта шина стала наиболее перспективной для объединения компьютера с бытовой электроникой. В настоящее время уже выпускаются адаптеры IEEE 1394 для шины PCI.

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.

Видео:Архитектура персонального компьютераСкачать

Читайте также: Размер шин suzuki djebel 250 xc

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).

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]

Видео:Системные шины персонального компьютера для ...Скачать

Читайте также: Kia seltos датчики давления в шинах артикул

· 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).

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)

Видео:Введение в архитектуру компьютеровСкачать

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.

Видео:Лекция 2 "Общая структурная схема компьютера"Скачать

• 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

  
  

  источники:

  https://fasad-adelante.ru/arhitektura-personalnogo-kompyutera-nalichie-obschey-shiny

  🎬 Видео

  Как работает компьютер? Шины адреса, управления и данных. Дешифрация. Взгляд изнутри!Скачать

  

  Шины ввода-выводаСкачать

  

  Системная шина персонального компьютера ISAСкачать

  

  Лекция 1 | Архитектура ЭВМ и основы ОС | Кирилл Кринкин | CSC | ЛекториумСкачать

  

  4 минуты и ты знаешь как устроен компьютерСкачать

  

  Архитектура ПК: Магистрально-модульный принцип построения ПК. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»Скачать

  

  Системная шина процессораСкачать

  

  АПС Л14. ШиныСкачать

  

  Принципы фон НейманаСкачать

  

  Основы архитектуры персональных компьютеровСкачать

  

  Лекция 281. Шина ISAСкачать

  

  Видео #2. Основные сведения о компьютере (Архитектура ПК)Скачать

  

  АПС Л19. ШиныСкачать

  

  Архитектура компьютера. Раздел 5. Интерфейсные системы ПК (фрагмент 15 мин)Скачать