Иерархическая архитектура шин компьютера

Существует много разнообразных устройств, которые могут взаимодействовать с процессором и памятью: таймер, жесткие диски, клавиатура, дисплеи, мышь, модемы и т. д., вплоть до устройств отображения и ввода информации в авиационно-космических тренажерах. Часть этих устройств может быть встроена внутрь корпуса компьютера, часть — вынесена за его пределы, и общаться с компьютером через различные линии связи: кабельные, оптоволоконные, радиорелейные, спутниковые и т.д. Конкретный набор устройств и способы их подключения определяются целями функционирования вычислительной системы, желаниями и финансовыми возможностями пользователя. Несмотря на все многообразие устройств, управление их работой и обмен информацией с ними строятся на относительно небольшом количестве принципов. В простейшем случае процессор, память и многочисленные внешние устройства связаны большим количеством электрических соединений — линий, которые в совокупности принято называть локальной магистралью компьютера. Внутри локальной магистрали линии, служащие для передачи сходных сигналов и предназначенные для выполнения сходных функций, принято группировать вшины. При этом понятие шины включает в себе не только набор проводников, но и набор жестко заданных протоколов, определяющий перечень сообщений, который может быть передан с помощью электрических сигналов по этим проводникам. В современных компьютерах выделяют, как минимум, три шины: адресную шину, шину данных и шину управления.На рис.1. изображено ядро гипотетической вычислительной системы, включающей, например, синхрогенератор i82284, микропроцессор i80286 и математический сопроцессор i80287, а также шинный контроллер i82288.Кроме того, показаны три шины: адреса, данных и управляющих сигналов. Синхрогенератор генерирует тактовый сигнал CLK для синхронизации внутреннего функционирования процессора и других микросхем. Сигнал RESET производит сброс процессора в начальное состояние. Сигнал READY, также формируется с помощью синхрогенератора, предназначен для удлинения циклов шины при работе с медленными периферийными устройствами.

Шину данных, состоящую из линий данных и служащую для передачи информации между процессором и памятью, процессором и устройствами ввода-вывода, памятью и внешними устройствами.

Адресную шину, состоящую из линий адреса и служащую для задания адреса ячейки памяти или указания устройства ввода-вывода, участвующих в обмене информацией.

Шину управления, состоящую из линий управления локальной магистралью и линий ее состояния, определяющих поведение локальной магистрали. В некоторых архитектурных решениях линии состояния выносятся из этой шины в отдельную шину состояния.

Количество линий, входящих в состав шины, принято называть разрядностью (шириной) этой шины. Ширина адресной шины, например, определяет максимальный размер оперативной памяти, которая может быть установлена в вычислительной системе. Ширина шины данных определяет максимальный объем информации, которая за один раз может быть получена или передана по этой шине.

Операции обмена информацией осуществляются при одновременном участии всех шин. Рассмотрим, к примеру, действия, которые должны быть выполнены для передачи информации из процессора в память. В простейшем случае необходимыми являются три действия: 1. На адресной шине процессор должен выставить сигналы, соответствующие адресу ячейки памяти, в которую будет осуществляться передача информации.2. На шину данных процессор должен выставить сигналы, соответствующие информации, которая должна быть записана в память.3. После выполнения действий 1 и 2 на шину управления выставляются сигналы, соответствующие операции записи и работе с памятью, что приведет к занесению необходимой информации по требуемому адресу.

Читайте также: Размерность шин киа рио 3 р16

Естественно, что приведенные выше действия являются необходимыми, но недостаточными при рассмотрении работы конкретных процессоров и микросхем памяти. Конкретные архитектурные решения могут требовать дополнительных действий, например, выставления на шину управления сигналов частичного использования шины данных (для передачи меньшего количества информации, чем позволяет ширина этой шины), выставления сигнала готовности магистрали после завершения записи в память, разрешающего приступить к новой операции, и т.д., однако общие принципы выполнения операции записи в память остаются одинаковыми.

В то время как память легко можно представить себе в виде последовательности пронумерованных адресами ячеек, локализованных внутри одной микросхемы или набора микросхем, подобный подход неприменим к устройствам ввода-вывода. Внешние устройства разнесены пространственно и могут подключаться к локальной магистрали в одной точке или множестве точек, получивших название портов ввода-вывода. Тем не менее, точно так же, как ячейки памяти взаимно однозначно отображались в адресное пространство памяти, порты ввода-вывода можно взаимно однозначно отобразить в другое адресное пространство — адресное пространство ввода-вывода. При этом каждый порт ввода-вывода получает свой номер или адрес в этом пространстве. В некоторых случаях, когда адресное пространство памяти (размер которого определяется шириной адресной шины) задействовано не полностью (остались адреса, которым не соответствуют физические ячейки памяти), и протоколы работы с внешним устройством совместимы с протоколами работы с памятью, часть портов ввода-вывода может быть отображена непосредственно в адресное пространство памяти (так, например, поступают с видеопамятью дисплеев), правда тогда эти порты уже не принято называть портами. Надо отметить, что при отображении портов в адресное пространство памяти для организации доступа к ним в полной мере могут быть задействованы существующие механизмы защиты памяти без организации специальных защитных устройств.

В ситуации прямого отображения портов ввода-вывода в адресное пространство памяти действия, требуемые для записи информации и управляющих команд в эти порты или для чтения данных из них и их состояний, ничем не отличаются от действий, производимых для передачи информации между оперативной памятью и процессором, и для их выполнения применяются те же самые команды. Если же порт отображен в адресное пространство ввода-вывода, то процесс обмена информацией инициируется специальными командами ввода-вывода и включает в себя несколько другие действия. Например, для передачи данных в порт необходимо выполнить следующее:

На адресной шине процессор должен выставить сигналы, соответствующие адресу порта, в который будет осуществляться передача информации, в адресном пространстве ввода-вывода.

На шину данных процессор должен выставить сигналы, соответствующие информации, которая должна быть передана в порт.

После выполнения действий 1 и 2 на шину управления выставляются сигналы, соответствующие операции записи и работе с устройствами ввода-вывода (переключение адресных пространств!), что приведет к передаче необходимой информации в требуемый порт.

Существенным отличием памяти от устройств ввода-вывода является то, что занесение информации в память является окончанием операции записи, в то время как занесение информации в порт зачастую является инициализацией реального совершения операции ввода-вывода. Что именно должны совершать устройства, приняв информацию через свой порт, и каким именно образом они должны поставлять информацию для чтения из порта, определяется электронными схемами устройств, получившими названия контроллеров. Контроллер может непосредственно управлять отдельным устройством (например, контроллер диска), а может управлять несколькими устройствами, связываясь с их контроллерами посредством специальных шин ввода-вывода (шина IDE, шина SCSI и т.д.).

Читайте также: Дкс главная шина заземления

Современные вычислительные системы могут иметь разнообразную архитектуру, множество шин и магистралей, мосты для перехода информации от одной шины к другой и т.п. С точки зрения нашего рассмотрения важными является только следующие моменты: Устройства ввода-вывода подключаются к системе через порты.

Могут существовать два адресных пространства: пространство памяти и пространство ввода-вывода.

Порты, как правило, отображаются в адресное пространство ввода-вывода и, иногда, непосредственно в адресное пространство памяти. Использование того или иного адресного пространства определяется типом команды, выполняемой процессором, или типом ее операндов. Физическим управлением устройством ввода-вывода, передачей информации через порт, и выставлением некоторых сигналов на магистрали занимается контроллер устройства. Именно единообразие подключения внешних устройств к вычислительной системе является одной из составляющих идеологии, позволяющих добавлять новые устройства без перепроектирования всей системы.

Видео:Как работает компьютерная память: что такое RAM, ROM, SSD, HDD и в чем разница?Скачать

Простейшие типы архитектур

Центральное устройство. ЦУ представляет основную компоненту ЭВМ и, в свою очередь, включает ЦП — центральный процессор (central processing unit — CPU) и ОП — оперативную (главную) память (main storage, core storage, random access memory — RAM).

Процессор непосредственно реализует операции обработки информации и управления вычислительным процессом, осуществляя выборку машинных команд и данных из оперативной памяти и запись в ОП, включение и отключение ВУ. Основными блоками процессора являются:

• устройство управления (УУ) с интерфейсом процессора (системой сопряжения и связи процессора с другими узлами машины);

• арифметико-логическое устройство (АЛУ);

• процессорная память (внутренний кэш).

Оперативная память предназначена для временного хранения данных и программ в процессе выполнения вычислительных и логических операций.

Если абстрагироваться от подробностей, то основные классические типы архитектур можно определить как следующие: «звезда», иерархическая, магистральная (схематически — рис. 9.1, подробнее — рис. 9.2, 9.3, 9.4).

Архитектура«звезда». Здесь ЦУ (рис. 2.1, а) соединено непосредственно с ВУ и управляет их работой (ранние модели машин).

Классическая архитектура (фон Неймана) — одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд — программа (рис. 4.2). Это однопроцессорный компьютер.

Вычислительная машина включает пять базовых компонент исостоит из следующих типов устройств:

• центральный процессор (ЦП), включающий АЛУ и УУ;

• запоминающие устройства — память, в том числе оперативная (ОП) и внешние ЗУ;

• устройства ввода и устройства вывода информации — внешние (периферийные) устройства (ВУ).

Рис.9.2. Структурная схема ЭВМ 1-го и 2-го поколения (архитектура фон Неймана), «звезда»

Иерархическая архитектура(рис. 4.1, б, рис. 4.3) — ЦУ соединено с периферийными процессорами (вспомогательными процессорами, каналами и пр.), управляющими в свою очередь контроллерами, к которым подключены группы ВУ (системы IBM 360-375);

Читайте также: Подбор шин по размерам по марке автомобиля

Рис. 9.3. Структурная схема ЭВМ 3-го поколения (иерархическая)

Магистральная структура(общая шина — unibas, рис. 4.1, в, рис. 4.4) — процессор (процессоры) и блоки памяти (ОП) взаимодействуют между собой и с ВУ (контроллерами ВУ) через внутренний канал, общий для всех устройств (машины DEC, ПЭВМ IBM PC-совместимые).

Рис. 9.4. Структурная схема ПЭВМ

К этому типу архитектуры относится также архитектура персонального компьютера: функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер — устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

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

Архитектура шины данных

К распространенным типам архитектуры шины данных относятся ISA, EISA, Micro Channel® и PCI. Каждая из них физически отличается от остальных.

· ISA (Industry Standard Architecture).

ISA — это архитектура, используемая в компьютерах IBM PC, XT™, AT и совместимых с ними. Чтобы дополнить систему различными адаптерами, необходимо установить платы в слоты расширения. В 1984 году (когда IBM представила IBM PC/AT) ISA была расширена с 8 разрядов до 16. ISA — это название самого слота (8- или 16-разрядного). 8-разрядные слоты короче 16-разрядных, которые состоят из двух слотов, следующих один за другим. Поэтому 8-разрядная плата может быть вставлена в 16-разрядные слоты, но не наоборот.

ISA была стандартной архитектурой персональных компьютеров, пока Compaq и несколько других компаний не разработали шину EISA.

· EISA (Extended Industry Standard Architecture).

Этот стандарт шины был представлен в 1988 году консорциумом из девяти компьютерных компаний: AST® Research, Inc., Compaq, Epson®, Hewlett-Packard®, NEC®, Olivetti®, Tandy®, Wyse® Technology и Zenith®.

EISA предлагает 32-разрядную шину, совместимую с ISA. Кроме того, она поддерживает дополнительные возможности, которыми обладает шина Micro Channel Architecture, разработанная IBM.

· MCA (Micro Channel Architecture).

IBM представила этот стандарт в 1988 году как часть своего проекта PS/2. Эта архитектура электрически и физически несовместима с шиной ISA. В отличие от ISA, Micro Channel работает и как 16-разрядная, и как 32-разрядная шина. Несколько процессоров контроля шины могут независимо управлять ею.

· PCI (Peripheral Component Interconnect).

Это 32-разрядная локальная шина, которая используется в большинстве компьютеров с процессором Pentium и в компьютерах Apple Power Macintosh®. Современная архитектура PCI удовлетворяет большинству требований технологии Plug and Play. Plug and Play — это одновременно и философия построения персонального компьютера, и набор спецификаций его архитектуры. Цель технологии Plug and Play — возможность изменить конфигурацию персонального компьютера без вмешательства пользователя, т.е. максимально упростить подключение любого устройства. Одной из операционных систем, поддерживающих спецификацию Plug and Play, является Microsoft Windows 95.

• 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

  Системная шина процессораСкачать

  

  04. Основы устройства компьютера. Архитектура процессора. [Универсальный программист]Скачать

  

  АПС Л14. ШиныСкачать

  

  Архитектура ЭВМ Лекция 9: Иерархия хранения данных. Организация кэш памяти.Скачать

  

  АПС Л19. ШиныСкачать

  

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

  

  Базовая архитектура и структура ЭВМСкачать

  

  Введение в архитектуру компьютеровСкачать

  

  Архитектура персонального компьютераСкачать

  

  Системная шина персонального компьютера ISAСкачать

  

  Шины ввода-выводаСкачать

  

  Системная шина персонального компьютера AGPСкачать

  

  ОС 2 Архитектура ЭВМСкачать

  

  Виды топологий локальных сетей | Звезда, кольцо, шинаСкачать

  

  Принцип работы процессора на уровне ядраСкачать

  

  АПС Л19. ШиныСкачать

  

  Шина компьютера, оперативная память, процессор и мостыСкачать

  

  Машечкин И. В. - Операционные системы - Классификация архитектур многопроцессорных ассоциацийСкачать