ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
Запоминающее устройство ЭВМ состоит из блоков памяти, БИС полупроводниковой памяти.
Память предназначена для хранения двоичных переменных.
Для хранения небольших массивов кодовых слов используются регистры. Но уже при необходимости хранить десятки слов применение регистров приводит к неоправданно большим аппаратурным затратам.
Для хранения больших массивов слов строят запоминающие устройства (ЗУ) с использованием специальных микросхем, в каждой из которых может храниться информация объемом в тысячи байтов.
По выполняемым функциям различают следующее типы запоминающих устройств: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ),
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), м ожет быть перепрограммируемым- (ППЗУ)
Оперативное ЗУ используется в условиях, когда необходимо выбирать и обновлять хранимую
информацию в высоком темпе работы процессора цифрового устройства.
В цифровых устройствах ОЗУ используются для хранения данных (исходных данных, промежуточных и конечных результатов обработки данных) и программ.
В ОЗУ предусматриваются три режима работы:
- режим хранения при отсутствии обращения к ЗУ,
- режим чтения хранимых слов и
- режим записи новых слов.
В режимах чтения и записи ОЗУ должно функционировать с высоким быстродействием (время чтения или записи слова в ОЗУ составляет десятые и сотые доли микросекунды)
Постоянное ЗУ предназначено для хранения некоторой однажды записанной в него информации, не нару шаемой и при отключен ии источников питания.
В ПЗУ предусматриваются два режима работы:
режим хранения и режим чтения с высоким быстродействием.
Режим записи не предусматривается.
Используются ПЗУ для хранения программ в таких специализированных цифровых устройствах, которые, функционируя длительное время, многократно выполняют действия по одному и тому же алгоритму при различных исходных данных.
Перепрограммируемое ПЗУ в процессе функционирования цифрового устройства используется как ПЗУ. Оно отличается от ПЗУ тем, что допускает обновление однажды занесенной информации, т.е. в нем предусматривается режим записи. Однако в отличие от ОЗУ запись информации требует отключения ППЗУ от цифрового устройства.
Память организована по байтам, которые являются наименьшей адресуемой группой
битов, с которой ЭВМ может одновременно оперировать, или по словам имеющим такой
же формат в битах, что и рабочие регистры, шина данных и арифметическое устройство
ЭВМ,
Байт состоит из 8 бит, а слово может иметь длину от 4 до 64 бит.
Память организована в массив ячеек, каждая из которых имеет свой собственный адрес.
Рис.13.3 Структурная схема кристалла пвмяти
Дешифратор адреса (рис.13.3) получает адрес из ЦП и выбирает соответствующую ячейку памяти.
Если организовать несколько матриц (например, 8) то можно, при одном и том же значении адреса обрабатывать слово (байт).
Выборка нужной ячейки памяти и извлечение ее содержимого требует определенного времени, которое называется временем доступа к памяти.
Время доступа влияет на быстродействие ЭВМ, так как ЭВМ получает команды и большинство данных из памяти.
Время доступа обычно находится в пределах от единиц не до нескольких сотен наносекунд.
Запоминающие устройства подразделяются на блоки, называемые страницами.
Память ЭВМ может содержать либо данные, либо команды, причем и то, и другое представлено в двоичном коде.
Машина, которая пользуется одним и тем же форматом памяти для данных и команд, называется машиной Фон-Неймана, по имени математика, первым, предложившим такие машины.
ЦП должен знать, что он рассчитывает получить в определенный момент времени. Если программа сделает ошибку, то ЦП может принять данные за команду или наоборот.
УСТРОЙСТВА ВВОДА- ВЫВОДА
Устройство ввода - вывода осуществляет передачу данных, а также сигналов состояния и управляющих сигналов между ЦП и внешним или периферийными устройствами.
Процесс передачи включает в себя обмен сигналами состояния и управления и вслед за тем собственно пересылку данных.
Устройство ввода-вывода должно регулировать временные различия между ЭВМ и периферийными устройствами, формировать должным образом формат данных, управлять сигналами состояния и управления и обеспечивать требуемый уровень тока и напряжения.
Нерегулярные подачи могут управляться сигналами прерывания, которые сразу привлекают внимание ЦП и вызывают приостановку его нормальной работы.
Пример:
Типичная операция передача данных между ЭВМ и периферийными устройствами.
Операция ввода происходит следующим образом:
1. Периферийное устройство сигнализирует ЦП о том, что имеются новые данные. Устройство ввода-вывода должно соответствующим образом сформировать сигнал и держать его до тех пор. пока ЦП его не примет;
2. Периферийное устройство посылает данные в ЦП. Устройство ввода-вывода должно хранить их до тех пор, пока ЦП не будет готов их считать;
3. Центральный процессор считывает данные. Устройство ввода-вывода должно иметь блок дешифрирования, который выбирает определенную часть УВВ (или порт). Считывание данных должно снять сигнал, свидетельствующий о том, что данные имеются; результатом этого может быть также подтверждение, посланное периферийному устройству, о том что оно может посылать новые данные.
Операции вывода во многом похожи на операции ввода.
- периферийное устройство оповещает ЦП, что оно готово принять данные.
- ЦП направляет данные вместе с сигналом (стробом), который указывает периферийному устройству, что данные имеются.
Устройство ввода-вывода формирует соответствующим образом данные и сигналы управления и сохраняет данные в течение времени, необходимого для их использования периферийным устройством.
Данные вывода должны храниться намного дольше, чем данные ввода. так как механические устройства, отображающие их, реагируют намного медленнее, чем ЭВМ.
Устройство ввода-вывода должно выполнять множество задач простого интерфейса. Оно должно придать сигналам подходящий формат, как для управляющего, так и для периферийного устройства.
Центральному процессору требуются сигналы с определенными уровнями напряжения. Периферийные устройства могут использовать много различных типов сигналов, включая непрерывные (аналоговые) сигналы различного тока и напряжения. Для сигналов, идущих на большие расстояния или работающих на большие нагрузки, требуются усилители.
Устройство ввода-вывода может также выполнять некоторые функции, которые выполняет ЦП. Эти функции включают в себя преобразование данных из последовательного кода в параллельный, включение или исключение специальных символов, отмечающих начало или конец передачи данных, а также преобразование кодов обнаружения ошибок, таких как проверка на четность.
Устройство ввода-вывода может выполнить эти задачи аппаратными средствами быстрее, чем ЦП может выполнить их программными методами.
Устройство ввода-вывода компьютера может быть программируемым и даже содержать процессор для реализации его некоторых задач (такое устройство называется - КОНТРОЛЛЕР).
ШИНЫ
Шина адресная, шина данных, шина управления
Шины данных и шины адресов (на физическом уровне) – много проводные линии с гнездами для подключения электронных схем.
Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шины данных и шину управления:
Шина адреса предназначена для передачи адреса того устройства (или той ячейки памяти), к которому обращается процессор.
По шине данных передаётся вся информация при записи и считывании.
По шине управления передается управляющий сигнал и сигналы синхронизации.
Процесс взаимодействия процессора и памяти сводится к двум операциям – записи и считывания информации. При записи процессор по специальным проводникам (шина адреса) передает биты, кодирующие адрес, по другим проводникам – управляющий сигнал «запись», и еще по другой группе проводников (шины данных) передает записываемую информацию.
При чтении по шине адреса передается соответствующий адрес оперативной памяти (ОП), а с шины данных считывается нужная информация.
По шине адресов передается также адрес порта ввода - вывода, который нужен для
использования ЦП. Сигнал ввода-вывода определяет направление передачи.
Шины могут соединять ЦП как с памятью, так и с УВВ.
Современные компьютеры имеют прямую связь межу памятью и УВВ, что позволяет осуществлять передачу данных к периферийным устройствам и обратно без участия ЦП.
Этот метод передачи данных называется прямым доступом к памяти (ПДП).
Преимуществом ПДП является то, что скорость передачи обеспечивается только временем доступа к памяти (обычно менее 1 мкс).
Для передачи данных через ЦП требуется несколько команд, и на это уходит в 10-20 раз больше времени.
Прямой доступ к памяти применяется с быстродействующими периферийными устройствами, такими как магнитные диски, быстродействующие линии связи или дисплеи.
1.4 ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР
это основной рабочий компонент компьютера, который:
- выполняет арифметические и логические вычисления;
- управляет вычислительным процессом;
- координирует работу всех устройств компьютера.
ЦП обрабатывает данные. Он выбирает команды из памяти, дешифрирует их и выполняет.
ЦП вырабатывает временные сигналы и сигналы управления, передает в память и из памяти и устройств ввода-вывода, выполняет арифметические и логические операции и идентифицирует внешние сигналы.
На рис.13.4. показан структура типичного ЦП.
Рис.13.4.
В течение каждого цикла команды ЦП выполняет много управляющих функций:
Пример:
1. Помещает адрес команды в адресную шину памяти;
2. Получает команду из шины ввода данных и дешифрирует ее;
3. Выбирает адреса и данные, содержащиеся в команде; адреса и данные могут находиться в памяти или в регистрах;
4. Выполняет операцию, определенную в коде команды. Операцией может быть арифметическая или логическая функция, передача данных или функция управления;
5. Следит за управляющими сигналами, такими как прерывание, и реагирует соответствующим образом;
6. Генерирует сигналы состояния, управления и времени, которые необходимы для нормальной работы УВВ и памяти.
Т.е., ЦП является “мозгом”, определяющим действия компьютера.
РЕГИСТРЫ
Основу большинства ЦП образуют рабочие регистры.
Регистры представляют собой сверхоперативное ЗУ небольшой емкости.
Регистры состоят из триггеров и адресуются подобно ячейкам памяти. Как правило, разрядность регистров совпадает с разрядностью процессора. Число регистров невелико.
Использование в программе рабочих регистров выгодно, так как ЦП может получить содержащиеся в них данные, не обращаясь к памяти.
С помощью внутренних шин регистры связаны друг с другом. С другими блоками системы связь осуществляется под управлением программы.
Если ЦП имеет большое число регистров, программе не потребуется большого числа пересылок данных в память и из памяти. Благодаря этому уменьшается число операций обращения к памяти и формат команд.
Наличие большого числа внутрипроцессорных регистров приводит к расширению возможностей дешифрирования и адресации команд и данных.
На рис.1.1.5 показан типовой набор регистров ЦП.
Регистры могут иметь много различных назначений.
Процессоры содержит несколько основных регистров:
Счетчик команд,
- регистр команд,
- регистр адреса памяти,
- аккумулятор,
- регистры общего назначения (РОН).
-индексные регистры,
-регистр условий,
- указатель стека.
Счетчик команд (СК) содержит адрес ячейки памяти, в которой находится очередная команда.
Цикл выполнения команды начинается с того, что ЦП посылает содержимое счетчика команд в шину адреса; таким образом ЦП извлекает из памяти первое слово команды.
При этом увеличивается на единицу содержимое счетчика команд и, таким образом, в следующем цикле команды из памяти будет извлечена следующая из последовательности команд.
Регистр команд сохраняет код команды до тех пор, пока она не будет дешифрирована.
Регистр адреса памяти содержит адрес данных в памяти. Адреса могут представлять собой часть команд или данные.
Рис. 13.5
Аккумуляторы - это регистры временного хранения, которые используются в процессе вычисления. В аккумуляторе всегда содержится один из операндов арифметических операций. Процессор может также использовать аккумуляторы при выполнении логических операций.
Регистры общего назначения выполняют различные функции. Они могут служить в качестве регистров временного хранения данных или адресов. Программисту предоставляется возможность определять их как аккумуляторы или как счетчики команд.
Индексные регистры используются для адресации данных. Содержимое индексного регистра складывается с адресом ячейки памяти, который содержится в команде. Затем сумма образует действительный адрес данных и исполнительный адрес.
Если содержимое индексного регистра изменяется, одна и та же команда может быть использована для обработки данных из ячеек памяти с различными адресами.
Регистр кода условий или регистр состояния содержит набор одноразрядных признаков, которые отображают состояние ЦП или нескольких внешних входов или выходов. Эти признаки - основа для принятия решения.