Функционирование компьютера с шинной организацией

Сам.работа №5

Виды системотехники

Шинная организация.

Все устройства симметрично подсоединяются к одному каналу, называемому общей шиной. Симмет­рия подключения гарантирует свободное подключение новых устройств, т.е. система имеет теоретически неограниченное развитие. Некоторые узлы могут иметь специфические свойства, например процессор, опера­тивная память, внешние накопители данных. Между узлами организуется обмен информацией. Так как потоки информации ограничены возможно­стями одного канала, эта схема имеет принципиальные ограничения скорости работ.

Конвейерная организация.

Здесь обрабатывающее устройство разделяется на последовательно включенные операционные блоки, ка­ждый из которых специализирован на выполнение строго определенной части операции. При этом работа осуществляется следующим образом: когда i -й операционный блок выполняет i -ую часть j -й операции, (i -1)-й операционный блок выполняет (i-1)-yю часть (j+1)-й операции, а (i+1)-й опера­ционный блок выполняет (i+1)-ую часть (j-1)-й операции. В результате образуется своего рода конвейер обработки и за счет этого повышается производительность системы.

Канальная организация.

В ЭВМ с канальной организацией процессор освобожден от организации ввода-вывода. Канал представляет собой специализированный процессор, который выполняет канальную программу, состоящую из канальных команд, загружаемых операционной системой и хранящихся в оперативной памяти. Управление контроллерами внешних устройств и обмен данными осуществляется каналом. Наличие нескольких трактов передачи данных повышает скорость обмена. Все это дает возможность производить обмен данными с внешними устройствами параллельно с основной вычислительной работой центрального процессора. Одной из первых машин с каналами была ЭВМ второго поколения IBM-704, а также машины семейства IBM-360/370.

Организация с перекрестной коммутацией.

Все связи между узлами осуществляются с помощью коммутирующей матрицы (КМ), которая может связывать между собой любую пару узлов, причем таких пар может быть сколько угодно — связи не зависят друг от друга. Возможность одновре­менной связи нескольких пар устройств позволяет достичь очень высо­кой производительности комплекса.

Функционирование компьютера с шинной организацией

Шинная организация является простейшей формой организации компьютера. Компьютер имеет в своем составе следующие функциональные блоки: центральный процессор, память, устройства ввода-вывода.

Центральный процессор – функциональная часть компьютера,выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Состоит из следующих взаимосвязанных составных элементов: арифметико-логического устройства, устройства управления и регистров.

Регистр – устройство, предназначенное для промежуточного хранения двоичной информации в процессе выполнения вычислительных операций, а также для их преобразования.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет основную работу по переработке информации, хранимой в оперативной памяти. В нем выполняются арифметические и логические операции. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие сигналы, позволяющие компьютеру автоматически выбирать путь вычислительного процесса в зависимости от получаемых результатов.

Арифметико-логическое устройство формирует по двум входным переменным одну – выходную, выполняя заданную функцию (сложение, вычитание, сдвиг и т.д.), выполняемая функция определяется микрокомандой, получаемой от устройства управления. АЛУ содержит в своем составе устройство, хранящее характеристику результата выполнения операции над данными и называемое флаговым регистром. Программный анализ флагов позволяет производить операции ветвления программы в зависимости от конкретных значений данных. Кроме того, в АЛУ имеется набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти, которые называются регистрами процессора, составляющие основу архитектуры процессора.

Регистр данных — служит для временного хранения промежуточных результатов при выполнении операций.

Регистр-аккумулятор — регистр временного хранения, который используется в процессе вычислений.

Регистр-указатель стека — используется при операциях со стеком, т.е. такой структурой данных, которая работает по принципу: последним вошел —первым вышел, т.е. последнее записанное в него значение извлекается из него первым. Стеки используются для организации подпрограмм.

Индексные, указательные и базовые регистры используются для хранения и вычисления адресов операндов в памяти.

Регистры-счетчики используются для организации циклических участков в программах.

Внутренние системные регистры, не доступные программно и используемые во время внутренних пересылок информации при выполнении команд.

Устройство управления— часть центрального процессора, вырабатывающая распределенную во времени и пространстве последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд.

Выборка команд – процесс интерпретации устройством управления команды, выбранной из оперативной па­мяти.

Выполнение команды – формирование требуемого набора команд низкого уровня для АЛУ и других устройств.

В устройство управления входят:

регистр команды, содержащий код команды во время ее выполнения;

программный счетчик, содержащий адрес очередной подлежащей выполнению команды;

регистр адреса, вычисляющий адреса операндов, находящихся в памяти.

Оперативная память (ОП) – функциональный блок, хранящий информацию для устройства управления (УУ) – команды и арифметико-логического устройства (АЛУ) – данные.

Основные информационные и временные свойства запоминающих устройств:

Информационная емкость – максимально возможный объем хранимой информации.

Время доступа – временной интервал, определяемый от момента, когда процессор выставил на адресной шине адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

Время записи – интервал времени, необходимый для перезаписи содержимого шины данных в связанную с ней ячейку памяти.

С одной стороны память должна иметь большую емкость – для реализации задач, построенных по сложным алгоритмам и имеющих достаточно много исходных, промежуточных и результирующих данных. С другой стороны, память должна обладать достаточным быстродействием, соответствующим быстродействию других устройств компьютера, а чем больше емкость памяти, тем медленнее к ней доступ, т.к. время доступа определяется временем, необходимым для выборки из памяти или записи в нее информации. Поэтому в компьютере существует несколько запоминающих устройств, различающихся емкостью и быстродействием.

Память собирается на полупроводниковых микросхемах и состоит из отдельных ячеек.

Ячейка памяти – вместилище порции информации в памяти компьютера, доступной для обработки отдельной командой.

Содержимое ячейки памяти называется машинным словом.

Количество информации, записываемое или извлекаемое из памяти за одно обращение, называется машинным словом.

Разряд – часть ячейки памяти, хранящая один бит двоичной информации.

Количество разрядов, которое может быть воспринято, передано или получено за одно обращение к процессору, называется его разрядностью.

Периферийные устройства. В их число входят устройства двух типов: устройства внешней памяти, предназначенные для долговременного хранения данных большого объема и программ, и коммуникационные устройства, предназначенные для связи компьютера с внешним миром (пользователем, посредствам устройств ввода-вывода и манипуляторов, другими компьютерами с помощью модемов и устройств связи, и т.д.). Обмен данными с внешним устройством осуществляется через порты ввода-вывода. Порт (в переводе с англ. port — ворота, дверь, отверстие) можно рассматривать как совокупность ячеек, через которые возможно записать данные в периферийное устройство, или, наоборот — прочитать из него. Так же как и ячейки памяти, порты име­ют уникальные номера — адреса портов ввода-вывода.

Система шин. Объединение функциональных блоков в компьютере осуще­ствляется посредством следующей системы шин:

шина данных, по кото­рой осуществляется обмен информацией между блоками компьютера;

шина адреса, используется для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение);

шина управления используется для передачи управляющих сигналов.

Совокупность этих трех шин называют системной шиной, системной магистралью или системным интерфейсом.

Шина со­стоит из отдельных проводников (линий). Сигналы по линиям шины могут передаваться либо импульсами (наличие импульса соответствует логической 1, а отсутствие импульса — логическому 0), либо уровнем напряжения (например, высокий уровень — 1, низкий — 0). Шириной шины называется количество линий (проводников), входящих в составшины. Ширина шины адреса определяет размер адресного пространства компьютера. Если, например, количество линий адреса, используемых для ад­ресации памяти, равно 20, то общее количество адресуемых ячеек памяти составит 2²⁰, т.е. примерно один миллион ячеек (точнее, 1.048.576 ячеек).

Обычно на шине в любой момент можно выделить два активных уст­ройства. Одно из них называется задатчиком и инициирует операцию обмена данными (формирует адреса и управляющие сигналы), другое называется исполнителем и выполняет операцию (дешифрует адреса и управляющие сигналы, принимает или передает данные). В большинстве случаев задатчиком является центральный процессор. Память всегда выступает только в качестве исполнителя.