Контрольные вопросы

25. По каким признакам классифицируются запоминающие устройства?

26. Назначение ВЗУ и СОЗУ?

27. Назовите признаки ЗУ прямого и последовательного доступов?

28. Расшифруйте сокращения ПЗУ и ЗУПВ.

29. Перечислите основные характеристики ЗУ.

30. Каковы преимущества ЗУ с произвольной выборкой?

31. Что общего в работе стековой памяти типов LIFO и FIFO?

32. В чем заключается принцип действия ассоциативных ЗУ?

33. Что такое иерархическая организация системы памяти, предпосыл­ки?

34. Что такое сравнительная характеристика устройств памяти ВМ по информационному объему, быстродействию, способам доступа к ин­формации?

6. Принципы обмена данными в вычислительных машинах. Интерфейсы вычислительных машин, организация прерываний

6.1. Шины

Процессор, основная память и устройства ввода-вывода могут соединяться между собой посредством общей шины, основным назначением которой является предоставление канала связи для пересылки данных.

Шина содержит линии для поддержки прерываний и арбитража. В этом разделе мы обсудим основные особенности шинных протоколов, используемых для пересылки данных. Шинный протокол - то набор правил, управляющих поведением соединенных с шиной устройств, а также последовательностью помещения информации на шину, выдачи управляющих сигналов и т. п. После обсуждения шинных протоколов мы рассмотрим примеры интерфейсных схем, в которых они используются.

Линии шины, используемые для пересылки данных, бывают трех типов: линии данных, линии адреса и управляющие линии. Управляющие сигналы определяют, какую операцию, чтения или записи, следует выполнить. Обычно для этой цели используется линия R/W. Значение 1 на этой линии соответствует операции чтения, а значение 0 - операции записи. Когда команда допускает использование операндов разных размеров, например, байтов, слов и длинных слов, размер данных также указывается на управляющих линиях.

Сигналы управления шиной также используются для тактирования операций. Они определяют, в какой момент процессор и устройства ввода-вывода могут поместить данные на шину или прочитать их с таковой. Для тактирования пересылки данных по шине разработано множество схем, которые можно разделить на два основных типа: синхронные и асинхронные.

Как уже было отмечено выше, в любой операции пересылки данных по шине одно из устройств играет роль хозяина шины. Это устройство инициирует пересылку данных с помощью команд чтения или записи. Поэтому его можно назвать инициатором. Обычно хозяином шины является процессор, но эту роль могут выполнять и другие устройства, поддерживающие функцию прямого доступа к памяти. Устройство, к которому обращается хозяин шины, называется подчиненным или целевым.

6.1.1. Синхронная шина

В случае синхронной шины все устройства получают синхронизирующую информацию по общей тактовой линии. На эту линию подаются тактовые импульсы со строго фиксированной частотой. Промежуток времени между последовательными тактовыми импульсами в простейшей синхронной шине составляет цикл шины, в течение которого выполняется одна операция пересылки данных. Такая схема показана на рис. 6.1. На этом и следующих рисунках на линиях адреса и данных показаны сигналы и низкого и высокого уровня. Это стандартный прием, обозначающий, что на одних из этих линий уровень сигнала низкий, а на других, наоборот, высокий и что все зависит от конкретных значений адреса и данных. Точки пересечения линий на рисунке соответствуют моментам изменения этих значений. Сигнальная линия в неопределенном, или высокоимпедансном, состоянии представлена промежуточным уровнем, находящимся посередине между высоким и низким.

Далее будет рассмотрена последовательность событий, происходящих при выполнении операции ввода (чтения) данных. В момент времени t₀ хозяин шины помещает на адресные линии адрес устройства и отсылает по управляющим линиям необходимую команду. В этой команде определяется операция ввода и, если нужно, задается длина считываемого операнда. Информация передается по шине со скоростью, определяемой ее физическими и электрическими характеристиками. Длительность тактового импульса t₁ - t₀ должна быть больше максимального времени задержки на распространение сигнала между двумя соединенными с шиной устройствами. Причем она должна быть достаточно большой, так как все устройства должны успеть декодировать адрес и управляющие сигналы, с тем чтобы адресуемое (подчиненное) устройство могло ответить на команду в момент времени t₁. В течение промежутка времени от t_Q до t₁ информация на шине ненадежна, поскольку состояние сигналов изменяется. В момент времени t₁ адресуемое подчиненное устройство помещает запрошенные входные данные на линии данных.

Рис. 6.1. Временная диаграмма операции пересылки по синхронной шине при вводе данных.

В конце тактового цикла, то есть в момент времени t₂, хозяин шины стробируeт данные на линиях данных в свой входной буфер. Слово «стробировать» в используемом контексте означает снять значения с линий данных в указанный момент времени и сохранить их в буфере. Для того чтобы данные правильно загружались в любое устройство хранения, в том числе в регистр на основе триггеров, они должны находиться на его входе в течение времени, достаточного для их сохранения. Поэтому период времени t₂ - t₁ должен быть больше максимального времени распространения сигнала по шине в сумме со временем установки входного буферного регистра хозяина шины.

Похожая процедура выполняется и при выводе данных. Хозяин шины помещает на линии данных выходные сведения, а на линии адреса и управляющие линии - адрес и команду. В момент времени t₂ адресуемое устройство стробирует линии данных и загружает информацию в свой буфер данных.

На временной диаграмме, приведенной на рис. 6.1, происходящее на линиях шины показано в очень упрощенном виде. На самом деле из-за задержек на распространение сигналов по проводам шины и в схемах устройств точные моменты изменения сигналов несколько не соответствуют указанным на рисунке. Временная диаграмма на рис. 6.2. более реалистична. Каждый сигнал, за исключением тактового, показан здесь в двух вариантах. Поскольку на передачу сигнала от одного устройства к другому уходит некоторое время, разные устройства видят изменения этого сигнала в разные моменты. Одно представление соответствует тому, как данный сигнал видит хозяин шины, а другое - тому, как его видит подчиненное устройство. При этом предполагается, что изменения тактового сигнала все подключенные к шине устройства замечают одновременно. Конструкторами систем прилагаются огромные усилия для того, чтобы тактовый сигнал удовлетворял этому требованию.

В начале такта 1 (to), на переднем фронте тактового сигнала, хозяин шины передает по ней сигналы адреса и команды. Однако до момента времени tAM эти сигналы не появляются на шине, прежде всего из-за задержки в схеме управления шиной. Какое-то время спустя, в момент t_AS, сигналы достигают подчиненного устройства. Последнее декодирует адрес и в момент времени отсылает запрошенные данные. И опять эти сигналы не появляются на шине сразу, а задерживаются до момента t_DS. К хозяину шины они прибывают в момент времени tDM. Далее, в момент времени t₂, хозяин загружает данные в свой входной буфер. Промежуток t2- tDM является временем установки его входного буфера. После момента времени t2 данные должны оставаться неизменными в течение всего периода их хранения в буфере, В литературе обычно приводятся упрощенные временные диаграммы, как на рис. 6.1, дающие концептуальное представление о процессе пересылки данных. Но реальные сигналы всегда распространяются с задержками (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Подробная временная диаграмма для операции пересылки входных данных, показанной на рис. 6.1.