Структуры вычислительных машин: с непосредственными связями, на основе шины.
Достоинства и недостатки архитектуры вычислительных машин и систем зависят от способа соединения компонентов. Различают два основных типа структур вычислительных машин:
с непосредственными связями,
на основе шины.
Примером структуры с непосредственными связями является структура фон-Неймановской вычислительной машины. В ней между взаимодействующими устройствами (процессор, память, устройства ввода-вывода) имеются непосредственные связи. Особенности связей (число линий в шинах, пропускная способность и т.д.) определяются видом информации, характером и интенсивностью обмена. Основной недостаток структуры с непосредственными связями – такие ЭВМ плохо поддаются реконфигурации.
В варианте с общей шиной все устройства ЭВМ подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления.
Центральный
процессор
Основная память
Внешняя
память
Уввода/ вывода
Рисунок – Структура вычислительной машины на базе общей шины
Наличие общей шины упрощает реализацию вычислительной машины, позволяет легко менять ее состав и конфигурацию. Шинная архитектура получила широкое распространение в мини и микроЭВМ. Основной недостаток шинной архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода-вывода остается лишь часть пропускной способности шины.
Более распространена архитектура с иерархией шин, где помимо магистральной шины имеется еще несколько дополнительных шин. Они могут обеспечивать непосредственную связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом, например, процессором и кэш-памятью. Другой вариант использования дополнительных шин – объединение однотипных устройств ввода-вывода с последующим выходом с дополнительной шины на магистральную. Все эти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину и более эффективно расходовать ее пропускную способность.
Принципы построения микропроцессорных систем.
В основу построения микропроцессорных систем положено три принципа:
магистральности,
модульности,
микропрограммного управления.
Принцип магистральности определяет характер связей между функциональными блоками микропроцессорной системы – все блоки соединяются с единой системной шиной. Большинство микропроцессорных систем имеют магистрально-модульную структуру. МикроЭВМ строится из набора конструктивно законченных модулей. Каждый модуль реализует определенные функции и обладает свойством независимости от других модулей. Модульность конструкции позволяет совершенствовать микроЭВМ за счет введения в ее структуру более производительных модулей. Упрощается также процесс поиска и устранения неисправностей.
Обмен информацией между отдельными модулями осуществляется через общую магистраль (шину). Системная магистраль микроЭВМ выполняется в виде совокупности шин, используемых для соединения модулей между собой и для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Каждая микроЭВМ имеет четко регламентированный протокол, который определяет, какое устройство и в какой момент времени будет выдавать информацию в шину.
Работа микропроцессора по реализации каждой команды программы пользователя основана на принципе микропрограммного управления. В ходе дешифрации команда разбивается на последовательность элементарных действий. Любое элементарное действие производится при поступлении соответствующего сигнала управления от устройства микропрограммного управления. Частота формирования сигналов управления определяется импульсами от ГТИ (генератора тактовых импульсов).
Элементарные пересылки или преобразования информации, выполняемые в течение одного такта сигналов синхронизации, называются микрооперациями (примеры микроопераций: установка регистра в ноль, запись слова в регистр, сдвиг слова в регистре). Микрооперация – это преобразование информации в каком-либо функциональном узле. Для выполнения микроопераций обычно выделяется один управляющий сигнал. Конкретный состав микроопераций и последовательность их выполнения определяются системой команд микропроцессора.