6. Тактовые генераторы.

Во многих цифровых схемах всё зависит от порядка, в котором выполняются действия. Для обеспечения синхронизации работы цифровых схем используются тактовые генераторы – это схемы, которые вызывают серию импульсов. Все импульсы одинаковы по длительности. Интервалы между последовательными импульсами также одинаковы. Временной интервал между началом одного импульса и началом следующего называется временем такта. Частота импульсов от 1 до 500 МГц (время такта от 1000 нс до 2 нс). Частота тактового генератора обычно контролируется кварцевым генератором.

В компьютере за время одного такта может произойти много событий, если они должны осуществляться в определённом порядке, то такт разделяют на подтакты. Для достижения лучшего разрешения, чем у основного тактового генератора, используется ответвление от задающей линии тактового генератора, которое содержит схему с определенным временем задержки (рис. 2.23, а). Таким образом порождается вторичный сигнал тактового генератора, который сдвинут по фазе относительно первичного сигнала. Временная диаграмма (рис. 2.23, б ) обеспечивает четыре начала отсчета времени для дискретных событий: нарастающие и задние фронты сигналов С1 и С2. Если в пределах одного такта требуется более четырех начал отсчета, то используется несколько ответвлений от задающей линии с различным временем задержки.

C1

C2

Задержка

а)

б)

A

в)

B

C

Рис. 2.23 Тактовый генератор(а); временная диаграммы для тактового генератора (б); порождение асинхронных тактовых импульсов (в), С- асинхронный тактовый импульс

Тактовые генераторы могут быть синхронными. В этом случае время состояния с высоким уровнем равно времени состояния с низким уровнем импульсом. Чтобы получить асинхронную серию импульсов, нужно сдвинуть сигнал задающего генератора, используя цепь задержки. Затем нужно соединить полученный сигнал с изначальным сигналом с помощью логической функции И (рис. 2.23, в, сигнал С).

6. Микросхемы процессоров и шины

   1. Микросхемы процессоров. Цоколевка типичного цп

Основу центрального процессора ВМ составляет микропроцессор -обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к основной памяти и внешним устройствам и для управления ходом вычислительного процесса. В настоящее время существует большое число разновидностей микропроцессоров, различающихся по назначению, функциональными возможностями, структурой, исполнением.

Для работы центральному процессору (ЦП), или микропроцессору (МП), необходимы напряжение питания и тактовые сигналы (импульсы). Генератор тактовых импульсов (ГТИ) может быть отдельным устройством или входить в состав кристалла МП.

Все современные микропроцессоры помещаются на одной микросхеме, что определяет их взаимодействие с остальными частями системы. Каждая микросхема процессора содержит набор выводов, через которые происходит обмен информации с внешним миром.

Выводы микросхемы центрального процессора можно подразделить на три типа: адресные, информационные и управляющие. Эти выводы связаны с соответствующими выводами на микросхемах памяти и микросхемах устройств ввода/вывода (УВВы) через набор параллельных выводов (так называемую шину).

Микропроцессор контролирует все системы и управляет ими посредством линий управления и/или контроля. Адресная шина выбирает ячейку памяти или порты ввода/вывода, представляющие часть интерфейса ввода/вывода. Двунаправленная шина данных служит для передачи данных в центральное устройство обработки информации (ЦП) или из него. ЦП пересылает данные в память или получает их из нее посредством шины данных.

Чтобы вызвать команду, центральный процессор сначала посылает в память адрес этой команды по адресным выводам. Затем по линиям управления посылается сигнал, что требуется процессору (например: прочитать слово). Память выдаёт ответ на информационные выводы процессора и посылает сигнал (по линиям управления), что работа выполнена. Когда центральный процессор получает данный сигнал, он принимает слово и выполняет вызванную команду. Таким образом, ЦП обменивается информацией с памятью и устройствами ввода/вывода, подавая сигналы на выводы и принимая сигналы на входы. Команда может потребовать чтения или записи слов, содержащих данные. В этом случае процесс повторяется для каждого дополнительного слова.

ЦП

Память

Устройства ввода

Устройства вывода

2

2

3

2

3

3

1

1

1

3

2

1

Рис. 2.24 Упрощенная схема обмена сигналами между ЦП и другими узлами ВМ.

На рис.2.24 приведена упрощенная схема обмена сигналами⁵ между ЦП и другими узлами ВМ. Сигналы из ЦП: 1- установка физического адреса устройства, к которому обращается ЦП; 2- команда, которую должно выполнить устройство, информация для записи в Память. Сигналы в ЦП: 3- ответ устройства, в общем случае содержит сигнал о выполнении требуемой команды и информацию, поступающую по шине данных из Памяти. Сигналы в устройства: 1 – физический адрес устройства; 2– команда, которую должно выполнить устройство; 3– информации, поступающая по шине данных. Сигналы из устройства: 3- ответ устройства, информации из шины данных.

Число адресных и число информационных выводов являются ключевыми параметрами, определяющими производительность процессора. Микросхема, содержащая m адресных выводов, может обращаться к 2^m ячейкам памяти (m=16, 20, 32, 65). Микросхема, содержащая n информационных выводов, может считывать или записывать n –битное слово за одну операцию (n=8, 16, 32, 64).

Выводы управления регулируют и синхронизируют поток данных к процессору и от него.

Все процессоры содержат выводы для питания (обычно +1,5в, +3,3в или +5в), «Земли» и синхронизирующего сигнала (меандра). Остальные выводы разнятся от процессора к процессору, однако выводы управления можно разделить на несколько основных категорий:

1. управление шиной. Выводы управления шиной в основном являются выходами из ЦП в шину (т.е. входами в микросхемы памяти и микросхемы УВВы);

2. прерывание. Выводы прерывания – это входы из УВВы в процессор. В большинстве систем процессор может дать сигнал УВВы начать операцию, а затем приступить к какому-нибудь другому действию, пока УВВы выполняет свою работу. Когда УВВы закончит свою работу, контроллер устройства посылает сигнал на один из выводов прерывания, чтобы прервать работу процессора и заставить его обслужить УВВы;

3. арбитраж шин. Выводы разрешения конфликтов (особая микросхема арбитр шин) используется для регулирования потока информации в шине, т.е. не допускают попыток использования шины нескольким устройствами одновременно (в таких случаях ЦП считается устройством);

4. сопроцессор. Некоторые ЦП могут работать с различными сопроцессорами – графическими процессорами, процессорами с плавающей точкой и т.п.;

5. состояние;

6. разное.

Схема типичного центрального процессора, в котором используются эти типы сигналов, изображена на рис.2.25.

Арбитраж шин

Адресация

Типичный

микропроцессор

Прочие

сигналы

Состояние

Сопроцессор

Прерывания

Управление шиной

Данные

Дополнительные выводы:

Синхронизирующий сигнал

+5v Заземление

Рис. 2.25 Цоколевка типичного центрального процессора

2. Характеристики микропроцессоров.

Микропроцессор характеризуется тремя основными параметрами - тактовой частотой, разрядностью, архитектурой, набором команд. Рассмотрим каждую из этих характеристик.

2. Тактовая частота – количество элементарных операций (тактов⁶), выполняемых МП в одну секунду.

Работа МП синхронизируется импульсами тактовой частоты от задающего генератора, выполненного на основе кварцевого резонатора. Чем выше тактовая частота МП, тем, при прочих равных условиях, выше его быстродействие.