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.

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.

На рис.2.24 приведена упрощенная схема обмена сигналами⁹ 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.

2. Характеристики микропроцессоров.

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

1. Тактовая частота – количество элементарных операций (тактов¹⁰), 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.

2. Разрядность.

Разрядностью МП называют максимальное количество разрядов двоичного кода, которое может обрабатываться или передаваться одновременно.

Понятие разрядности включает:

• разрядность внутренних регистров (внутренняя длина слова);

• разрядность шины данных (от неё зависит скорость передачи информации между МП и другими устройствами);

• разрядность шины адреса (определяет адресное пространство МП).

Рассмотрим разрядность внутренних регистров:

• 8-ми разрядные МП используют последовательный принцип выполнения команд, при котором каждая очередная операция начинается только после выполнения предыдущей;

• в некоторых 16-ти разрядных МП используется параллельный принцип обработки, при котором устройство управления одновременно с выполнением текущей команды производит предварительную выборку и хранение последующих команд;

• в МП с 32-х разрядной архитектурой используется конвейерный метод выполнения команд, при котором несколько внутренних устройств МП работают параллельно, производя одновременно обработку нескольких последовательных команд.