Лекция 10. 14.04.2014
Компьютером является процессор и оперативная память. В ОП информация хранится по адресам. Перед системой стоит задача адресации памяти (доступ к любой информации осуществляется по адресу). Данными в системе являются и данные, и команды. Сигналы управления позволяют определить направление передачи информации. Все это необходимо учитывать в архитектуре системы.
Все остальные устройства — периферия, внешние устройства.
Рис. 1 (лист 1) Таннебмаум — структура большой системы Pentium.
Эта архитектура унаследована. Intel реализует задачу выполнения старого ПО на новых системах.
Сообщение процессора с памятью осуществляется по выделенной шине. Эта шина работает на частоте процессора или на части частоты процессора. В современных машинах устанавливается отдельная изолированная шина, которая по-прежнему имеет доступ к основной памяти. Для подключения этой изолированной шины к локальной шине используется контроллер шины-памяти. Отдельная шина памяти — шина, которая имеет собственный тактовый генератор. В результате достигается удешевление системы, так как появляется возможность подключать устройства, работающие на разных частотах. Отдельная шина позволяет абстрагироваться от частоты работы процессора. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) старая шина, работает на частоте 33 МГц. Характеристики этой шины поддерживаются в системе для совместимости.
Реализация доступа к устройствам.
В системе имеется два адресных пространства: адресное пространство оперативной памяти и адресное пространство ввода-вывода. Минимальной адресуемой единицей пространства памяти и пространства ввода-вывода является байт. Отсюда различается I/O mapping и memory mapping. I/O mapping — метод, применяющийся в первую очередь в персональных компьютерах для сопряжения внешних устройств внешних устройств с процессором, архитектурой которого предусмотрены команды ввода-вывода. Согласно этому методу для внешнего устройства выделяется адрес по крайней мере одного из имеющихся в системе портов ввода-вывода. Это предполагает наличие в составе команд команды работы с портами ввода-вывода. В данном случае это команды in<регистр>,<порт> и out<порт>,<регистр>. Memory mapping (mapping — отображение) — способ управления периферийными устройствами, при котором управляющие регистры контроллеров этих устройств рассматриваются как слова памяти, которые могут считываться или записываться с использованием команд работы с памятью. В данном случае — команда move.
Структура контроллера внешнего устройства.
В системе существуют контроллеры и адаптеры, перед ними стоит одна и та же задача — обеспечить взаимодействие процессора с внешним устройством. Контроллер находится в составе устройства, адаптер как правило находится на материнской плате. У каждого контроллера есть несколько регистров, которые позволяют осуществлять взаимодействие контроллера с процессором и получать необходимую для управления внешним устройством информацию.
Схема 2 (лист 2) — Майоров
Данные в системе являются собственно данные и команды, все это передается по шине данных. Как ячейки памяти, так и внешние устройства должны адресоваться в системе. Существует два способа реализации доступа к внешним устройствам, если говорить о io mapping, то каждому управляющему регистру назначается номер порта. Это может быть 8, 16, 32 разрядов в зависимости от необходимости. Номер порта назначается с помощью специальной команды in.
В соответствии с принципом распараллеливания, задачей контроллера является управление внешним устройством, чтобы процессор не выполнял эту работу. Контроллер по шине данных получает команду, которая дешифрируется и контроллер переходит к ее выполнению — управлению внешним устройством.
В наших системах реализована гибридная схема, т. е. имеется как io mapping, так и memory mapping.
Устройства, с которыми работа выполняется с помощью команд работы с памятью: видеоконтроллер (отражение видеобуфера на адресное пространство ОП, осуществляется в первый МБ).
В едином адресном пространстве все модули памяти и устройства ввода-вывода должны изучать все обращения процессора к памяти и внешним устройствам, чтобы определить, на какие следует реагировать. Если имеется общая шина, реализовать такой просмотр не сложно, если каждое устройство проинформировано о диапазоне адресов, на которые должно реагировать. Если имеется выделенная шина, то сложность применения такой схемы заключается в том, что у устройств ввода-вывода нет способа увидеть адреса памяти, поэтому для того, чтобы отображение регистров могло работать в таких системах необходимы специальные меры.
1 способ: все обращения к памяти посылаются по быстрой шине напрямую к памяти, если память не отвечает, то процессор повторяет эти действия еще раз по другим шинам.
2 способ: установка на шину специального устройства, которое следит за передачей адресов потенциально заинтересованным устройствам ввода-вывода
3 способ, реализованный в архитектурах начиная с пентиум: Фильтрация адресов микросхемы моста PCI, которая содержит регистры диапазона, заполняемые при загрузке системы. Например, диапазон адресов от 640 КБ до 1 МБ может быть помечен как не относящийся к памяти, в результате все адреса этого диапазона передаются на шину PCI.