Учебники 80389

ческого ЗУ асинхронным доступом емкостью 256 х 1 бит и временем выборки примерно 1 мкс представлена на рис. 5.7.

Синхронная память обеспечивает доступ к данным не в произвольные моменты времени, а одновременно (синхронно) с тактовыми импульсами. В промежутках между ними память может готовить для доступа следующую порцию данных. В большинстве материнских плат пятого поколения используется разновидность синхронной памяти - синхронно-конвейерная SRAM (Pipelined Burst SRAM), для которой типичное время одиночной операции чтения/записи составляет 3 такта, а групповая операция занимает 3-1-1-1 такта при первом обращении и 1-1-1-1 при последующих обращениях, что обеспечивает ускорение доступа более чем на 25 %.

Рис. 5.7 Пример структуры статического ЗУ (емкостью 2n+m x 1 бит)

SRAM в качестве элементарной ячейки использует так называемый статический триггер (схема которого состоит из нескольких транзисторов). Статический тип памяти обладает более высоким быстродействием и используется, например, для организации кэш-памяти. Рассмотрим разновидности статической памяти.

Async SRAM (Асинхронная статическая память). Это кэш-память, которая используется в течение многих лет с тех пор, как появился первый 386-й компьютер с кэш-памятью второго уровня. Обращение к ней осуществляется быстрее, чем к DRAM, и может, в зависимости от скорости процессора, использовать варианты с 20-, 15или 10-нс доступом (чем меньше время обращения к данным, тем быстрее память и тем короче может быть пакетный доступ к ней). Тем не менее, как видно из названия, эта память является недостаточно быстрой для синхронного доступа, что означает, что при обращении процессора все-таки требуется ожидание, хотя и меньшее, чем при использовании DRAM.

SyncBurst SRAM (Синхронная пакетная статическая память). При частотах шины, не превышающих 66 МГц, синхронная пакетная SRAM является наиболее быстрой из существующих видов памяти. Причина этого в том, что,

111

если процессор работает на не слишком большой частоте, синхронная пакетная SRAM может обеспечить полностью синхронную выдачу данных, что означает отсутствие задержки при пакетном чтении процессором 2-1-1-1, т. е. синхронная пакетная SRAM выдает данные в пакетном цикле 2-1-1-1. Когда частота процессора становится больше 66 МГц, синхронная пакетная SRAM не справляется с нагрузкой и выдает данные пакетами по 3-2-2-2, что существенно медленнее, чем при использовании конвейерной пакетной SRAM. К недостаткам относится и то, что синхронная пакетная SRAM производится меньшим числом компаний и поэтому стоит дороже. Синхронная пакетная SRAM имеетвремяадрес/данныеот8,5 до12 нс.

Существует несколько основных конструктивных особенностей синхронной пакетной SRAM, которые делают ее существенно превосходящей асинхронную SRAM при использовании в качестве высокоскоростной кэш-памяти:

•синхронизация с системным таймером. В простейшем смысле это означает, что все сигналы запускаются от фронта сигнала таймера. Получение сигналов по фронту тактового импульса таймера существенно упрощает создание быстродействующей системы;

•пакетная обработка. Синхронные пакетные SRAM обеспечивают высокое быстродействие при небольшом количестве логических схем, организующих циклическую работу памяти с последовательными адресами. Четырехадресная пакетная последовательность может быть перемежающейся для совместимости с Intel или линейной для PowerPC и остальных систем.

Указанные особенности дают микропроцессору возможность более быстрого доступа к последовательным адресам, чем это можно сделать при других способах использования технологии SRAM.

PB SRAM (Конвейерная пакетная статическая память). Конвейер — это распараллеливание операций SRAM с использованием входных и выходных регистров. Заполнение регистров требует дополнительного начального цикла, но, будучи однажды заполненными, регистры обеспечивают быстрый переход к следующему адресу за то время, пока по текущему адресу считываются данные.

Благодаря этому такая память является наиболее быстрой кэшпамятью для систем с производительностью шины более 75 МГц. РВ SRAM может работать при частоте шины до 133 МГц. Она, кроме того, работает не намного медленнее, чем синхронная пакетная SRAM при использовании в медленных системах: она выдает данные все время пакетами по 3-1-1-1. Насколько высока производительность этой памяти, можно видеть по времени адрес/данные, которое составляет от 4,5 до 8 нс.

1-Т SRAM. Как уже отмечалось ранее, традиционные конструкции SRAM используют статический триггер для запоминания одного разряда (ячейки). Для реализации одной такой схемы на плате должно быть разме-

щено от 4 до 6 транзисторов (4-Т, 6-Т SRAM). Фирма Monolithic System Technology (MoSys) объявила о создании нового типа памяти, в которой каждый разряд реализован на одном транзисторе (1-Т SRAM). Фактически

112

здесь применяется технология DRAM, поскольку приходится осуществлять периодическую регенерацию памяти. Однако интерфейс с памятью выполнен в стандарте SRAM, при этом циклы регенерации скрыты от контроллера памяти. Схемы 1-Т позволяют снизить размер кремниевого кристалла на 50-80 % по сравнению с аналогичными для традиционных SRAM, а потребление электроэнергии - на 75 %.

При увеличении быстродействия шины наиболее экономически эффективной технологией сначала становится асинхронная, затем сквозная синхронная и, наконец, конвейерная синхронная SRAM.

5.4. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM - Read Only Memory, память только для чтения) также строится на основе установленных на материнской плате модулей (кассет) и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS) и т. д.

Запоминающие элементы ПЗУ организованы в виде матрицы на одном кристалле, который, ещё содержит схемы дешифраторов, усилителей возбужденияисчитывания. ТипичнаясхемаорганизацииПЗУизображенанарис.5.8.

К ПЗУ принято относить энергонезависимые постоянные и «полупостоянные» запоминающие устройства, из которых оперативно можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ выполняется вне ПК в лабораторных условиях или при наличии специального программатора - в компьютере. По технологии записи информации можно выделить ПЗУ следующих типов:

•микросхемы, программируемые только при изготовлении - классические или масочные ПЗУ или ROM;

•микросхемы, программируемые однократно в лабораторных условиях - программируемые ПЗУ (ППЗУ) или programmable ROM (PROM);

113

•микросхемы, программируемые многократно - перепрограммируемые ПЗУ или erasable PROM (EPROM). Среди них следует отметить электрически перепрограммируемые микросхемы EEPROM (Electrical Erasable PROM), в том числе флэш-память.

Устанавливаемые на системной плате ПК модули и кассеты ПЗУ имеют емкость, как правило, не превышающую 128 Кбайт. Быстродействие у постоянной памяти меньшее, чем у оперативной, поэтому для повышения производительности содержимое ПЗУ копируется в ОЗУ, и при работе непосредственно используется только эта копия, называемая также теневой памятью

ПЗУ (Shadow ROM).

В настоящее время в ПК используются -«полупостоянные», перепрограммируемые запоминающие устройства - флэш-память. Модули, или карты, флэш-памяти могут устанавливаться прямо в разъемы материнской платы и имеют следующие параметры: емкость до 512 Мбайт (в ПЗУ BIOS используются до 128 Кбайт), время обращения по считыванию 0,035-0,2 мкс, время записи одного байта 2-10 мкс. Флэш-память — энергонезависимое запоминающее устройство. Примером такой памяти может служить память NVRAM

— Non Volatile RAM со скоростью записи 500 Кбайт/с. Обычно для, перезаписи информации необходимо подать на специальный вход флэш-памяти напряжение программирования (12 В), что исключает возможность случайного стирания информации. Перепрограммирование флэш-памяти может выполняться непосредственно с гибкого диска или с клавиатуры ПК при наличии специального контроллера, либо с внешнего программатора, подключаемого к ПК. Флэш-память бывает весьма полезной как для создания весьма быстродействующих, компактных, альтернативных запоминающих устройств — «твердотельных дисков», так и для замены ПЗУ, хранящего программы BIOS, позволяя прямо с «дискеты» обновлять и заменять эти программы на более новые версии при модернизации ПК.

5.5. Логическая организация памяти

Адресное пространство первого PC составляло всего 1 Мбайт, верхние 384 Кбайт которого были зарезервированы для использования самой системой. Размещение зарезервированного пространства в верхней области (между 640 Кбайт и 1 Мбайт) вместо использования нижней области памяти (между 0 и 384 Кбайт) привело к появлению так называемого барьера основной памяти. Постоянная необходимость достижения совместимости системы и периферийного оборудования и сегодня не всегда позволяет разработчикам отступать от стандартной конфигурации первого PC. В новейших системах используется то же распределение памяти, что и в первых компьютерах. Участки (блоки) памяти, используемые в современных компьютерах:

1.основная память (Conventional Memory) памятью с произвольным доступом (Random-Access Memory — RAM) или оперативной памятью.;

2.верхняя память (Upper Memory Area — UMA);

3.область верхних адресов ( High Memory Area — HMA);

4.дополнительная память (eXtended Memory Specification — XMS);

5.расширенная память (Expanded Memory Specification — EMS); явля-

114

ется устаревшей разновидностью;

6.видеопамять (Video RAM Memory); расположена в области верхней памяти;

7.область ROM адаптеров и RAM специального назначения; расположена в области верхней памяти;

8.ROM BIOS; также расположена в области верхней памяти.

Верхняя память (Upper Memory Area — UMA) представляет собой 384

Кбайт, зарезервированных у верхней границы системной памяти для компьютеров класса PC/XT и у верхней границы первого мегабайта памяти для компьютеровAT. АдресаэтойобластинаходятсявпределахотA0000 доFFFFF.

Верхняя память разделена на несколько частей.

Первые 128 Кбайт, расположенные сразу после основной памяти, являются областью видеопамяти и предназначены для использования видеоадаптерами. Когда на экран выводится текст или графика, в этой области хранятся образы изображений. Видеопамять занимает адреса A0000–BFFFF.

Следующие 128 Кбайт отведены для программ BIOS адаптеров, которые записаны в микросхемах ROM на соответствующих платах, установленных в разъемы расширения. Большинство видеоадаптеров VGA и совместимых с ними адаптеров используют для своих программ BIOS первые 32 Кбайт из этой области, а оставшаяся ее часть доступна для других устройств. Некоторые сетевые адаптеры используют эту область в качестве памяти специального назначения. Для ROM адаптеров и специальной памяти отведены адреса C0000–DFFFF.

Оставшиеся 128 Кбайт зарезервированы для системной BIOS, которая записана в микросхемах ROM или RAM. В этой же области хранятся программа POST и начальный системный загрузчик, который управляет компьютером до запуска операционной системы. В большинстве компьютеров используются только последние 64 Кбайт этого пространства (или меньше), а первые 64 Кбайт с помощью программ — диспетчеров памяти могут быть перераспределены для нужд операционной системы. В некоторых системах в этой области также размещена программа Setup CMOS. Для системной BIOS отведены адреса E0000–FFFFF.

Видеоадаптер, установленный в компьютер, использует часть нижней памяти для вывода графики или текстовой информации на дисплей. Обычно это происходит только в основном режиме VGA. Видеоадаптер может иметь память емкостью свыше 64 Мбайт, но эта память используется набором микросхем на видеоадаптере и непосредственно процессору недоступна. Только в основном режиме VGA, например при подсказках DOS или при работе Windows в безопасном режиме, процессор может непосредственно обращаться к видеопамяти емкостью до 128 Кбайт в диапазоне адресов A0000– BFFFFh. Установленный в компьютере видеоадаптер использует часть системной памяти для хранения графической или символьной информации, выводимой на монитор. На некоторых платах видеоадаптеров, например VGA, содержатся собственные BIOS, которые размещаются в области системной памяти, зарезервированной именно для таких адаптеров. Чем выше разрешающая способность и возможности цветопередачи адаптера, тем больше ему требуется системной памяти. На платах большинства адаптеров VGA

115

или SVGA устанавливается дополнительная микросхема RAM для хранения выводимой информации и ускорения регенерации экрана. В некоторых современных компьютерах видеоадаптер встроен в системную плату. В таких компьютерах BIOS видеоадаптера и системная BIOS всегда эмулируют стандартный режим VGA, даже если они разработаны одной фирмой. Это означает, что BIOS видеоадаптера располагается в первых 32 Кбайт сегмента C000, как и у автономной платы VGA, установленной в слоте расширения.

За областью видеопамяти начиная с сегмента С000 следует 128 Кбайт верхней памяти, зарезервированных для специальных программ или BIOS адаптеров, которые установлены в разъемы на системной плате. Программы BIOS “зашиты” в специальные микросхемы ROM на платах адаптеров. В область памяти микросхем ROM записываются программы, которые не должны изменяться в процессе эксплуатации системы. Такой способ хранения программ используется в графических платах, контроллерах жестких дисков, коммуникационных платах и платах дополнительной памяти. Некоторые производители используют микросхемы EEPROM, данные в которых можно обновлять. Обновления микропрограмм поставляются производителем устройства.

В системах на базе процессора 386 и последующих с помощью программ - диспетчеров памяти в незанятые участки верхней памяти можно загружать драйверы устройств и резидентные программы. С помощью этих BIOS работает технология Plug and Play - операционная система Windows считывает информацию об устройстве и автоматически устанавливает необходимые драйверы.

Последние 128 Кбайт зарезервированной памяти используются для системнойBIOS, котораязаписанав микросхемах ROM. Впроцессе загрузки программы BIOS управляют компьютером, а во время обычной работы служат драйверами компонентов системы. Поскольку эти программы должны быть доступнысразупослевключениякомпьютера, ихнельзязагружатьсдиска.

Дополнительная (extended) память. Процессор 286 и последующие могут использовать память объемом более 1 Мбайт. В компьютерах с процессорами 286 и 386SX объем оперативной памяти может достигать 16

Мбайт, а с процессорами 386DX, 486, Pentium или Pentium MMX — 4 Гбайт

(4 096 Мбайт). Для систем на базе процессоров Pentium II и выше максимальный объем памяти составляет 64 Гбайт (65 536 Мбайт). Для адресации памяти за пределами первого мегабайта процессор должен работать в защищенном режиме (естественном для новых процессоров). В компьютерах с процессором 286 дополнительную память могут использовать только программы, предназначенные для работы в защищенном режиме. Однако в системах на основе процессоров 386 и последующих существует еще один режим, называемый виртуальным. Этот режим позволяет разбить дополнительную память на блоки по 1 Мбайт (каждый из которых используется для работы в своем реальном режиме) и одновременно выполнять несколько программ в защищенных областях памяти. Каждая из выполняющихся DOSпрограмм одновременно ограничивается барьером 640 Кбайт, поскольку в каждой области моделируется среда реального режима со своими экземплярами BIOS и области верхней памяти. Для одновременного выполнения не-

116

скольких программ в виртуальном режиме (называемом иногда многозадачным) необходима специальная программа, координирующая их работу.

Такими функциональными возможностями обладают операционные системы Windows 9х, Windows NT и OS/2. Процессоры 286 и последующие могут работать и в реальном режиме, в котором обеспечивается полная совместимость компьютеров класса PC/XT с процессором 8088. В реальном режиме на компьютере класса AT можно выполнять только одну программу DOS, как и на компьютере класса PC/XT. Но на самом деле компьютеры класса AT (особенно с процессорами 386, 486, Pentium и P6) в реальном режиме функционируют несколько иначе. Процессор 286 может эмулировать 8086 или 8088, но не может одновременно работать в защищенном режиме. Процессоры 386 и выше поддерживают виртуальный режим одновременно с защищенным. Это позволяет выполнять программы в реальном режиме под управлением операционных систем Windows 9х, Windows NT, Windows 2000

и OS/2, функционирующих в защищенном режиме.

Спецификация дополнительной памяти XMS (eXtended Memory Specification) была разработана в 1987 году компаниями Microsoft, Intel, AST Corp. и Lotus Development. Она определяет способ, с помощью которого программы получают доступ к дополнительной памяти. Эта спецификация предназначена для компьютеров с процессорами 286 и последующими и позволяет программам, работающим в реальном режиме (например, выполняемым под управлением DOS), использовать дополнительную память и еще один блок, обычно недоступный для DOS.

До появления XMS не было способа координации работы программ, которые переключали процессор в защищенный режим и использовали дополнительную память. Ни одна из программ не могла узнать, что делает с дополнительной памятью другая, поскольку она не “видела” этой памяти из своего реального режима. Главным арбитром стал драйвер Himem.sys. Сначала он забирает всю дополнительную память в свое распоряжение, а затем выделяет ее программам, соблюдающим протокол XMS. Благодаря этому некоторые программы, использующие XMS-память, могут работать под управлением DOS одновременно на одном компьютере, периодически переключая процессор в защищенный режим для получения доступа к памяти. Протокол XMS запрещает программе доступ к той области памяти, которая используется другой программой. Поскольку среда Windows 3.х является диспетчером программ, который при одновременном выполнении нескольких программ переключает процессор в защищенный режим и обратно, для функционирования Windows требуется XMS-память. Windows 95 в основном работает в защищенном режиме, однако переключается в реальный режим для получения доступа к системным ресурсам. Windows NT, Windows 2000 и OS/2 — операционные системы, работающие исключительно в защищенном режиме. Организовать дополнительную память по спецификации XMS можно, загрузив соответствующий драйвер в файле Config.sys. Наиболее распространенной является программа Himem.sys, которая входит в состав Windows и последних версий DOS (в том числе и DOS 6). Существуют и другие диспетчеры памяти, например QEMM, которые также загружаются как драйверы из файла Config.sys и организуют дополнительную память в соответствии со

117

спецификацией XMS. Операционные системы Windows 9х и Windows NT/2000 при переключении в режим MS DOS автоматически предоставляют дополнительную память по спецификации XMS.

5.6. Адресация памяти в ЭВМ

Адресация данных и сегментов программ в памяти значительно отличается в разных ЭВМ. Проблема заключается в обеспечении возможности адресации любого места без использования всех разрядов адресной части команды, которые теоретически необходимы для адресации. Прямая адресация памяти привела бы к увеличению программы из-за команд, содержащих много слов. В ЭВМ используется то обстоятельство, что большинство данных и сегментов программы в памяти находится достаточно близко от выбираемой команды (в пределах одной страницы памяти).

В течение времени выборки счетчик команд, как правило, прямо адресует ячейку памяти в ЗУ. Для адресации в ЭВМ применяются следующие основные способы и их модификации:

Прямая адресация. При этом способе адресации, адресная часть команды непосредственно определяет исполнительный адрес операнда в памяти. Такая адресация является простой, однако невыгодной из-за необходимости достаточно длинного командного слова.

Относительная адресация. При относительной адресации обеспечивается сокращение разрядности адресной части команды, так как адресная часть представляет собой относительный адрес по отношению к содержимому определенного регистра процессора. В качестве такого регистра чаще всего выступает счетчик команд. Часть адреса команды, которая при такой адресации называется смещением, прибавляется к содержимому счетчика команд; в результатеобразуетсяисполнительный(действительный) адресоперанда.

Другими словами, адресная часть команды соответствует разности адресов операнда и базового, задаваемых содержимым счетчика команд. При использовании 8-разрядного смещения можно охватить до 256 соседних адресов памяти.

Относительная адресация является удобным средством при записи программ, поскольку при их перемещении в памяти отсутствует необходимость изменять коды команд, ее выгодно также применять при организации выборки наиболее часто используемых подпрограмм, которые хранятся во внешней памяти. При прямой адресации при каждом обращении к подпрограмме (т. е. при ее перемещении в оперативную память) надо было бы разместить ее в те же самые адреса оперативной памяти. При относительной адресации требуемую подпрограмму можно разместить произвольно с учетом содержимого счетчика команд.

Индексная адресация (называемая иногда адресацией с индексированием) подобна прямой адресации, однако в адресной части команды содержится только часть адреса. Другие разряды, необходимые для адресации, расположены в одном или нескольких регистрах, которые являются составной частью арифметико-логического устройства. Эти регистры называются индексными регистрами. Как правило, они содержат адресную

118

часть команды, относящуюся к самым младшим двоичным разрядам исполнительного адреса. Следует отметить также, что индексной адресацией часто обозначают и относительную адресацию, при которой базовым регистром является индексный регистр (вместо счетчика команд).

Регистровая адресация - это, по существу, индексная адресация без возможности суммирования (или совмещения) адресной части команды, т. е. адресавпамятиопределяютсясодержимымнекоторыхрегистроварифметикологического устройства. В связи с тем, что количество таких регистров бывает относительно небольшим, для их выборки требуется малое число разрядов в команде.

Косвенная адресация выполняется как прямая адресация, однако слово, полученноеизпамяти, представляет собойнеоперанд, аадрестребуемогооперанда.

Косвенная регистровая адресация представляет собой комбинацию ре-

гистровой и относительной адресаций. Команда задает адрес регистра и смещение. Адрес ячейки памяти определяется содержимым выбранного регистра и смещения. Данный способ адресации обеспечивает возможность применения небольшого числа разрядов в адресной части команды. В некоторых 4- и 8-разрядных микро-ЭВМ используется только такой способ адресации, что может вызвать некоторые трудности припрограммировании, если необходимо задатьадресизолированногоотдельногословавпамяти.

Адресация по указателю является вариантом комбинации регистровой и косвенной адресаций. После каждой операции содержимое индексного регистра увеличивается на 1; при таком способе адресации одна и та же команда обращения к памяти может использоваться для адресации всех слов исполнительной команды. Адрес в командном слове является косвенным, и в рассматриваемом случае адрес 0100 определяет содержимое, равное 1001. К этому содержимому добавляется значение, хранимое в индексном регистре, т. е. 10, в результате чего образуется исполнительный адрес 1011. После завершенной операции содержимое индексного регистра увеличивается на 1, т. е. становится равным 11, и следующий исполнительный адрес будет 1100. Последующее содержимое индексного регистра получится нулевым. Это значение содержимогорегистраможетбытьиспользованодляобразованияцикла.

Страничная адресация. Это определенная разновидность относительной адресации. Здесь учитывается то обстоятельство, что большинство слов, выбираемых из памяти, сосредоточено в одной и той же части памяти. Поэтому память с точки зрения адресации разделена на несколько частей, которые называют страницами. Одна страница может содержать, например, 256 ячеек памяти. Заданная (основная) страница может быть обозначена в начале программы. Адрес слова в памяти при прямой адресации.

Непосредственная адресация, в сущности, не является способом адресации, поскольку в разрядах адресной части команды содержится непосредственно операнд. Непосредственная адресация удобна при записи постоянных величин в регистр.

Следует отметить, что терминология способов адресации в ЭВМ не является достаточно общепринятой, устойчивой. Прямая адресация иногда называется абсолютной и распространяется на первую страницу памяти.

119

Под расширенной адресацией часто подразумевается прямая адресация. Индексная адресация иногда обозначается как регистровая адресация.

Исходя из экономических факторов и технической сложности большинство приведенных способов адресации не применяется у одного и того же типа ЭВМ. Очевидно, что наличие удобных способов адресации является первоочередным требованием для организации возможности качественного программирования на ЭВМ

Глава 6. Интерфейсы

Связь устройств автоматизированных систем друг с другом осуществляется с помощью средств сопряжения, которые называются интерфейсами. Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.

Другими словами, интерфейс это не просто набор проводников для связи между устройствами, а целый комплекс технических средств. На практике используются в основном унифицированные интерфейсы — унифицированный по составу и назначению набор линий и шин, унифицированные сигналы и алгоритмы (протоколы) обмена, унифицированные конструктивные характеристики.

Более строгое определение стандартного интерфейса — совокупность унифицированных технических, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов в автоматических системах обработки информации при условиях, предписанных стандартом и направленных на обеспечение информационной, электрическойиконструктивнойсовместимостиуказанныхэлементов.

6.1. Классификация интерфейсов

Выделяют следующие основные классификационные признаки:

•способ соединения компонентов (магистральный, радиальный, цепочный, комбинированный);

•способ передачи информации (параллельны, последовательный, параллельно-последовательный);

•принцип обмена информацией (синхронный, асинхронный);

•режим передачи информации (односторонняя, двухсторонняя, двухсторонняя поочередная).

В соответствии с функциональным назначением интерфейсы можно поделить на следующие основные классы:

•системные интерфейсы ЭВМ;

•интерфейсы периферийного оборудования (общего назначения и специализированные);

•программно-управляемых модульных систем и приборов;

•интерфейсы сетей передачи данных и др.

120