4. Канальная и шинная организация

Шинная организация

Все устройства симметрично подсоединяются к одному каналу, называемому общей шиной. Симмет­рия подключения гарантирует свободное подключение новых устройств, т.е. система имеет теоретически неограниченное развитие. Некоторые узлы могут иметь специфические свойства, например процессор, опера­тивная память, внешние накопители данных.

Между узлами организуется обмен информацией. Так как потоки информации ограничены возможно­стями одного канала, эта схема имеет принципиальные ограничения скорости работ.

Шинная организация является простейшей формой организации компьютера. Компьютер имеет в своем составе следующие функциональные блоки: центральный процессор, память, устройства ввода-вывода.

Центральный процессор – функциональная часть компьютера, выполняющая основные операции по обработке данных и управлению работой других блоков. Состоит из следующих взаимосвязанных составных элементов: арифметико-логического устройства, устройства управления и регистров.

Регистр – устройство, предназначенное для промежуточного хранения двоичной информации в процессе выполнения вычислительных операций, а также для их преобразования.

Оперативная память (ОП) – функциональный блок, хранящий информацию для устройства управления (УУ) – команды и арифметико-логического устройства (АЛУ) – данные.

Основные информационные и временные свойства запоминающих устройств:

Информационная емкость – максимально возможный объем хранимой информации.

Время доступа – временной интервал, определяемый от момента, когда процессор выставил на адресной шине адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

Время записи – интервал времени, необходимый для перезаписи содержимого шины данных в связанную с ней ячейку памяти.

Этапы функционирования:

I. Инициализация. После включения компьютера в регистры центрального процессора заносятся некоторые начальные значения (исполняемая программа). Программному счетчику присваивается адрес первой команды исполняемой программы.

II. Центральный процессор производит операцию считывания команды из памяти. В качестве адреса ячейки памяти используется содержимое программного счетчика.

III. Содержимое считанной ячейки памяти интерпретируется процессором как команда и помещается в регистр команды. Устройство управления приступает к интерпретации прочитанной команды. По полю кода операции из прочитанного первого машинного слова команды устройство управления определяет длину операции и, если это необходимо, организует дополнительные такты считывания, пока вся команда полностью не будет прочитана процессором. Вычисленная длина команды прибавляется к исходному содержимому программного счетчика, и когда команда полностью прочитана, программный счетчик будет хранить адрес следующей команды.

IV. По адресным полям команды устройство управления определяет, имеет ли команда операнды в памяти. Если это так, то на основе указанных в адресных полях режимов адресации вычисляются адреса операндов и производятся операции чтения памяти для считывания операндов.

V. Устройство управления и арифметико-логическое устройство выполняют операцию, указанную в поле кода операции команды. Во флаговом регистре процессора запоминаются признаки результата операции (равно нулю или нет, знак результата, наличие переполнения и т.д.).

VI. Если это необходимо, устройство управления выполняет операции записи для того, чтобы поместить результат выполнения команды в память.

Если последняя команда не была командой ОСТАНОВИТЬ ПРОЦЕССОР, то последовательность действий повторяется, начиная с шага I.

Описанная последовательность действий центрального процессора с шага 1 до шага 6 называется циклом процессора.

Функционирование любого компьютера, созданного по архитектуре фон Неймана, описывается алгоритмом, близким к приведенным выше, и представляет собой последовательность достаточно простых действий.

Канальная организация

В ЭВМ с канальной организацией процессор освобожден от организации ввода-вывода. Канал представляет собой специализированный процессор, который выполняет канальную программу, состоящую из канальных команд, загружаемых операционной системой и хранящихся в оперативной памяти. Управление контроллерами внешних устройств и обмен данными осуществляется каналом. Наличие нескольких трактов передачи данных повышает скорость обмена. Все это дает возможность производить обмен данными с внешними устройствами параллельно с основной вычислительной работой центрального процессора. Одной из первых машин с каналами была ЭВМ второго поколения IBM-704, а также машины семейства IBM-360/370.

4.2.1 Каналы

Помимо уже знакомого набора устройств (центральный процессор, память, устройства ввода-вывода) в состав ЭВМ с канальной организацией входят устройства, называемые каналами. Канал — это специализированный процессор, осуществляющий всю работу по управлению контроллерами внешних устройств и обмену данными между основной памятью и внешними устройствами. Устройства группируются по характерной скорости и подключаются к соответствующим каналам. «Быстрые» устройства (например, накопители на магнитных дисках) подсоединяются к селекторным каналам. Такое устройство получает селекторный канал в монопольное использование на все время выполнения операции обмена данными.

«Медленные» устройства подключаются к мультиплексным каналам. Мультиплексный канал разделяется (мультиплексируется) между несколькими устройствам, при этом возможен одновременный обмен данными с несколькими устройствами. Доступ к оперативной памяти может получить и центральный процессор, и один из каналов. Для управления очередностью доступа имеется контроллер оперативной памяти. Он определяет приоритетную дисциплину доступа при одновременном обращении нескольких устройств к памяти. Наименьший приоритет имеет центральный процессор. Среди каналов больший приоритет имеют медленные каналы. Таким образом, приоритет обратно пропорционален частоте обращения устройств к памяти. За счет существенного усложнения организации ЭВМ упрощается архитектура ввода-вывода. Связь между отдельными узлами осуществляется по схеме, напоминающей треугольник. Операции обмена данными становятся более простыми. Канал, по сути, представляет собой специализированный «интеллектуальный» контроллер прямого доступа к оперативной памяти. Для ускорения обмена данными реализованы несколько трактов обмена данными (процессор — основная память и каналы — основная память). О своем состоянии канал может информировать процессор с помощью прерываний. Все контроллеры внешних устройств подключаются к «своим» каналам с помощью стандартного интерфейса. Свобода подключения внешних устройств сохраняется благодаря стандартному протоколу интерфейса, при этом появляется возможность группировать устройства по характеристикам. Результатом введения каналов (специализированных процессоров ввода-вывода) является большая стандартизация и упрощение процессов обмена. С другой стороны, вводятся некоторые ограничения. Например, сохраняется только одна схема, напоминающая схему прямого доступа, с обменом информации между процессором и каналом по прерываниям.