Архитектура и логика функционирования ЭВМ. Работа с принципиальными электрическими схемами. Методические указания к практическим работам по дисциплина
.pdf2052
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Липецкий государственный технический университет"
Кафедра автоматизированных систем управления
О. В. Болдырихин
Архитектура и логика функционирования ЭВМ. Работа с принципиальными электрическими схемами
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к практическим работам
по дисциплинам "Организация ЭВМ" и "Архитектура вычислительных систем"
Липецк Издательство ЛГТУ
2011
УДК 681.3.06(07)
Б791
Рецензент: к.т.н. Назаркин О. А.
Болдырихин, О. В.
Б791 Архитектура и логика функционирования ЭВМ. Работа с принципиальными электрическими схемами: методические указания к практическим работам по дисциплинам "Организация ЭВМ" и "Архитектура вычислительных систем" [Текст] / О. В. Болдырихин. - Липецк : Издательство ЛГТУ, 2011. - 32 с.
Предлагаемые методические указания направлены на изучение аппаратных аспектов устройства и функционирования ЭВМ на основе работы с их принципиальными электрическими схемами.
Предназначены для студентов направления "Информатика и вычислительная техника", специальностей "Автоматизированные системы обработки информации и управления", "Математическое обеспечение и администрирование информационных систем" и родственных специальностей.
© Издательство Липецкого государственного технического университета, 2011
2
Содержание |
|
Цель работы и рассматриваемые вопросы................................................................ |
4 |
Теоретическая информация........................................................................................ |
5 |
Общая структура ЭВМ ........................................................................................... |
5 |
Схема общей структуры ЭВМ ........................................................................... |
5 |
Порты и контроллеры ввода-вывода. Дешифраторы. Ресурсы ...................... |
8 |
Множество выводов и сигналов процессора ........................................................ |
9 |
Классификация выводов процессора ................................................................ |
9 |
Назначение выводов процессора i8080 ............................................................. |
9 |
Формат байта состояния и типы машинного цикла процессора i8080........ |
12 |
Интерфейс процессора с памятью ....................................................................... |
13 |
Интерфейс процессора с ПЗУ .......................................................................... |
13 |
Интерфейс процессора с ОЗУ .......................................................................... |
14 |
Интерфейс процессора с матричным ОЗУ ..................................................... |
15 |
Взаимодействие процессора с устройствами ввода-вывода. Логика |
|
формирования управляющих сигналов ЭВМ..................................................... |
15 |
Формирование управляющих сигналов в ЭВМ как логических функций |
|
атомарных сигналов .......................................................................................... |
15 |
Формирование сигнала записи (WR#) параллельного порта ....................... |
16 |
Формирование сигнала выбора микросхемы (CS#). Дешифрация адреса .. |
18 |
Порядок выполнения работы ................................................................................... |
21 |
Содержание отчета .................................................................................................... |
22 |
Варианты .................................................................................................................... |
22 |
Контрольные вопросы............................................................................................... |
24 |
Пример выполнения работы..................................................................................... |
25 |
Библиографический список...................................................................................... |
32 |
3
Рецензия на методические указания О. В. Болдырихина "Архитектура и логика функционирования ЭВМ. Работа с принципиальными
электрическими схемами" к практическим работам по дисциплинам "Организация ЭВМ" и "Архитектура вычислительных систем"
Предлагаемые методические указания направлены на изучение аппаратных аспектов устройства и функционирования ЭВМ на основе работы с их принципиальными электрическими схемами.
Они органически дополняют методические указания к лабораторным работам, в которых акцент делается на программной части ЭВМ.
Всовокупности они позволяют студентам увидеть полную картину и понять, как в ЭВМ соединяются и взаимодействуют программная и аппаратная части.
Вметодических указаниях приведена вся необходимая для выполнения работы информация: теоретическая часть, порядок и пример выполнения работы, содержание отчета, список контрольных вопросов. Они соответствуют рассматриваемым вопросам, но ответ на них не предполагает механического воспроизведения соответствующего блока из раздела "Теоретическая информация". Они контролируют именно степень понимания студентом данного блока
истимулируют, таким образом, вдумчивую и творческую работу студентов.
Вцелом методические указания представляют полезную методическую разработку и могут быть рекомендованы к изданию.
Доцент кафедры АСУ, к. т. н |
О. А. Назаркин |
4
Цель работы и рассматриваемые вопросы
Цель работы — изучение общей архитектуры ЭВМ, основных типов эле-
ментов ЭВМ, принципов формирования шин данных, адреса и управления, ло-
гики формирования управляющих сигналов, адресов памяти и портов ввода-
вывода.
Рассматриваемые вопросы:
1.Общая архитектура ЭВМ. Основные типы элементов и связей.
2.Дополнительные и интерфейсные элементы ЭВМ.
3.Ресурсы.
4.Выводы и сигналы процессора.
5.Интерфейс процессора с запоминающими устройствами.
6.Интерфейс процессора с устройствами ввода-вывода.
7.Логические функции сигналов.
8.Формирование границ адресного пространства памяти и портов ввода-
вывода (дешифрация адреса).
Теоретическая информация
Общая структура ЭВМ
Схема общей структуры ЭВМ
ЭВМ в укрупненном виде представляется архитектурой фон Неймана
(рис.1).
В соответствии с принципами архитектуры фон Неймана в состав ЭВМ входит три типа основных устройств:
1. Процессор — совокупность устройства управления (УУ) и арифметико-
логического устройства (АЛУ).
2. Память (запоминающее устройство, ЗУ).
5
3. Устройства ввода и вывода (УВВ).
Рис.1. Архитектура фон Неймана
Устройства ввода-вывода называются также внешними или периферий-
ными устройствами.
Устройства ЭВМ связаны между собой посредством сигнальных линий,
главные из которых представлены на более детальной схеме структуры ЭВМ
(рис.2). По назначению выделяется три типа сигналов в ЭВМ: данных, адреса и управления. Однотипные сигнальные линии объединяются в соответствующие шины.
Ширина шины данных определяет максимальный размер операндов, ко-
торыми процессор может обмениваться с памятью или устройствами ввода-
вывода за один раз (один цикл шины, одну транзакцию), если они, конечно, не накладывают дополнительных ограничений.
Ширина шины адреса определяет размер адресного пространства:
AS = 2ABW,
где AS (Address Space) — размер адресного пространства;
ABW (Address Bus Wide) — ширина адресной шины.
6
Рис.2. Схема общей структуры ЭВМ
Здесь:
—ЦП — центральный процессор (СРU, Central Processing Unit);
—ШФ — шинный формирователь (в самом широком смысле этого слова);
—ЗУ — запоминающее устройство (M, Memory);
—ОЗУ — оперативное запоминающее устройство (RAM, Random Access
Memory);
—ПЗУ — постоянное запоминающее устройство (ROM, Read Only Memory);
—В/В — ввод/вывод (I/O, Input/Output);
—ВУ — внешнее устройство (устройство ввода-вывода), например, клавиату-
ра, дисплей, датчики, исполнительные механизмы и т.п.;
—ША — шина адреса (AB, Address Bus);
—ШД — шина данных (DB, Data Bus);
—ШУ — шина управления (CB, Control Bus);
—ЧТЗУ (ВУ) — чтение ЗУ (ВУ) (R, RD — Read, RC — Receive);
—ЗПЗУ (ВУ) — запись ЗУ (ВУ) (W, WR — Write, TR — Transmit);
—ВМ — выбор микросхемы (CS, Crystal Select).
7
Порты и контроллеры ввода-вывода. Дешифраторы. Ресурсы
На общей схеме ЭВМ помимо основных устройств показаны интер-
фейсные (порт ввода-вывода) и дополнительные устройства (дешифратор)
ЭВМ.
Устройства ввода-вывода связаны с системой посредством портов, кото-
рые представляют собой регистры или их совокупности.
Многие устройства ввода-вывода работают под управлением специально-
го устройства — контроллера (адаптера). Например, выводом информации на монитор управляет видеоадаптер. Вводом информации с клавиатуры управляет контроллер клавиатуры. В таких случаях порты ввода-вывода находятся в соот-
ветствующих контроллерах.
Контроллеры устройств ввода-вывода помимо регистров могут иметь в своем составе память, которая может занимать часть адресного пространства процессора. Регистры устройств ввода-вывода также могут отображаться на ос-
новное адресное пространство.
В состав ЭВМ могут входить контроллеры, которые управляют работой нескольких устройств ввода-вывода, например, контроллер прерываний и кон-
троллер прямого доступа к памяти. С их помощью связанным с ними устрой-
ствам ввода-вывода назначаются номера прерываний и каналов прямого досту-
па к памяти.
Дешифратор (DC, Decoder) служит для определения (выбора) того устройства, к которому обращается процессор для приема или передачи ин-
формации. Номера портов и диапазоны адресов памяти устанавливаются имен-
но с помощью дешифраторов. Адрес, выдаваемый процессором, разбивается на две части. Старшая часть поступает на дешифратор и адресует одно из устройств ЭВМ: ПЗУ, ОЗУ, конкретное УВВ. Младшая часть поступает непо-
средственно на устройство и адресует конкретную ячейку памяти, регистр или порт ввода-вывода.
8
Номера портов, диапазоны адресного пространства, номера прерываний и каналов прямого доступа в совокупности называются ресурсами, выделяемыми в ЭВМ различным устройствам.
Множество выводов и сигналов процессора
Классификация выводов процессора
Выводы процессора можно классифицировать следующим образом:
1.Информация (сигналы) или энергия (питание).
2.По типу шины системы: данные, адрес, управление.
3.По направлению передачи информации (сигналов): входы, выходы, двуна-
правленные.
4. Для выходных выводов количество состояний: два (0 или 1) или три (0, 1, Z
(высокое сопротивление)). Состояние высокого сопротивления означает про-
сто отключение вывода от шины, что требуется для исключения возможно-
сти конфликта уровней сигналов при объединении различных устройств по выходам.
Назначение выводов процессора i8080
Принципиальное представление о том, посредством каких сигналов про-
цессор взаимодействует со своим окружением, можно получить из описания классических процессоров i8080 и i8086.
Полное представление о сигналах процессора можно получить, посмот-
рев, как менялось множество входных-выходных сигналов в процессорах Intel.
9
Рис.3. Условное графическое обозначение процессора i8080
Процессор i8080 имеет сорок выводов (тип корпуса — DIP-40).
Назначение выводов процессора i8080 (рис.3) таково:
—Питание:
—UCC1, UCC2, UIO — +5В, +12В, -5В соответственно.
—GND (Ground) — земля.
—Входы-выходы:
—D0-D7 — данные. Принимаемые данные интерпретируются процессо-
ром в зависимости от машинного цикла и кода операции выполняемой команды. В первом машинном цикле любой команды данные интерпре-
тируются как код операции команды. Данные, принимаемые в следую-
щих циклах, воспринимаются как операнды или адреса операндов в памя-
ти или внешних устройствах. При этом надо учесть, что операнды в силу специфики действия, выполняемого командой, тоже могут быть адреса-
ми. Такими командами являются, например, команды перехода. Переда-
10