Аппаратные средства вычислительной техники. Ч.1. Лабораторный практикум

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Вычислительная техника»

Н.В. ЕФИМУШКИНА, С.П. ОРЛОВ, С.А. ФЕДОСОВ

АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Часть 1

Лабораторный практикум

Самара Самарский государственный технический университет

2018

1

3

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторный практикум предназначен для изучения аппаратных средств вычислительной техники и организации вычислительных машин и систем. Первая часть содержит девять лабораторных работ. В основе работ лежат программные имитационные модели. Первые пять лабораторных работ имитируют процессы передачи данных в подсистеме ввода-вывода компьютера. Следующие четыре работы позволяют изучать функционирование конвейеров микропроцессоров

иисследовать конфликты, возникающие в конвейерных системах.

Вприложении приведены общие рекомендации по выполнению работ и оформлению отчетов.

Методическая часть для каждой лабораторной работы содержит краткую теорию, знание которой необходимо для понимания выполняемого имитационного эксперимента. Теоретический материал базируется на содержании учебных пособий С.П. Орлова и Н.В. Ефимушкиной [1, 2, 3]. В лабораторном практикуме развивается использование имитационных программных моделей, разработанных авторами для дисциплины «ЭВМ и периферийные устройства» в 2010– 2015 годах на кафедре «Вычислительная техника» [4].

4

Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДСИСТЕМЫ ВВОДА-ВЫВОДА

ДАННЫХ КОМПЬЮТЕРА В ОДНОПРОГРАММНОМ РЕЖИМЕ

Краткая теория

Цель работы. Изучение принципов выполнения операции вводавывода данных в современных компьютерах, работающих в однопрограммном режиме, с помощью простейшей имитационной модели.

Классическая архитектура ЭВМ, построенная по принципу фон Неймана, содержит следующие основные блоки:

−арифметико-логическое устройство (АЛУ);

−управляющее устройство (УУ);

−внешнее запоминающее устройство (ВЗУ);

−оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

−устройства ввода и вывода информации (УВВ).

Такая структура использовалась в ЭВМ первых поколений. Позже стала применяться шинная архитектура, которая использует общую шину (магистраль) для связи между отдельными функциональными узлами. Шина состоит из трех частей:

−шина данных, по которой передается информация;

−шина адреса, определяющая, куда передаются данные;

−шина управления, регулирующая процесс обмена информацией. Для современных процессоров выпускаются наборы микросхем

окружения – чипсеты (chipset). Чипсет проектируют вместе с процессором с целью максимального использования его возможностей. Его основная функция – управление обменом данных через шины между основными устройствами компьютера. Чипсет устанавливается на материнской плате и содержит набор контроллеров, связывающих центральный процессор, память, видеоадаптеры и другие периферийные устройства.

Чипсет поддерживает:

− процессоры определенной модели конкретной фирмы;

5

−шины процессоров;

−память SDRAM;

−шины видеоадаптера;

−клавиатуру и мышь;

−последовательные и параллельные порты для подключения периферийных устройств;

−порты подключения сетевых карт;

−устройства шины PCI.

Современные чипсеты представляют собой контроллерконцентратор (Hub) и содержат три микросхемы [1]:

−North Bridge – северный мост;

−South Bridge – южный мост;

−Firmware Hub (FWH) – микросхема BIOS (базовая система вводавывода).

Северный мост GMCH (Graphic & Memory Controller Hub) – это микросхема, которая управляет обменом данных между оперативной

икэш-памятью, а также между процессором и графической подсистемой (видеокарты и монитор). Связь осуществляется через параллельную системную шину FSB (Front Side Bus) или высокоскоростные последовательные шины QPI и HyperTransport.

Микросхема южного моста чипсета ICH (Input-Output Controller Hub) содержит набор контроллеров, управляющих обменом данными с устройствами ввода-вывода и внешними запоминающими устройствами, такими как жесткие магнитные и оптические диски.

Все микросхемы связаны между собой высокоскоростной магистралью. Структурная схема компьютера с чипсетом приведена на рис. 1.1.

Влюбом компьютере выполняются два основных процесса:

−процессорная обработка,

−ввод-вывод информации.

Последний процесс обеспечивает связь компьютера с внешним миром. Без него ЭВМ становится никому не нужным устройством.

6

Эффективность современных компьютеров во многом определяется структурой и возможностями их подсистемы ввода-вывода. За время эволюции ЭВМ эта подсистема претерпела наибольшие изменения, благодаря расширению сферы применения компьютеров и появлению новых внешних устройств (ВУ) [2].

Рис. 1.1. Компьютерная система с чипсетом

Подсистема ввода-вывода включает в себя широкое разнообразие так называемых периферийных устройств. Они различаются скоростью обмена информацией, режимом работы, объемом, формой передаваемой информации и пр. ВУ принято подразделять на три основных класса устройств:

7

1)ввод (мышь, клавиатура, сенсорный экран, микрофон, сканер, веб-камера и т.п.);

2)вывод (видеокарта, монитор, принтер, акустическая система);

3)хранение информации (накопители на жестких и оптических дисках, флеш-накопители и пр.).

Ввод – это передача данных с носителей информации в оперативную память (ОП) компьютера. Вывод – перепись данных из ОП на внешние носители информации.

Устройства ввода-вывода связываются между собой с помощью интерфейсов. Интерфейс представляет собой совокупность протокола обмена и электронных схем и шин, обеспечивающих передачу информации. Он характеризуется следующими параметрами:

1)пропускной способностью – количеством информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;

2)максимальной частотой передачи данных;

3)информационной шириной – числом бит или байтов данных, передаваемых одновременно;

4)максимально допустимым расстоянием между соединяемыми устройствами;

5)временем передачи отдельного слова или блока данных с учетом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи;

6)общим числом проводов (линий).

Различают интерфейсы: а) символьные; б) блочные; в) сетевые;

г) графические.

При этом периферийные устройства принято разделять по преобладающему типу интерфейса на два основных класса:

−символьные (клавиатура, мышь, модем, принтер и т.п.);

−блочные (магнитные и оптические диски и т.д.).

Первые обеспечивают последовательную передачу байта данных. Для них характерно выполнение операций ввода или вывода отдель-

8

ного символа (байта), которое может происходить в любой момент времени по соответствующей команде программы.

Блочные устройства обеспечивают передачу больших блоков данных. При этом в программе выполняются операции чтения и записи информации.

Структура исследуемой в работе однопроцессорной вычислительной системы, содержащей центральный процессор, оперативную память, северный и южный мосты, а также устройства ввода-вывода, приведена на рис. 1.2 [1].

Во время ее работы в оперативной памяти находятся системные и прикладные программы. Исполняемая программа и ее данные помещаются в кэш-память процессора.

Диалоговые и другие программы, требующие ввода данных с клавиатуры, реализуют циклическую последовательность операций процессорной обработки и ввода-вывода и работают следующим образом.

После выполнения начальной части команд происходит прерывание, связанное с необходимостью ввода данных с клавиатуры. Такая операция осуществляется пользователем, причем при однопрограммном режиме процессор в это время простаивает. По окончании ввода процессорная обработка продолжается до следующего прерывания и так далее. Последний этап выполняется процессором и программа завершается.

Если в системе поддерживается мультипрограммный режим, то во время ввода данных для одной из программ выполняется процессорная обработка другой. Таким образом, сокращаются простои процессора.

Ввод информации в ЭВМ с помощью клавиатуры может осуществляться в двух режимах:

−с одновременным выводом на экран (режим «эхо»);

−без вывода на экран.

Процесс ввода с клавиатуры и вывода на экран показан на рис. 1.3.

Клавиатура состоит из набора переключателей, объединенных в матрицу. При нажатии клавиши микроконтроллер, встроенный в клавиатуру, определяет координаты нажатой клавиши в матрице.

9