Министерство образования Российской Федерации

Марийский государственный технический университет

Кошкин В.В.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦЕНТРАЛЬНЫХ И ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ЭВС

Курс лекций по дисциплине

«Проектирование центральных и периферийных устройств ЭВС»

для студентов специальности. 220500 –

Проектирование и технология производства ЭВС

Йошкар-Ола, 2007

УДК.681. 31

ББК

В

Проектирование центральных и периферийных устройств ЭВС . Курс лекций: Конспект лекций по дисциплине «Проектирование центральных и периферийных устройств ЭВС» для студентов спец. 220500 – Проектирование и технология производства ЭВС: / Сост. В.В.Кошкин.- Йошкар-Ола: МарГТУ, 2007, - 190с.

Приводятся основные принципы организации структуры вычислительных устройств и вычислительных систем, варианты их классификации, взаимодействие процессора с внешними устройствами, рассматриваются разновидности интерфейсных решений в ЭВМ.

Для студентов специальности 220500 – Проектирование и технология производства ЭВС а также студентов и аспирантов, специализирующихся в области разработки устройств и систем автоматического управления.

Печатается по решению

редакционно-издательского совета университета.

Рецензенты: кафедра математических и естественнонаучных дисциплин МФ МОСУ, заведующий кафедрой засл. деятель науки РМЭ, проф. М.Л.Николаев;

Руководитель федеральной службы по надзору в области частот по РМЭ к.т.н.. доцент Шишкин Г.А..

УДК 681.31

ББК

С Марийский государственный технический университет, 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лекция 1. СТРУКТУРА И АРХИТЕКТУРА ЭВМ И ВС 5

1. Понятие о структуре и архитектуре 5

1.2. Основные характеристики ЭВМ 6

Лекция 2 ОБМЕН ИНФОРМАЦИЕЙ В ЭВМ 7

2.1.Сигналы адреса, данных и управления 7

2.2.Организация магистралей. Распределение ресурсов в ЭВМ 9

Лекция 3 ПРОЦЕССОРЫ В ЭВМ.

СТРУКТУРА ГИПОТЕТИЧЕСКОГО ПРОЦЕССОРА. 11

3.1.Типы процессоров. Операционная и управляющая часть. 11

3.2.Полный цикл работы процессора 14

Лекция 4.УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ 15

4.1. Принципы программного управления 15

4.2.Устройства управления с жесткими связями 17

4.3. Микропрограммный принцип управления 18

Лекция.5.СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ АДРЕСОВ В ЭВМ 20

5.1. Базовые способы адресации 20

5.2.Модификация адресов 22

Лекция 6. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОРОВ 24

6.1.Типы процессоров, классификация. 24

6.2 Микропроцессоры, микроконтроллеры 25

6.3. Секционированные микропроцессоры. 27

6.4. Вычислитель на ОМП 27

6.5. Структура на СМП 30

6.6. Организация шин в вычислителях на МП. 31

6.7. Многокристальные микропроцессоры 33

6.8..Арифметические и логические операции процессора. 33

Лекция 7.ПРОЦЕДУРА ВВОДА-ВЫВОДА 35

7.1.Способы обмена данными 35

7.2. Прямой доступ к памяти 36

7.3. Каналы ввода-вывода 37

Лекция 8.ИНТЕРФЕЙСЫ ЭВМ. 39

8.1 .Типы интерфейсов вычислительных устройств. 39

8.2 Последовательный интерфейс RS-232 41

8.3.Работа с параллельным портом (LPT) 49

8.4.Шина USB 51

8.5. Условия согласования 56

Лекция 9.ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ПРЕРЫВАНИЙ. 58

9.1.Способы прерываний. 58

Лекция 10. СТРУКТУРА ЭЛЕМЕНТОВ ПАМЯТИ 61

10.1. Иерархия устройств памяти 61

10.2.Модули памяти ОЗУ и ПЗУ 62

10.3. Ассоциативные запоминающие устройства 64

10.4.Безадресные схемы. Стек. 65

Лекция 11 ПРИНЦИПЫ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ НА МАГНИТНЫЕ НОСИТЕЛИ 67

11.1.ВЗУ. Спектр решений. 67

Лекция 12.КОНТРОЛЬ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ 68

12.1.Классификация методов контроля 68 12.2.Контроль выполнения преобразований. Диагностика. 69

Лекция 13. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ, ТИПЫ 73

13.1.Классификация систем 73

13.3.Использование пакетного режима 75

Лекция 14. АРХИТЕКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 78

14.1. Архитектурные принципы Фон Неймана 78

14.2. Альтернативные структуры 79

Лекция 15. МНОГОПРОЦЕССОРНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ 81

15.1.Принципы объединения процессоров с структурах 81

15.2.Структуры многопроцессорных вычислительных комплексов 82

15.3. Классификация по программной организации 85

Лекция 16.ОСНОВЫ МОДУЛЬНОГО ПОСТРОЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЕЙ 87

16.1. Формальная модель синтеза структуры вычислителя 87

Лекция 17. АРХИТЕКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ПЭВМ. 89

Лекция 18. ПРИМЕРЫ ПОСТРОЕНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ

КОМПЛЕКСОВ 89

18.1.Вычислительные комплексы типа СМ и большие вычислительные комплексы 89

Лекция 19. АГРЕГАТИВНЫЕ СРЕДСТВА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ

ТЕХНИКИ (АСВТ-ПС) 93

19.1.Агрегативные системы ПС320 93

19.2. Управляющий вычислительный комплекс ПС1001 95

19.3.Вычислительный комплекс ПС3000 98

19.4. Многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус»100

Лекция 20.КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ 102

20.1.Необходимость кодирования информации 102

20.2.Простейшие коды для кодирования 104

Лекция 21.СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ 106

21.1.Сети, общие сведения, структура 106

21.2.Классификация сетей, особенности передачи информации в сетях 107

21.3.Одноранговые сети 108

21.4. Локальные сети. Шинная организация. 110

21.5. Принципы реализации технических средств сетей Ethernet. 111

21.6. Кольцевая ЛВС. 112

21.7. Бескабельные линии связи. 113

Лекция 22.ГЛОБАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНВЫЕ СЕТИ. 115

22.1. Современные виды компьютерных услуг. 115

22.2.Принципы передачи информации по телефонным линиям. 116

22.3. Методы реализации основных функций модемов. 118

22.4. Протоколы представления цифровой информации (файлов) 120

Введение

Современные электронно-вычислительные средства (ЭВС) –широкий класс цифровых устройств, использующих в своем построении принципы программного управления. Несомненно, в первую очередь к ним относят электронные вычислительные машины, от их простейших реализаций – контроллеров, до сложных многопроцессорных и многомашинных вычислительных комплексов, объединяющих множество процессоров. Наряду с этим важное место среди ЭВС занимают и периферийные устройства: разнообразные принтеры, мониторы системы графического ввода информации и так далее. В учебной литературе эти вопросы рассматриваются порознь- организация ЭВМ, вычислительных систем, параллельные вычислительные системы и периферийное об указанных средств оборудование чаще всего описывается в различной литературе. Целью данной работы является объединение указанных средств в одном издании. Помимо этого, современной учебной литературы по указанным вопросам недостаточно и по той причине, что быстрое развитие элементной базы ЭВС требует соответствующей оперативной корректировки содержания многих учебников, что достаточно сложно.

Лекция 1

1.Понятие системы, терминология. Определения

Под Вычислительной Системой понимается система, состоящая из двух частей (элементов) - АО и ПО, находящихся во взаимодействии (рисунок 1). Здесь: АО - аппаратное обеспечение. прикладное ПО (ППО), т.е., если точнее, ВС состоит из трех частей

ВС - это сложная динамическая система, т.е. совокупность элементов системы и связей между ними, рассматриваемая в динамике, во взаимодействии. Теория ВС состоит из двух разделов: архитектура ВС и метрическая теория ВС.

Архитектура ВС включает общую логическую организацию ВС, режимы работы (т.е. взаимодействие АО и ПО), способы представления данных, способы адресации и т.д.

Метрическая теория ВС занимается вопросами получения количественных оценок показателей, характеризующих организацию и функционирование ВС. В метрической теории исследуется (объясняется) влияние организации ВС на её характеристики: производительность, надёжность, стоимость и др. Здесь ставятся и решаются задачи выбора (определения) оптимальных параметров элементов, входящих в состав проектируемых систем.

Следует отметить, что в популярных источниках вместо терминов СОД, АС, ВК, ВС обычно используют термин ЭВМ (или компьютер), т.е. термином ЭВМ обычно называют СОД, другими словами, ВК, решающий какие-то конкретные задачи.

Таким образом, термин ЭВМ (в широком смысле) является популярным термином для обозначения более сложных специальных понятий, которые используются в ВТ: ВК, ВС, СОД, АС. В этом курсе будут рассматриваться прежде всего В (ЭВМ в узком смысле), их принципы организации.

Система—это совокупность элементов, объединенных в единое целое для достижения определённой цели.

ЭВМ—это система, предназначенная для автоматизации обработки информации на основе алгоритмов.

Сложные системы проектируются по принципу: от функции системы к её структуре, а также по принципу «сверху - вниз». Такой подход к проектированию сложных систем называется функциональным. Если проектирование сложных систем осуществляется именно так, то и изучение сложных систем разумно вести по такой же схеме: сверху - вниз, от функции к структуре. Действительно, что есть проектирование? Это разработка такого описания проектируемой системы, которое позволяет ответить на вопросы: 1) как система устроена? 2) как функционирует? 3) как её построить (изготовить)? Ответ на третий вопрос важен при производстве систем в заводских условиях. Ответы на первые два вопроса очень важны при изучении системы.

Другими словами, под проектированием системы понимается разработка (получение) такого описания сложной системы, которого достаточно для её изготовления, эксплуатации и изучения.

Отсюда схема изложения материала курса: сверху - вниз, от функции к структуре. Из определения ЭВМ следует функция ЭВМ (рисунок 2): обработка исходных данных D на основе алгоритма А с целью получения результата R. Это первый, верхний уровень в иерархии описаний ЭВМ.

Далее известно, что ЭВМ состоит из устройств (внутренних элементов): процессоров, запоминающих устройств (ЗУ), устройств ввода-вывода (УВВ). Поэтому на втором уровне иерархии (более детальном) описание ЭВМ можно представить схемой, изображенной на рисунке 3. На этом уровне предстоит ответить на вопрос: откуда взялись и для чего предназначены эти устройства (понятия): центральный процессор (ЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), устройство ввода-вывода (УВВ), общая шина (ОШ).

В свою очередь, на следующем уровне детализации (иерархии описаний) раскрывается внутренняя организация устройств, из которых строится ВК. Например, ЦП строится на базе арифметико-логического устройства (АЛУ), центрального устройства управления (ЦУУ), регистров общего назначения (РОН) и т.д. вниз до известного вам уровня схемотехники.

В результате мы получим иерархию описаний ЭВМ, составленных по принципу «сверху - вниз» (в смысле сложности) и от функции F к структуре S (при обосновании внутренней структуры и организации элементов системы).

С точки зрения теории сложных систем система считается заданной (т.е. спроектированной), если определены и описаны её функция и структура (схема). Структура системы задаётся схемой соединения её элементов.

Другие основные понятия из теории сложных систем, которыми мы будем пользоваться: функция системы, структура системы, организация системы, элемент системы.

Функция системы - это такое описание системы, из которого ясно, как достигается поставленная перед системой цель. Другими словами, функция системы - это правила получения результатов, вытекающих из назначения системы. Например, назначением АЛУ является выполнение арифметических и логических операций (АЛО). Отсюда функция АЛУ - правила получения результатов, т.е. правила выполнения арифметических и логических операций. Эти правила задаются путём описания алгоритмов выполнения АЛО: FАЛУ = {А+, А-, … } - перечень алгоритмов операций сложения, вычитания, и т. д.

Структура системы - это фиксированная совокупность элементов и связей между ними (элементами). Структуру системы принято изображать графически, в виде схемы, состоящей из элементов и связей (стрелок, линий) между элементами.

Со схемами, изображающими внутреннюю структуру интегральных схем (ИС), вы хорошо знакомы по курсу «Схемотехника». Пример: АЛУ строится на базе известных вам элементов: сумматоров, регистров, счетчиков, мультиплексоров, демультиплексоров и др.

Организация системы. Рассмотрение этого понятия начнем с примера: триггер состоит из логических элементов, не обладающих способностью хранения . Откуда новое качество - эффект хранения? От внутренней организации!

Организация - это способ аранжировки (приведения в порядок) элементов, целью которой является получение требуемых функций в системах, состоящих из большого числа элементов.

Суть понятия организация заключается в ответе на вопрос: как организовать элементы в единое целое, чтобы получить нужный эффект - заданную функцию! В технике этот вопрос обычно формулируется так: организовать элементы в систему наилучшим, оптимальным образом.

В теории сложных систем различают два типа организации - функциональную и структурную.

Функциональная организация - это принципы построения абстрактных систем, то есть систем, заданных только их функциями. Примеры: таблица истинности для логических элементов (ЛЭ), набор алгоритмов операций – для АЛУ.

Структурная организация - это принципы перевода абстрактных систем в материальные (реальные) системы. Другими словами, это методы, приёмы, правила, с помощью которых осуществляется переход от функции F системы к структуре S, её реализующей (FS). Примеры: переход от таблицы истинности для ЛЭ к схеме (структуре) ЛЭ, переход от функции АЛУ FАЛУ к структуре АЛУ.

Следует отметить, что если переход от F к S, а также с одного уровня иерархии на другой, более детальный, подробный (сверху - вниз) формализован, то процесс проектирования осуществляется за один шаг или, как говорят, становится делом техники, т. к. сводится к добросовестному следованию правилам перехода от F к S.

Однако, к сожалению, чаще всего этот переход не формализован (поэтому, собственно, и сложные системы). Какой выход? Использование эвристических, не формальных методов проектирования, не гарантирующих получение оптимального решения за один шаг. Поэтому проектирование сложных систем носит характер инженерной импровизации, это творческий процесс (не ремесло) итерационного характера. Результат проектирования существенно зависит от опыта и интуиции разработчика.

Элемент - это условное понятие, удобное для описания системы на данном уровне иерархии (детализации). Элемент - неделимая частица лишь на данном уровне иерархии. На других более низких уровнях элемент рассматривается как система, структура которой, в свою очередь, строится на основе более простых элементов и связей между ними.

Пример: АЛУ строится на базе сумматоров, регистров, счётчиков и т.п. элементов. В свою очередь, каждый из них строится на базе элементов другого уровня - логических элементов. Каждый ЛЭ, в свою очередь, состоит из известных вам полупроводниковых (электронных) элементов: транзисторов, резисторов, диодов, конденсаторов и электрических проводников для связи между ними.