arx011010_ch1

построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации (диски

иленты), которые к тому же являются переносимыми. Быстродействие ВЗУ значительно меньше, но они гораздо вместительней и дешевле ОЗУ.

Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных устройств ПК (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управление и выполняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а также накопители на магнитных лентах.

ВЗУ по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах). Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования ЭВМ. Устройства последовательного доступа используются в основном для резервирования информации.

Устройства ввода информации обеспечивают считывание информации (исходных данных и программ) с определенных носителей информации (клавиатур, дискет, дисков, датчиков состояний управляемых объектов, и т. п.), и ее представление в форме электрических сигналов воспринимаемых другими устройствами ЭВМ (процессором или основной памятью). Наиболее распространенным устройством ввода является клавиатура. Когда пользователь нажимает клавишу, соответствующая буква или цифра автоматически преобразуется в определенный двоичный код и по кабелю пересылается либо в память, либо процессору.

Устройства для ввода информации: джойстик, световое перо, манипулятор типа мышь, клавиатура, сканер, графический планшет (дигитайзер), сенсорные экраны, средства речевого ввода.

Сканер – устройство ввода в ЭВМ информации непосредственно с бумажного носителя. Можно вводить тексты, рисунки, фото, графики и т.п. Сканер копирует изображение с бумаги на бумагу, то сканер – с бумаги в память ЭВМ.

Аналогично копировальному устройству, сканер освещает оригинал, а светочувствительный датчик сканера с определенной частотой производит замеры отраженного оригиналом света. В процессе сканирования устройство выполняет преобразование величины интенсивности отраженного света в двоичный код, который передается в ЭВМ для дальнейшей обработки. Изображение в ЭВМ представляет совокупность точек. Количество точек определяет качество оригинала. Разрешающая способность сканеров составляет от 65 до 1600 точек на дюйм. Сканеры весьма разнообразны и их классифицируют по ряду признаков. Сканеры могут быть черно-белые

ицветные. Конструктивно сканеры бывают ручные и настольные.

Графические планшеты или дигитайзеры – устройства для создания графических изображений. Работа с дигитайзером аналогична рисованию карандашом. Графический планшет состоит из чувствительной рабочей поверхности, по которому рисуют специальным пером. Перо подключается к планшету при помощи гибкого шнура. Электронный блок дигитайзера обнаруживает касание пером рабочей поверхности и вычисляет координаты касания, которые запоминаются в памяти ПЭВМ. Дигитайзер удобен для ввода в память ЭВМ рисунков (контурных карт, эскизов деталей и пр.), которые затем можно обрабатывать различными программами, например, закрашивать, штриховать, дополнять произвольными элементами.

Планшеты обеспечивают ввод рукописной текстовой информации, могут прийти на смену клавиатуре ПЭВМ, когда будет решена задача распознавания не только печатных, но и рукописных символов.

Сенсорный экран – это дигитайзер, у которого специальное перо заменено пальцем человека. При касании пальцем рабочей поверхности экрана электронным блоком

11

обнаруживаются координаты касания, которые передаются ЭВМ. В принципе сенсорный экран можно оформить в виде клавиатуры и использовать в качестве ее заменителя.

Устройства вывода информации обеспечивают (представляют) вывод результатов обработки данных в форме, удобной для визуального восприятия (индикаторы, дисплей, печатающие устройства, и т. д.). При необходимости они обеспечивают запоминание результатов на носителях, с которых эти результаты могут быть снова введены в ЭВМ, для последующей обработки.

Обработка данных в процессоре

Теперь обратимся к обрабатываемой компьютером информации. Ее удобно разделять на две основные категории: команды и данные. Команды, или машинные команды, − это явно заданные инструкции, которые:

•управляют пересылкой информации внутри компьютера, а также между компьютером и его устройствами ввода-вывода;

•определяют подлежащие выполнению арифметические и логические операции. Список команд, выполняющих некоторую задачу, называется программой. Обычно

программы хранятся в памяти. Процессор по очереди извлекает команды программы из памяти и реализует определяемые ими операции. Компьютер полностью управляется хранимой программой, если не считать возможность внешнего вмешательства оператора и подсоединенных к машине устройств ввода-вывода.

Данные − это числа и закодированные символы, используемые в качестве операндов команд. Однако термин «данные» часто используется для обозначения любой цифровой информации. Согласно этому определению, сама программа (то есть список команд) также может считаться данными, если она обрабатывается другой программой. Примером обработки одной программой другой является компиляция исходной программы, написанной на языке высокого уровня, в список машинных команд, составляющих программу на машинном языке, которая называется объектной программой. Исходная программа поступает на вход компилятора, который транслирует ее в программу на машинном языке.

Информация, предназначенная для обработки компьютером, должна быть закодирована, чтобы иметь подходящий для компьютера формат. Современное аппаратное обеспечение в большинстве своем основано на цифровых схемах, у которых имеется только два устойчивых состояния, ON и OFF. В результате кодирования любое число, символ или команда преобразуется в строку двоичных цифр, называемых битами, каждый из которых имеет одно из двух возможных значений: 0 или 1. Для представления чисел обычно используется позиционная двоичная нотация. Иногда применяется двоичнодесятичный формат (Binary-Coded Decimal, BCD), в соответствии с которым каждая десятичная цифра кодируется отдельно, с помощью четырех бит.

Буквы и цифры также представляются посредством двоичных кодов. Для них разработано несколько разных схем кодирования. Наиболее распространенными считаются схемы ASCII (American Standard Code for Information Interchange −

американский стандартный код для обмена информацией), где каждый символ представлен 7-битовым кодом, и EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code — расширенный двоично-десятичный код для обмена информацией), в котором для кодирования символа используется 8 бит.

В течение вычислительного процесса, информацию (команды, данные) процессор считывает из ячеек оперативной памяти и помещает ее в регистры, обрабатывает и обратно отсылает результаты в регистры и далее в оперативную память (ОЗУ).

Замечание. Информацию (команды, данные) непосредственно из внешней памяти (ВУ) процессор обработать не может. Предварительно она должна быть помещена в ОЗУ, и только после этого может быть обработана процессором.

Важнейшие технические параметры процессора:

12

•разрядность;

•тактовая частота;

•адресное пространство.

Разрядность процессора

Команда (инструкция) – описание операции, которую необходимо выполнить процессору. Команды и данные (операнды) выполняемые процессором, образуют машинное слово, которое имеет длину 8, 16, 32, 64 двоичных разрядов (бит). Размер машинного слова (число одновременно обрабатываемых бит) – называется разрядностью процессора. Процессор, который обрабатывает восьмиразрядные машинные слова, называют 8-ми разрядным, 16 соответственно – 16 разрядным. Чем больше разрядность процессора, тем больше информации он может обработать в единицу времени, тем выше его производительность.

Тактовая частота характеризует быстродействие процессора. Режим работы процессора задается специальной микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты. На выполнение процессором каждой команды отводится определенной количество тактов. Цикл процессора – период времени, за который осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде, состоит из нескольких тактов. Такт работы процессора – промежуток времени между соседними импульсами генератора тактовых импульсов, частота которых есть тактовая частота процессора. Выполнение короткой команды (арифметической или логической), обычно занимает пять тактов:

•выборка команды;

•расшифровка операции;

•генерация адреса и выборка данных из памяти;

•выполнение операции;

•запись результата в память.

Чем выше частота – тем быстрее выполняется команда, тем выше быстродействие

ЭВМ.

Пример:

•Intel 8088 – 4,77 МГц – 0,33 млн.оп/сек.

•Pentium III – 800 МГц – 300 млн.оп/сек.

Адресное пространство

Каждый процессор может работать не более чем с определенным количеством ячеек оперативной памяти. Максимальное количество памяти (количество ячеек) называется адресным пространством процессора. Размер адресного пространства (количество ячеек ОП) задается разрядностью регистра адреса процессора (разрядностью адресной шины) и определяется количеством адресов, которые можно сгенерировать в адресном регистре.

1.5. Основная память

Оперативная память (ОЗУ) –оперативно запоминающее устройство – предназначено для записи, считывания, хранения данных, программ промежуточных и окончательных результатов. Она является энергозависимой (после выключения данные исчезают).

ОЗУ строится из блоков одинакового размера, которые называются ячейки памяти. В свою очередь ячейка памяти состоит из элементов памяти, которые могут, находится в двух состояниях – установлен (тогда говорят, что элемент хранит 1 ) и сброшен (тогда говорят, что элемент хранит 0). Совокупность нулей и единиц, хранящаяся в элементах одной ячейки, определяет содержимое ячейки памяти. Ячейки памяти нумеруются числами 0,1,2,3 …, которые называют адресами ячеек.

Информационная емкость. Информационная емкость памяти выражается в количестве битов, байтов или слов. Приведем основные единицы измерения емкости:

13

1 бит (б) – минимальная емкость (минимальная порция информации). 1 байт (Б) – 8 бит.

1 Килобайт (КБ), 210 =1024 Б= 210 23 б = 213 =1048676 б.

1 Мегабайт (МБ), 210 =1024 КБ = 210 210 б = 220 =1048676 б = 220 23 = 8388608 б.

1 Гигабайт (ГБ), 210 =1024 МБ = 210 210 КБ = 220 =1048676 КБ = 230 =1073741824 Б = 230 23 б.

1 Килобайт (КБ), ≈1000 б.

1 Мегабайт (МБ), ≈1000 КБ ≈ 1 000 000 б.

1 Гигабайт (ГБ), ≈1000 МБ ≈ 1 000 000 КБ ≈ 1 000 000 000 б.

Оперативная память обычно имеет байтовую организацию, то есть адрес памяти является адресом ее соответствующего байта. Таким образом, информация в памяти (данные и команды) отыскиваются по адресу – номеру байта, начиная с которого располагается соответствующее хранилище (байт, слово, двойное слово). Адресом слов и двойных слов является адрес байта, с которого он располагается в памяти. В дальнейшем будем называть хранилище информации объемом 1 байт или несколько байтов – ячейкой памяти.

Рис. 3. Организация памяти с 16 – разрядными словами. Жирным шрифтом обозначены номера байтов, обычным номера битов в 16-разрядном слове.

ОЗУ – устройство, предназначенное для хранения и текущего изменения информации при работе ПК. Например, при запуске какой-либо программы она сначала считывается с винчестера или др. носителя в ОЗУ. Здесь она может сама себя изменять – стирать, дописывать, переписывать значения переменных, что необходимо для работы программ. ОЗУ работает с очень большой скоростью, современные чипы ОЗУ характеризуются временем доступа 8-10 наносекунд. Особенность ОЗУ – информация теряется сразу после выключения питания.

Оперативная память (ОП) – это совокупность ОЗУ, объединенных в одну систему, управляемую процессором.

В настоящее время для обеспечение гибкости ЭВМ применяется принцип блочного построения ОП. На основе блоков 128 и 256 Кслов можно построить ОП любой емкости. ОП заданной емкости, составленная из нескольких блоков ОЗУ, называется многоблочной ОП. Адрес ячеек многоблочной ОП содержит адрес блока и адрес ячейки памяти в заданном блоке ОЗУ.

Устройства, подключенные к ОП, обращаются к ней независимо друг от друга. Принцип обслуживания запросов к ОП – приоритетный. Устройствам присваиваются приоритеты: низший центральному процессору, более высший ВЗУ. ОП обслуживает очередной запрос с наивысшим приоритетом, а все остальные запросы от других устройств ожидают момента окончания обслуживания. ОП, ресурсы которого, распределяются между несколькими потребителями, называют ОП многоканальным доступом.

Многоблочная ОП, в которой допускается совместное выполнение нескольких обращений к разным блокам ОЗУ называется ОП с расслоением обращений. В такой ОП блоки ОЗУ функционируют параллельно во времени, что возможно, если последующие

14

обращения к ОП адресованы к блокам, не занятым обслуживанием предшествующих запросов. Степень расслоения обращений характеризуется коэффициентом расслоения, равным среднему числу обращений к ОП, которые могут быть приняты на обслуживание одновременно. Чем выше коэффициент расслоения, тем выше производительность.

Из микросхем, памяти (RAM – Random Access Memory, память с произвольным доступом) используются два основных типа: статическая (SRAM – Static RAM) и

динамическая (DRAM – Dynamic RAM).

Рассмотрим понятия статической и динамической памяти. Рассмотрим группу ячеек памяти с последовательными номерами: Аб, Аб+1, Аб+2, Аб+3, …. Аб+n, в которой будем хранить массив значений некоторой переменной. Длина массива рана n+1, данные рассматриваются как массив ячеек памяти с базовым адресом Аб (Рис. 3).

Рис. 4. Выделение в памяти массива ячеек длиной (n+1) и базовым адресом Aб.

Статическое распределение памяти основано на выделении ячеек ОП для массивов в процессе анализа и составления программы, т.е. до начала решения задачи и при выполнении программы базисные адреса сохраняют постоянные значения. При статическом распределении ячеек памяти в массивах память используется неэффективно, так как в процессе решения задачи количество слов в массиве в большинстве случаев меньше длины массива ячеек с базовым адресом Аб. Поэтому такой способ применяют лишь в простейших системах программирования на небольших ЭВМ.

Динамическое распределение памяти основано на выделении ячеек памяти для массивов с учетом их длин в порядке их появления в процессе решения задачи на ЭВМ. Оно используется для экономии ячеек памяти в пределах одной программы и при мультипрограммной работе ЭВМ для распределения памяти между программами.

Встатической памяти элементы (ячейки) построены на различных триггерах (триггер схема с двумя устойчивыми состояниями памяти). После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии сколь угодно долго – необходимо только наличие питания. При обращении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который при помощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки конкретных ячеек. Ячейки статической памяти имеют малое время, срабатывания (единицы-десятки наносекунд), однако микросхемы на их основе имеют низкую удельную плотность данных (единиц Мбит на корпус) и высокое энергопотребление. Поэтому статическая память используется в основном в качестве буферной (кэш-памяти).

Вдинамической памяти ячейки построены на основе областей с накоплением зарядов, занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры и практически не потребляющих энергии при хранении. При записи бита в такую ячейку в ней (формируется электрический заряд, который сохраняется в течении нескольких миллисекунд; для постоянного сохранения заряда ячейки необходимо регенерировать – перезаписывать содержимое для восстановления зарядов. Ячейки микросхем динамической памяти организованы в виде прямоугольной (обычно-квадратной) матрицы;

15

при обращении микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопровождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe – строб адреса строки) затем, через некоторое время - адрес столбца, сопровождаемый сигналом CAS (Column Address Strobe

– строб адреса столбца). При каждом обращении к ячейке регенерируют все ячейки выбранной строки, поэтому для полной регенерации матрицы достаточно перебрать адреса строк. Ячейки динамической памяти имеют большее время срабатывания (десятки, сотни наносекунд), но большую удельную плотность (порядка десятка Мбит на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется в качестве основной.

Быстродействующая КЕШ память

Кэш-память (от англ. cache, дословно – «заначка», «кубышка») – память ЭВМ с быстрым доступом, где дублируется часть данных с другого носителя с более медленным доступом, или хранятся данные, для получения которых требуются «дорогие» (в смысле временных затрат) вычисления. Иногда для краткости кэш-память называют просто

«кэш».

Кэш-память позволяет обращаться к часто требуемым данным быстрее, чем это происходило бы без её использования. Процесс организации доступа через кэш-память называется кэшированием, а та память, которая кэшируется, называется основной памятью.

Наиболее часто термин кеш-память используется для обозначения кеш-памяти, находящейся между регистрами центрального процессора (ЦП) и оперативной памятью

(ОЗУ).

Кеш-память может давать значительный выигрыш в производительности, потому что в настоящее время тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты ЦП. Тактовая частота для кеш-памяти обычно не намного меньше частоты ЦП. На физическом уровне кеш-память формируется из быстродействующих ячейки памяти предназначенных для согласования работы определенных модулей ЭВМ.

Уровни кеша

Разделение кеш-памяти на несколько уровней (до 3 для универсальных процессоров по состоянию на начало 2007 года). Кеш-память уровня N+1 всегда больше по размеру и медленнее по скорости обращения, чем кеш-память уровня N.

Самой быстрой памятью является кэш-память первого уровня (она же L1-cache), по сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков, без нее процессор не сможет функционировать. Память L1 работает на частоте процессора и в общем случае обращение к ней может производится каждый такт (зачастую является возможным выполнять даже несколько чтений/записей одновременно), латентность доступа обычно равна 2-4 такта ядра, объем этой памяти обычно невелик – не более 64Кб. Второй по быстродействию является L2 (в отличие от L1 ее можно отключить с сохранением работоспособности процессора), кеш второго уровня, она обычно расположена либо на кристалле, как и L1, либо в непосредственной близости от ядра, например, в процессорном картридже (только в слотовых процессорах), в старых процессорах ее располагали на системной плате. Объем L2 побольше – от 128Кб до 1–4Мб. Обычно латентность L2 расположенной на кристалле ядра составляет от 8 до 20 тактов ядра. Кеш третьего уровня наименее быстродействующий и обычно расположен отдельно от ядра ЦП, но он может быть очень внушительного размера и всё равно значительно быстрее чем оперативная память.

Ассоциативность кэша

16

Одна из фундаментальных характеристик кэш-памяти – уровень ассоциативности – отображает ее логическую сегментацию. Дело в том, что последовательный перебор всех строк кэша в поисках необходимых данных потребовал бы десятков тактов и свел бы на нет весь выигрыш от использования встроенной в ЦП памяти. Поэтому ячейки ОЗУ жестко привязываются к строкам кэш-памяти (в каждой строке могут быть данные из фиксированного набора адресов), что значительно сокращает время поиска. С каждой ячейкой ОЗУ может быть связано более одной строки кэш-памяти: например, n-канальная ассоциативность (n – way set associative) обозначает, что информация по некоторому адресу оперативной памяти может храниться в n мест кэш–памяти.

При одинаковом объеме кэша схема с большей ассоциативностью будет наименее быстрой, но наиболее эффективной.

Политика записи при кэшировании

При чтении данных кэш-память даёт однозначный выигрыш в производительности. При записи данных выигрыш можно получить только ценой снижения надёжности. Поэтому в различных приложениях может быть выбрана та или иная политика записи кэш-памяти.

Существуют две основные политики записи кэш-памяти – сквозная запись (write-through)

иотложенная запись (write-back).

•сквозная запись подразумевает, что при изменении содержимого ячейки памяти, запись происходит синхронно и в кэш и в основную память.

•отложенная запись подразумевает, что можно отложить момент записи данных в основную память, а записать их только в кэш. При этом данные будут выгружены в оперативную память только в случае обращения к ним какого либо другого устройства (другой ЦП контроллер DMA) либо нехватки места в кэше для размещения других данных. Производительность, по сравнению со сквозной записью, повышается, но это может поставить под угрозу целостность данных в основной памяти, поскольку программный или аппаратный сбой может привести к тому, что данные так и не будут переписаны из кэша в основную память. Кроме того, в случае кэширования оперативной памяти, когда используются два и более процессоров, нужно обеспечивать согласованность данных в разных кэшах.

Постоянное запоминающее устройство

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — энергонезависимая память,

используется для хранения неизменяемых данных.

Существует несколько разновидностей ПЗУ, предназначенных для различных целей:

•ROM – (англ. Read-Only Memory, постоянное запоминающее устройство), масочное ПЗУ, изготавливается фабричным методом. В дальнейшем нет возможности изменить записанные данные.

• PROM – (англ. Programmable Read-Only Memory, программируемое ПЗУ

(ППЗУ)) — ПЗУ, однократно «прошиваемое» пользователем.

•EPROM — (англ. Erasable Programmable Read-Only Memory, перепрограммируемое ПЗУ (ПППЗУ)).

Например, содержимое микросхемы К537РФ1 стиралось при помощи ультрафиолетовой лампы. Для прохождения ультрафиолетовых лучей к кристаллу в корпусе микросхемы было предусмотрено окошко с кварцевым стеклом.

•EEPROM – (англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,

электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ). Память такого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей EEPROM является флэш-

память (англ. Flash Memory).

КПЗУ можно также отнести:

17

•CD-ROM

•перфокарты и перфоленты.

В постоянную память обычно записывают микропрограмму управления техническим устройством: телевизором, сотовым телефоном, различными контроллерами. Одним из видов микропрограмм, записанных в ПЗУ, является BIOS.

Например. Микросхема BIOS, в которой записаны программы реализующие функции ввода, вывода, а так же программы тестирования компьютера в момент его включения. В своей работе BIOS опирается на сведениях о конфигурации, которая называется CMOS RAM (питается от батарейки, аппаратные настройки).

1.6.Структурно-функциональная схема ПЭВМ

Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК на примере самых

распространенных IBM-совместимых компьютеров (рис. 2).

Конструктивно ПК выполняются в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительные устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и др.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных устройств и платы расширения с контроллерами

– адаптерами внешних устройств.

Главным элементом системного блока является системная или материнская плата (Mother Board), на которой обычно располагаются микропроцессор, основная память, шина и т.д.

Рис. 2. Структурно-функциональная схема ЭВМ.

Материнская плата – большая печатная плата, на которой смонтировано большое количество микросхем и разъёмов, для подключения различных модулей. Основана на технологии СБИС.

Схемы, управляющие внешними устройствами ПК (контроллеры или адаптеры), находятся на отдельных электронных платах, которые вставляются в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате, подключаясь таким образом к системной шине.

Интерфейсы

Связь устройств автоматизированных систем друг с другом осуществляется с помощью средств сопряжения, которые называются интерфейсами.

18

Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов (протоколов), предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами.

На практике используется в основном унифицированные интерфейсы – унифицированный по составу и назначению набор линий и шин, унифицированные сигналы и алгоритмы (протоколы) обмена, унифицированные конструктивные характеристики.

Определение. Стандартным интерфейсом называют 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, физической, программной совместимости указанных элементов.

Интерфейсы характеризуются следующими параметрами:

•пропускная способность - количество информации, которая может быть передана через интерфейс в единицу времени;

•максимальная частота передачи информационных сигналов через интерфейс;

•максимально допустимое расстояние между соединяемыми устройствами;

•общее число проводов (линий) в интерфейсе;

•информационная ширина интерфейса - число бит или байт данных, передаваемых параллельно через интерфейс.

К динамическим параметрам интерфейса относится время передачи отдельного слова и блока данных с учетом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи.

Классификация интерфейсов

Выделяют следующие основные классификационные признаки:

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

2)способ передачи информации (параллельный, последовательный, параллельнопоследовательный);

3)принцип обмена информацией (синхронный, асинхронный);

4)режим передачи информации (односторонняя, двухсторонняя, двухсторонняя поочередная);

Всоответствии с функциональным назначением интерфейсы можно поделить на следующие основные классы:

1)системные интерфейсы ЭВМ;

2)интерфейсы периферийного оборудования (общего назначения и специализированные);

3)программно-управляемых модульных систем и приборов;

4)интерфейсы сетей передачи данных и др.

Разработка систем ввода-вывода требует решения целого ряда проблем, среди которых выделим следующие:

•необходимо обеспечить возможность реализации ЭВМ с переменным составом оборудования, в первую очередь, с различным набором устройств ввода-вывода, с тем, чтобы пользователь мог выбирать конфигурацию машины в соответствии с ее назначением, легко добавлять новые устройства и отключать те, в использовании которых он не нуждается;

•для эффективного и высокопроизводительного использования оборудования компьютера следует реализовать параллельную во времени работу процессора

19

над вычислительной частью программы и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода;

•необходимо упростить для пользователя и стандартизовать программирование операций ввода-вывода, обеспечить независимость программирования вводавывода от особенностей того или иного периферийного устройства;

•в ЭВМ должно быть обеспечено автоматическое распознавание и реакция процессора на многообразие ситуаций, возникающих в УВВ (готовность устройства, отсутствие носителя, различные нарушения нормальной работы и

др.).

Главным направлением решения указанных проблем является магистральномодульный способ построения ЭВМ (рис. 18.1): все устройства, составляющие компьютер, включая и микропроцессор, организуются в виде модулей, которые соединяются между собой общей магистралью. Обмен информацией по магистрали удовлетворяет требованиям некоторого общего интерфейса, установленного для магистрали данного типа. Каждый модуль подключается к магистрали посредством специальных интерфейсных схем (Иi).

Рис. 18.1. Магистрально-модульный принцип построения ЭВМ На интерфейсные схемы модулей возлагаются следующие задачи:

•обеспечение функциональной и электрической совместимости сигналов и протоколов обмена модуля и системной магистрали;

•преобразование внутреннего формата данных модуля в формат данных системной магистрали и обратно;

•обеспечение восприятия единых команд обмена информацией и преобразование их

в последовательность внутренних управляющих сигналов.

Эти интерфейсные схемы могут быть достаточно сложными и по своим возможностям соответствовать универсальным микропроцессорам. Такие схемы принято называть контроллерами.

Контроллеры обладают высокой степенью автономности, что позволяет обеспечить параллельную во времени работу периферийных устройств и выполнение программы обработки данных микропроцессором.

Недостатком магистрально-модульного способа организации ЭВМ является невозможность одновременного взаимодействия более двух модулей, что ставит ограничение на производительность компьютера. Поэтому этот способ, в основном, используется в ЭВМ, к характеристикам которых не предъявляется очень высоких требований, например в персональных ЭВМ.

20