Содержание:

1. Техническое задание и исходные данные.

2. Проектирование структурной схемы гипотетической ЭВМ.

3. Система ввода-вывода.

4. Основная память.

5. Страничная организация основной памяти.

6. Система прерываний.

7. Контроллер прямого доступа к памяти.

8. Разработка структурной схемы центрального процессора.

9. Блок синхронизации.

10. Таймер.

11. Монитор и клавиатура.

12. Буфер TLB.

13. Заключение.

14. Список литературы.

1. Техническое задание и исходные данные:

Целью данной работы является разработка структурной схемы гипотетической ЭВМ. Для более детального изучения необходимо рассмотреть адресный кэш до уровня принципиальной схемы. Исходные данные для работы определяют состав и параметры ЭВМ. Необходимо наличие следующих блоков:

• Центральное процессорное устройство;

• Микропрограммное устройство управления;

• Оперативная память;

• Система прерываний;

• Блок синхронизации;

• Таймер;

• Устройства ввода-вывода.

Индивидуальное задание предусматривает следующие параметры ЭВМ:

• Трехшинная структура магистрали;

• Радиальная система прерываний с обработкой на уровне команд;

• Наличие адресного кэша;

• Страничная организация оперативной памяти;

• Организация ввода вывода с прямым доступом к памяти;

• Рассмотреть процедуру замены дескриптора страниц.

Основные параметры ЭВМ:

• Адресность ЭВМ: двухадресная;

• Длина команды: переменная;

• Разрядность ЭВМ – не менее 16;

• Емкость ОП – не менее 128Кб;

2. Проектирование структурной схемы гипотетической эвм:

Так как на данный момент 16-разрядные микропроцессоры уже устарели (имеется в виду применение в обычных ПК), а 64-разрядные только-только начинают появляться (в основном, это МП не для обычных, а для специализированных ЭВМ), было решено взять наиболее оптимальный вариант ЦП – 32-разрядный. Тем более что и большинство приложений создавалось и оптимизировалось именно под 32-разрядные процессоры. Трехшинная архитектура подразумевает наличие трех магистралей: команд, адреса и данных. Для того чтобы не было узких мест в операциях обмена данными между памятью, процессором и различными устройствами, было решено выполнить шину данных 32-разрядной. Для эффективной адресации ОП (для адресации более 65К ячеек), тем более что страничная организация памяти подразумевает реализацию виртуальной памяти, необходима 32-разрядная шина адреса. Структурная схема гипотетической ЭВМ приведена на рис.1

3. Система ввода-вывода:

Для упрощения аппаратной реализации будет использоваться адресное пространство портов ввода-вывода, отличное от адресного пространства физической памяти. Для разделения обращений к ОП и портам ввода-вывода необходимо ввести селекторный бит M/IO#. При низком уровне сигнала происходит обращение к памяти, при высоком – к портам ввода-вывода. Для выбора операции чтения/записи используется линия RD/WR#.

4. Основная память:

Память практически любой ЭВМ состоит из следующих компонентов:

• Основная или оперативная память используется для обмена информацией между процессором, внешней памятью и периферийными подсистемами. Подробнее ОЗУ будет рассмотрено ниже.

• Постоянная память используется для хранения системной информации. Реализуется в виде микросхем ПЗУ или флэш-памяти. Как правило, хранит базовую систему ввода-вывода. БИОС содержит программную поддержку ресурсов ЭВМ и обеспечивает конфигурирование аппаратных средств, их диагностику и вызов загрузчика ОС с соответствующего накопителя

• Кэш-память. Хранит копии блоков данных тех областей ОЗУ, к которым происходили последние обращения, и велика вероятность последующих. Тогда данные будут извлечены из кэша существенно быстрее, нежели из более медленной оперативной памяти. Наличие кэша “прозрачно” для пользователя и программ. Кэш-память не адресуется, используется для повышения быстродействия, т.к. позволяет в некоторых случаях увеличить производительность системы в целом.

Для удобства использования постоянная память будет размещаться в начале адресного пространства. В современных ЭВМ объем постоянной памяти может составлять до 512Кбайт. В данном случае возьмем ПЗУ объемом 256Кбайт(наиболее распространенный объем БИОС), но зарезервируем адреса до 1Мбайта в следующих целях: во-первых, возможно увеличение самого ПЗУ, во-вторых, для определения теневой памяти(Shadow memory). Смысл состоит в перемещении содержимого БИОС'ов системы, выдеоадаптеров и дополнительных адаптеров из медленной постоянной памяти в быструю оперативную. Копии переносятся в защищенную область памяти в диапазоне 640Кбайт-1Мбайт. Происходит это следующим образом: в выбранную страницу памяти копируется 64Кбайта системный БИОС и (или) 32Кбайта БИОС адаптеров. Затем область памяти защищается от записи и происходит переадресация страниц памяти. Таким образом, при обращении по действительным адресам коды читаются из теневой области, что повышает скорость работы с накопителем и видеоадаптером.

К ОЗУ предъявляются следующие требования:

• большой объем;

• высокое быстродействие;

• высокая надежность хранения данных.

Большой объем оперативной памяти в сочетании с невысокой стоимостью подразумевает реализацию на микросхемах DRAM(быстродействие ниже, конечно, чем с применением микросхем SRAM, но тогда стоимость ЭВМ значительно возрастает). Надежность хранения можно достичь путем использования микросхем известных производителей. Так же возможен контроль хранимых данных. Память с ECC(Error Checking and Correction – выявление и исправление ошибок) позволяет исправлять одиночные и обнаруживать двойные ошибки. Необходима аппаратная поддержка такого вида памяти. Применяется для обнаружения случайных ошибок в работе.

Объем ОП выбирается исходя из конкретных требований к ЭВМ. На сегодняшний день нецелесообразно использование памяти объемом меньше 32Мб.