1. Архитектура ЭВМ
Процессором называют программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки информации и управление им. Первые процессоры строились с использованием элементной базы общего назначения. В настоящее время процессоры используют специализированные большие или сверхбольшие интегральные схемы (БИС/СБИС),
Микропроцессром (МП) называют построенное на одной или нескольких БИС/СБИС программно-управляемое устройство, осуществляющее процесс обработки информации и управление им. МП появились, когда уровень интеграции ИС достиг значений, при которых необходимые для программной реализации алгоритмов блоки удалось разместить на одном или нескольких кристаллах. В настоящее время понятия процессор и МП эквивалентны.
МП система (МПС) – совокупность МП, памяти и устройства ввода/вывода (внешние устройства). Решаемая задача определяется реализуемой МП программой, структура МПС остается неизменной, что и определяет ее универсальность.
Совокупность БИС/СБИС, пригодных для совместного применения в МПС, называют МП комплектом (МПК). Понятие МПК задает номенклатуру микросхем с точки зрения возможностей их совместного применения (совместимость по архитектуре, электрическим параметрам, конструктивным признакам и др.). В состав МПК могут входить микросхемы различных серий и схемотехнологических типов при условии их совместимости.
1.1. Структура МПС
Практически всегда структура МПС является магистрально-модульной. В такой структуре имеется группа магистралей (шин), к которым подключаются различные модули (блоки), обменивающиеся между собой информацией поочередно, в режиме разделения времени.
Термин "шины" относится к совокупности цепей (линий), число которых определяет разрядность шины.
Типична 3-шинная структура МПС с шинами адресов ША, данных ШД и управления ШУ. Наряду с русскими терминами применяются английские АВ (Address Bus), DB (Data Bus) и СВ (Control Bus).
Структура МПС с простым МП от Intel, который имеет мультиплексируемую шину адресов/данных.
8
После передачи младшего байта адреса шина AD7-0 отдается для передачи данных. Эти передачи двунаправлены, направление задается сигналом RD.. При активном состоянии сигнала чтения RD (Read) данные передаются справа налево, при пассивном - в обратном направлении. К шине данных подключены информационные выводы всех модулей МПС.
Микропроцессор МП. Выполняя программу, МП обрабатывает команду за командой. Команда задает выполняемую операцию и содержит сведения об участвующих в ней операндах. После приема команды происходит ее расшифровка и выполнение, в ходе которого МП получает необходимые данные из памяти или внешних устройств. Ячейки памяти и внешние устройства (порты) имеют номера, называемые адресами, которыми они обозначаются в программе.
Генкератор Г задает МП тактовые импульсы. По каждому МП выполняет команду.
Однонаправленная адресная шина ША. По ней МП посылает адреса, опре-
деляя объект, с которым будет обмен.
Ддвунаправленная шина данных ШД. По ней МП обменивается данными с модулями (блоками) системы.
Шина управления ШУ. По ней идет обмен управляющей информацией.
Постоянное запоминающее устройство - ПЗУ (ROM – Read Only Memory)
хранит фиксированные программы и данные, оно является энергонезависимым и при выключении питания информацию не теряет.
Оперативное запоминающее устройство - ОЗУ (RAM - Random Access Memory) хранит оперативные данные (изменяемые программы, промежуточные результаты вычислений и др.), является энергозависимым и теряет информа-
9
цию при выключении питания. Для приведения системы в работоспособное состояние после включения питания ОЗУ следует загрузить необходимой информацией.
Интерфейс управления ИУ. Осуществляет взаимодействие с устройствами ввода-вывода (УВВ) или внешними устройствами (ВУ) - техническими средствами для передачи данных извне в МП или память либо из МП или памяти во внешнюю среду. Для подключения ВУ необходимо привести их сигналы, форматы слов, скорость передачи и т. п. к стандартному виду, воспринимаемому данным МП. Это выполняется специальными блоками, называемыми адаптерами (интерфейсными блоками ввода-вывода). Интерфейсом называют совокупность аппаратных и программных средств, унифицирующих процессы обмена между модулями системы.
Кроме обозначенных блоков, в состав систем входят обычно и более сложные, чем адаптеры, блоки управления внешними устройствами - контроллеры. К их числу относятся контроллеры прерываний, прямого доступа к памяти,оллеры клавиатуры, дисплея, дисковой памяти и т. д.
Контроллеры прерываний обеспечивают обмен с внешними устройствами в режиме прерывания (временной остановки) выполняемой программы для обслуживания запроса от внешнего устройства.
Контроллеры прямого доступа к памяти обслуживают режим прямой связи между внешними устройствами и памятью без участия МП. При управлении обменом со стороны МП пересылка данных между внешними устройствами и памятью происходит в два этапа — сначала данные принимаются МПом, а затем выдаются им на приемник данных. В режиме прямого доступа к памяти МП отключается от шин системы и передает управление ими контроллеру прямого доступа, а передачи данных осуществляются в один этап — непосредственно от источника к приемнику.
Всостав МПС часто входят также программируемые таймеры, формирующие различные сигналы (интервалы, последовательности импульсов и т. д.) для проведения операций, связанных со временем.
Всовременных МП системах используются наборы микросхем (Chip sets), которые соединяют компонеты:
Северный мост для связи МП с памятью.
Южный мост для ввода-вывода.
10
1.2. Основные понятия в архитектуре МПС
Архитектура вычислительной машины — концептуальная структура вычис-
лительной машины, определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения. В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят:
структурная схема ЭВМ,
средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы,
организация и разрядность интерфейсов ЭВМ,
набор и доступность регистров,
организация памяти и способы её адресации,
набор и формат машинных команд процессора,
способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.
По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:
По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 128раз- рядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности).
По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;
По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные.
Многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью делят на:
симметричные многопроцессорные (SMP),
массивно-параллельные (MPP),
распределенные.
11
Аппаратная платформа включает:
АСК - Архитектура системы команд (ISA - instruction set architecture).
АСК — это приблизительно то же самое, что и модель программирования, с точки зрения программиста на языке ассемблера или создателя компилятора.
Микропрограмма (firmware - микрокод). Это системное программное обеспечение, встроенное («зашитое») в аппаратное устройство, и хранящееся в его энергонезависимой памяти ПЗУ.
Микроархитектура (иногда сокращаемая до µarch или uarch) — это способ, которым данная архитектура набора команд реализована в процессоре. Каждая архитектура может быть реализована с помощью различных микроархитектур. Реализации могут варьироваться в зависимости от целей данного дизайна или в результате изменений в технологиях. Архитектура компьютера является комбинацией микроархитектуры, микрокода и архитектуры.
Центральный процеессор ЦП (или центральное процессорное устройство — ЦП; central processing unit - CPU) - микросхема, исполнитель машинных инст-
12