4. Тема з. Функциональная и структурная организация эвм.

4.1. Общие принципы функциональной и структурной организации эвм.

Как правило, при компоновке ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: устройства, узлы, блоки и элементы. Нижний уровень обработки информации реализуют элементы. Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации.

Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов - информационных слов.

Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов - функционально обособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записи-чтения и др.)

Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.

Элементы ЭВМ можно классифицировать по различным признакам, наиболее часто такими признаками являются: тип сигнала, назначение элементов, технология их изготовления и т.д.

По своему назначению элементы делятся на формирующие, логические и запоминающие.

К формирующим элементам относятся различные формирователи, усилители, усилители-формирователи и т.д. Данные элементы служат для выработки определенных электрических сигналов, восстановления их параметров (амплитуды, полярности, мощности, длительности).

Логические элементы преобразуют входные сигналы в соответствии с элементарными логическими функциями на основе алгебры логики.

Запоминающим элементом называется элемент, который способен принимать и хранить код двоичной цифры (единицы или нуля). Рассмотрим элементную базу ЭВМ:

Дешифраторы (ДШ) - это комбинационные схемы с «.п» входами или m - 2^П выходами. Дешифраторы широко используются в ЭВМ для выбора информации по определенному адресу, для расшифровки кодов операции и др.

Шифраторы (ШР) решают задачу, обратную схемам ДПТ. то есть по номеру входного сигнала формируют однозначную комбинацию входных сигналов.

Схемы сравнения, или компаратор, обычно строятся как подразрядные для сравнения данных.

Комбинационный сумматор, принцип работы и построения которого вытекают из правил сложения двоичных цифр.

Более сложным преобразователем информации являются схемы с памятью. Наличие памяти в схеме позволяет запоминать промежуточные состояния обработки и учитывать их значения в дальнейших преобразованиях. В качестве простейшего запоминающего элемента в современных ЭВМ используют триггеры.

Регистром называется узел, предназначенный для машинного приема, временного хранения и выдачи машинного слова (группа бит). Они представляют собой совокупность триггеров, число которых соответствует число рядов в слове.

Счетчик - это узел ЭВМ, позволяющий осуществлять подсчет поступающих на его вход сигналов и фиксацию результатов в виде многоразрядного двоичного числа. Они используются для подсчета импульсов, сдвигов, формирования адресов и т.д.

Сумматор - это узел ЭВМ, в котором суммируются коды чисел. Он представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров, состоящих из сумматоров комбинационного типа.

ЭВМ, включают, кроме аппаратной части и программного обеспечения, большое количество функциональных средств.

Считается, что коды, система команд, алгоритмы выполнения различных процедур и взаимодействия аппаратной части и программного обеспечения, способы использования устройств при организации их совместной работы, составляющие принципы функционирования ЭВМ, образуют функциональную организацию ЭВМ.

Способы реализации функций ЭВМ составляют структурную организацию ЭВМ. Реализованы принципы функционирования ЭВМ могут быть по разному: аппаратными, программно-аппаратными или программными средствами.

Элементная база, функциональные узлы и устройства ЭВМ, программные модули различных видов (обработчики прерываний, драйверы, программы, файлы и др.) являются структурными компонентами ЭВМ.

ЭВМ представляет собой совокупность устройств, выполненных на больших интегральных схемах, каждая из которых имеет свое функциональное назначение.

Комплект интегральных схем, из которых состоит ЭВМ, называется микропроцессорным компонентом.

В состав микропроцессорных компонентов входят: системный таймер, микропроцессор (МП), сопроцессор, контроллер прерываний, контроллер прямого доступа к памяти, контроллеры устройств ввода-вывода.

Все устройства ЭВМ делятся на центральные и периферийные (рис. 20). В состав центральных устройств ЭВМ входят: центральный процессор, основная память и ряд дополнительных узлов, выполняющих служебные функции: контроллер прерываний и контроллер прямого доступа к памяти (ПДП).

Периферийные устройства делятся на два вида: внешние ЗУ (НЖМД, НГМД, НМЛ) и устройства ввода-вывода (УВВ): клавиатура, дисплей, мышь, адаптер каналов связи (КС) и др.

Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания.

Шина - это набор физических линий, связывающих центральный процессор, основную память и периферийные устройства воедино относительно передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти.

Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по образующим магистраль трем многоразрядным шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули - шине данных, шине адресов шине управления

Разрядность шины определяется количеством битов информации, передаваемых по шине параллельно.

К основным режимам работы процессора с использованием шины данных можно отнести:

• запись/чтение данных из оперативной памяти (оперативное запоминающее устройство - ОЗУ);

• запись/чтение данных из внешних запоминающих устройств (ВЗУ);

• чтение данных с устройств ввода;

• пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, формируя код адреса данного устройства, а для ОЗУ - код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по шине адресов, причем, сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к устройствам (однонаправленная шина). По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Для того чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ, interface от inter — между, и face — лицо).

Если обмен информацией ведется между периферийным устройством и контроллером, то соединяющая их линия передачи данных называется интерфейсом передачи данных, или просто интерфейсом.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты.

Контроллеры (адаптеры) представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют всю работу по обмену данными между компьютером и периферийным устройством и непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно отреагировать на него. За его выполнение процессор не отвечает, отвечает лишь соответствующий контроллер, поэтому периферийные устройства компьютера заменяемы и набор таких модулей произволен. Большая часть периферийных устройств подсоединяется очень просто—снаружи, через разъемы на корпусе системного блока к выходам соответствующих контроллеров - портам (периферийные устройства еще называются внешними, так как осуществляют связь ЭВМ с "внешним миром").

Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Последовательный порт обменивается данными с процессором побайтно, а с внешними устройствами — побитно. Параллельный порт получает и посылает данные побайтно.

К последовательному порту обычно подсоединяют медленно действующие или достаточно удалённые устройства, такие, как мышь и модем. К параллельному порту подсоединяют более «быстрые» устройства — принтер и сканер.

Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения.