Базовая функциональная схема компьютера pc
Базовая функциональная схема компьютера PC (рис. 2) содержит четыре основных функциональных устройства: процессор, основную память, устройства ввода-вывода (УВВ или периферийные устройства), системную шину (СШ). СШ содержит три группы соединительных линий, которые называются шиной адреса (ША), шиной данных (ШД) и шиной управления (ШУ). Разрядность ША, ШД, ШУ, порядок взаимодействия устройств, уровни и последовательности сигналов в СШ стандартизированы.
К основным УВВ относятся: клавиатура, мышь, монитор (дисплей), винчестер – накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД или ЖД) Hard Disk Drive (HDD), дисковод для гибких магнитных дисков Floppy Disk Drive (FDD), принтер.
Компьютеры PC построены с использованием основных принципов Дж.фон Неймана, изложенных выше. Управление вычислительным процессом осуществляет процессор – Central Processing Unit (CPU). ОП имеет линейно-адресную организацию. Адреса являются именами данных, которые используются в командах программ. Множество адресов, используемых в командах, образует адресное пространство (АП). Обмен информацией между устройствами по СШ называют внутримашинным обменом. В любом обмене участвуют как минимум два устройства: активное (источник) и пассивное (приемник). В PC для организации внутримашинных обменов используют два адресных пространства: АП ОП и АП УВВ.
Шиной (магистралью) в ВМ называют совокупность линий передачи сигналов, к которым параллельно может подключаться несколько блоков. По шине передаются адреса, данные и управляющие сигналы. Физически шина представляет собой печатные проводники, к которым подключаются одноименные входы-выходы различных блоков ВС.
ША служит для адресации ячеек памяти и регистров (портов) внешних устройств, с которыми взаимодействует процессор. Адрес по шине подается во все подключенные к ней устройства. Все устройства содержат селекторы адреса, с помощью которых распознают собственный адрес. На обращение по шине реагирует только адресуемое устройство. Именно оно по сигналу от селектора адреса воспринимает управляющие сигналы, передаваемые по ШУ, и реализует соответствующие операции.
Различают два типа информационного обмена по СШ: ввод (чтение) и вывод (запись). Передача данных в процессор называется вводом, а от процессора – выводом. При обмене активное устройство (чаще всего процессор) формирует код адреса, соответствующий номеру ячейки в ОП либо номеру порта, используемого для временного хранения одного слова данных.
По ШД производится обмен данными между процессором, памятью и УВВ, подключенными к шине. ШД – двунаправленная. По этой шине процессор имеет возможность как передавать информацию в другие устройства, так и получать информацию от других устройств.
В каждый конкретный момент времени информация по двунаправленной ШД может передаваться только в одном направлении, поэтому необходимо иметь специальные сигналы, указывающие это направление. Такие управляющие сигналы вырабатывает процессор. Эти сигналы определяют «режим обмена» по шине.
Все управляющие сигналы передаются по ШУ, в которой большинство линий – однонаправленные, а некоторые – двунаправленные. Управляющие сигналы передаются во все блоки ВМ, подключенные к шине, настраивая их на нужный режим работы.
Для уменьшения затрат времени на информационный обмен между ОП и процессором включают буферную кэш-память. Первый уровень кэш-памяти расположен на кристалле современного процессора, второй уровень – на кристалле процессора или в непосредственной близости от этого кристалла. При этом обмен с ОП происходит не отдельными словами, а пакетами слов, что позволяет более эффективно использовать разделяемый ресурс – шину.
Применительно к задачам информационного взаимодействия различных устройств используется понятие «интерфейс»
Под интерфейсом (Interface – сопряжение) понимается совокупность аппаратных, программных и конструктивных средств, используемых для реализации информационного взаимодействия функциональных блоков в ВМ (ПК). Понятие «интерфейс» используется во всех устройствах ВМ: процессора, СШ, ОП, периферийных устройств.
Для согласования интерфейсов СШ и периферийных устройств используют аппаратные средства (адаптеры или контроллеры), размещаемые на печатных платах расширения. Контроллер отличается от адаптера тем, что он является активным устройством, т.е. устройством, способным к самостоятельным действиям без участия процессора после получения команд от обслуживающих его программ.
Интерфейсные блоки (адаптеры, контроллеры, интерфейсные карты) являются буфером между периферийными устройствами и процессором. Они содержат регистры (порты), которым соответствуют определенные адреса в АП ввода-вывода. Буфер требуется для преобразования форматов представления данных и скорости передачи, свойственных периферийным устройствам, в форматы и скорости, с которыми работает процессор компьютера.
Для организации информационного обмена с периферийными устройствами используются три способа:
программный опрос, в этом случае инициатором обмена выступает процессор, который при необходимости обращается к регистрам периферийных устройств (портам) по соответствующим адресам;
обмен с прерыванием программы (он реализуется с помощью механизма аппаратных прерываний, который обеспечивает реакцию компьютера на асинхронные события по запросам периферийных устройств);
передача информации в режиме прямого доступа к памяти – Direct Memory Access (DMA).
Прямой доступ к памяти используется, когда требуется высокая скорость обмена между внешними устройствами и памятью. В режиме DMA процессор отключается от СШ. Передача данных производится не одиночными словами, а пакетами. Обменом управляет специальный контроллер DMA, который осуществляет формирование управляющих сигналов в ШУ и адресов в ША. Контроллер DMA можно рассматривать как сопроцессор ввода-вывода, освобождающий центральный процессор от задач управления обменом при передаче массива между периферийными устройствами и ОП.