1. Быстродействующие памяти (РОН, СОЗУ с прямым доступом, FIFO, LIFO на основе БИС СОЗУ, кэш-память, расслоение обращений к ОП, т.е. время доступа к памяти в 3-10 раз меньше, чем к ОП).

2. Быстродействующая память большой емкости - это ОП и дисковая кэш-память, располагаемая между основной и вторичной (дисковой) памятью (буферная память обычно типа FIFO), позволяющая снизить время доступа к вторичной памяти в 2-10 раз.

3. Виртуальная память (страничная, сегментная, сегментно-страничная организация памяти в общем адресном пространстве ЭВМ), когда для программиста память представлена как единое целое, а техническая реализация подразумевает использование емкости ОП и внешней дисковой памяти.

4. Общая память (совместное использование ОП множеством программ и процессоров на основе организации многопортового доступа к ОП и арбитражем доступов к памяти в мультипрограммных и мультипроцессорных системах).

5. Высоконадежная память:

   • с использованием корректирующих кодов для автоматического исправления одиночных ошибок;

   • память с системой защиты по атрибутам доступа, защитой, основанной на использовании мандата, описывающего правила, права доступа, путь доступа и допустимые операции, выполняемые с памятью (защищенный режим работы) или еще называют с защитой от несанкционированного доступа.

6. Интеллектуальная память - это такая память, в которой для доступа к данным указывается не адрес ячейки памяти, а только часть данных и смысловая связь с другими данными, к которым уже был произведен доступ

Программно-управляемый ввод-вывод.

Д анный режим характеризуется тем, что все действия по вводу/выводу реализуются командами прикладной программы. Наиболее простыми эти действия оказываются для "всегда готовых" внешних устройств, например индикатора на светодиодах. При необходимости ВВ в соответствующем месте программы используются команды IN или OUT. Такая передача данных называется синхронным или безусловным ВВ.

Программно-управляемый ввод-вывод означает обмен данными с внешними устройствами с использованием команд процессора. Передача данных происходит через регистры процессора и при этом в конечном счете может реализовываться обмен собственно с процессором, обмен внешнего устройства с памятью, обмен между внешними устройствами. Процессоры х86 имеют раздельную адресацию памяти и портов ввода-вывода и соответственно ввод-вывод может быть отображен либо в пространство ввода-вывода, либо вы пространство оперативной памяти (memory-mapped I/O). В последнем случае адрес памяти декодируется во внешнем устройстве и для выполнения ввода-вывода могут быть использованы все команды обращения к памяти. Каждое адресуемый элемент адресного пространства ввода-вывода именуется портом ввода, портом вывода или портом ввода-вывода. Для обращения к портам предназначены четыре основные команды процессора: In (ввод в порт), Out (вывод из порта), Ins (ввод из порта в элемент строки памяти) и Outs (вывод элемента из строки памяти). Последние две строковые команды ввода-вывода используются для быстрой пересылки блоков данных между портом и памятью в случае последовательно расположенных адресов портов в внешнем устройстве. Обмен данными с портами, при котором используются строковые команды ввода-вывода, получил название PIO (Programmed Input/Output) - программированный ввод-вывод.

Основной недостаток программного ВВ связан с непроизводительными потерями времени процессора в циклах ожидания. К достоинствам следует отнести простоту его реализации, не требующей дополнительных аппаратных средств.

Режим прямого доступа к памяти.

Прямой доступ к памяти (англ. Direct Memory Access, DMA) — режим обмена данными между устройствами или же между устройством и основной памятью (RAM) без участия Центрального Процессора (ЦП). В результате скорость передачи увеличивается, так как данные не пересылаются в ЦП и обратно.

Кроме того, данные пересылаются сразу для многих слов, расположенных по подряд идущим адресам, что позволяет использование т. н. «пакетного» (burst) режима работы шины — 1 цикл адреса и следующие за ним многочисленные циклы данных. Аналогичная оптимизация работы ЦП с памятью крайне затруднена.

В оригинальной архитектуре IBM PC (шина ISA) был возможен лишь при наличии аппаратного DMA-контроллера (микросхема с индексом Intel 8237).

DMA-контроллер может получать доступ к системной шине независимо от центрального процессора. Контроллер содержит несколько регистров, доступных центральному процессору для чтения и записи. Регистры контроллера задают порт (который должен быть использован), направление переноса данных (чтение/запись), единицу переноса (побайтно/пословно), число байтов, которое следует перенести.

ЦП программирует контроллер DMA, устанавливая его регистры. Затем процессор даёт команду устройству (например, диску) прочитать данные во внутренний буфер. DMA-контроллер начинает работу, посылая устройству запрос чтения (при этом устройство даже не знает, пришёл ли запрос от процессора или от контроллера DMA). Адрес памяти уже находится на адресной шине, так что устройство знает, куда следует переслать следующее слово из своего внутреннего буфера. Когда запись закончена, устройство посылает сигнал подтверждения контроллеру DMA. Затем контроллер увеличивает используемый адрес памяти и уменьшает значение своего счётчика байтов. После чего запрос чтения повторяется, пока значение счётчика не станет равно нулю. По завершении цикла копирования устройство инициирует прерывание процессора, означающее завершение переноса данных. Контроллер может быть многоканальным, способным параллельно выполнять несколько операций.

При работе в режиме прямого доступа к памяти (ПДП) контрол­лер ПДП выполняет следующие функции:

• принимает запрос на ПДП от внешнего устройства;

• формирует запрос микропроцессору на захват шин системной ма­гистрали;

• принимает сигнал, подтверждающий вход микропроцессора в со­стояние захвата (перехода в z-состояние, при котором процессор отключается от системной магистрали);

• формирует сигнал, сообщающий внешнему устройству о начале выполнения циклов ПДП;

• выдает на шину адреса системной магистрали адрес ячейки ОП, предназначенной для обмена;

• вырабатывает сигналы, обеспечивающие управление обменом данными;

• по окончании ПДП либо организует повторение цикла ПДП, либо

прекращает режим ПДП, снимая запросы на него.

Циклы ПДП выполняются с последовательно расположенными ячейками памяти, поэтому контроллер ПДП имеет счетчик числа пе­реданных байтов.

На рис. 6.4 приведена схема взаимодействия устройств микропро­цессорной системы в режиме ПДП.

Контроллеры ПДП (КПДП) в IBM PC совместимы снизу вверх, т.е. программы, написанные с использованием КПДП ранних моде­лей ЭВМ, нормально работают и на более поздних моделях.

Ввод-вывод по прерываниям.

Прерывания – это особый способ вызова подпрограмм.

Основное преимущество организации с использованием системы прерывания заключается в возможности организации фоновой работы, т.е. более эффективное использование функциональных возможностей процессора.

Схема организации ввода/вывода с использованием системы прерывания представлена на рис. 6.5.

Отличие этого метода организации ввода/вывода заключается в том, что:

• установка бита готовности не проверяется программой процессора, а приводит к формированию сигнала прерывания процессора,

• проверка нарушения тайм-аута производится не программно, а с использованием аппаратных средств процессора или внешних устройств.

В этом варианте программа ввода/вывода делается на части.

Начальная часть программы (передача параметров процедуре ввода/вывода) и заключительная часть исполняются в виде проблемной программы, а программа управления передачей оформляется в виде программы обработки внешнего прерывания.

При использовании программы обработки прерывания возникает ряд проблем. Это передача параметров и сохранение содержимого РОН.

При прерываниях основной контекст программы сохраняется аппаратно, а РОНы – в программе обработки прерывания. Перед выходом из прерывания программа обработки восстанавливает содержимое РОН. Но фоновая (проблемная) программа может испортить содержимое РОН, в которых программа управления вводом/выводом хранит текущий адрес оперативной памяти и размер блока вводимых (выводимых) данных. Чтобы этого не случилось, можно или сохранять эти параметры в зарезервированных ячейках оперативной памяти, или, для случая использования МП IA-32, в процедуре прерывания использовать механизм переключения задач (см. 3.3.1. Основные особенности организации программной  модели МП IA-32. Процедура переключения задач).

Схема взаимодействия программ при организации ввода/вывода с использование системы прерывания для случая использования процедуры переключения задач представлена на рис. 6.4. В схеме представлены две возможные программы обработки прерывания: программа ввода очередной порции данных с датчика в оперативную память по сигналу готовности и программа обработки возможной ошибки тайм-аута

Окончание процедуры ввода производится по обнулению счетчика данных.

Программируемый контроллер прерываний.

Программируемый контроллер прерываний (Programmable Interrupt Controller, PIC) отвечает за приём запросов прерываний от различных устройств, их хранение в ожидании обработки, выделение наболее приоритетного из одновременно присутствующих запросов и выдачу его вектора в процессор, когда последний пожелает обработать прерывание.

Устройства, способные вырабатывать запросы прерываний, традиционно подключались к компьютеру по шине ISA. Эта шина в настоящее время употребляется только в некоторых промышленных компьютерах, а в обычных ПК исчезла, будучи частично заменённой своим упрощённым вариантом — шиной LPC. К последней подключен ограниченный набор устройств, например, контроллер интерфейса PS/2, большинство же устройств подключается к современным шинам — PCI и её более поздним вариантам. В связи с этим была предусмотрена возможность отображения прерываний, вырабатываемых устройствами, подключенными к PCI, на линии IRQ традиционного контроллера прерываний. «Разруливание» (Steering) прерываний PCI и их отображение на линии IRQ выполняется через регистры управления маршрутизацией PIRQx (PIRQx Route Control Registers).

Принципы открытой архитектуры ВМ.

Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры.

Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

• Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определённая совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-производителями.

• Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, и, тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

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

Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой.

Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным.

Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных.

Для согласования интерфейсов переферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллёры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

Котролёры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллёры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление переферийными устройствами по запросу микропроцессора.

Шины расширения ВМ.

Шина расширения — компьютерная шина, которая используется на системной карте компьютеров или промышленных контроллеров, для добавления устройств (плат) в компьютер.

Ш ины расширения (expansion bus) ввода-вывода являются средствами подключения системного уровня: они позволяют адаптерам и контроллерам периферийных устройств непосредственно использовать системные ресурсы компьютера — пространство адресов памяти и ввода-вывода, прерывания, прямой доступ к памяти. Устройства, подключенные к шинам расширения, могут и сами управлять этими шинами, получая доступ к остальным ресурсам компьютера. Шины расширения механически реализуются в виде слотов (щелевых разъемов) или штырьковых разъемов; для них характерна малая длина проводников, то есть они сугубо локальны, что позволяет достигать высоких скоростей работы. Эти шины могут и не выводиться на разъемы, а использоваться для подключения устройств в интегрированных системных платах. В истории шин расширения ПК насчитывается уже 3 поколения. К первому поколению относится ISA — асинхронная параллельная шина с низкой пропускной способностью (единицы мегабайт в секунду), не имеющая средств обеспечения надежности обмена и автоконфигурирования. Второе поколение началось с шины EISA (а также МСА), за которой последовали шина PCI и ее расширение PCI-X. Это поколение параллельных синхронных надежных шин со средствами автоконфигурирования. Имеются варианты, снабженные возможностью «горячего» подключения-отключения. Скорость передачи достигает единиц гигабайт в секунду. Для подключения большого числа устройств применяется иерархическое объединение шин с помощью мостов в древовидную структуру. Для третьего поколения (шина PCI Express, она же 3GIO, Hyper Transport, Advanced Switching и InfiniBand) характерен переход от шин к двухточечным соединениям с последовательным интерфейсом; средством объединения множества абонентов являются «коммутационные фабрики». По сути, третье поколение расширения ввода-вывода приближается к сугубо локальным (в пределах системной платы) сетям.

Понятие стандартного интерфейса. Параллельный интерфейс.Последовательный интерфейс. Стандартные интерфейсы ВМ.

Все это и явилось основой для совершенствования систем, обеспе­чивающих связь ЭВМ с периферийными устройствами.

В общем случае для организации и проведения обмена данными между двумя устройствами требуются специальные средства:

• специальные управляющие сигналы и их последовательности;

• устройства сопряжения;

• линии связи;

• программы, реализующие обмен.

Весь этот комплекс линий и шин, сигналов, электронных схем, ал­горитмов и программ, предназначенный для осуществления обмена информацией, называется интерфейсом.

В зависимости от типа соединяемых устройств различаются:

• внутренний интерфейс ЭВМ (например, интерфейс системной шины, НМД), предназначенный для сопряжения элементов внутри системного блока ПЭВМ;

• интерфейс ввода-вывода — для сопряжения различных устройств с системным блоком (клавиатурой, принтером, сканером, мышью, дисплеем и др.);

• интерфейсы межмашинного обмена (для обмена между разными машинами) — для сопряжения различных ЭВМ (например, при об­разовании вычислительных сетей);

• интерфейсы «человек — машина» — для обмена информацией меж­ду человеком и ЭВМ.

Для каждого интерфейса характерно наличие специального аппа­ратного комплекса (рис. 6.1).

Характер использования этого аппаратного комплекса определя­ется технологией обмена, установленным церемониалом, идеологией данного интерфейса, протоколом общения.

Особое место занимает человеко-машинный интерфейс, реализу­ющий специфические методы организации общения. Например, цере­мониал человеко-машинного общения предусматривает «дружествен­ность пользователю», которая может обеспечиваться техническими средствами, программами и технологией общения.

Преимущества последовательного соединения

Как уже отмечалось, по своей природе интерфейсы USB и IEEE 1394 являются последовательными. При этом данные передаются по одному проводу по одному биту за такт. В то же время параллельные порты (SCSI, ATA и LPT) предполагают одновременное использование 8, 16 и более проводов. Можно предположить, что за одно и то же время через параллельный канал передается больше данных, чем через последовательный, однако на самом деле увеличить пропускную способность последовательного соединения намного легче, чем параллельного.

Параллельное соединение обладает рядом недостатков, одним из которых является фазовый сдвиг сигнала, из-за чего длина параллельных каналов, например SCSI, ограничена (не должна превышать 3 м). Проблема в том, что, хотя 8- и 16-разрядные данные одновременно пересылаются передатчиком, из-за задержек одни биты прибывают в приемник раньше других. Следовательно, чем длиннее кабель, тем больше время задержки между первым и последним прибывшими битами на принимающем конце. Этот эффект называют перекосом сигнала; он не дает возможности использовать длинные кабели, а также высокие тактовые частоты. Способность сигнала достигать на втором конце провода определенного напряжения с небольшими колебаниями в течение короткого промежутка времени называют флуктуацией.