ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ И СИСТЕМ

Самостоятельная работа № 3.1. АРХИТЕКТУРА ЭВМ

Рассмотрим структурную схему того, что уже можно назвать ЭВМ (рис. 1).

Процессор

ОЗУ

АЛУ

РОНы

данные К внешнему К внешнему К внешнему

устройству устройству устройству

№ 1 № i № n

ПЗУ

UY₁

UY_i

UY_n

упр

ЦА

РКОП

Шина управления (ШУ)

Шина адреса (ША)

Шина данных (ШД)

С и с т е м н а я м а г и с т р а л ь

Рисунок 1

Поскольку ЭВМ создавалась по oбpазу и подобию человека, то и мы попробуем характеризовать основные компоненты ЭВМ с этой, возможно не очень корректной, точки зрения. Итак, сердцем ЭВМ является процессор, основу которого составляет цифровой автомат ЦА. Он «разгадывает» очередной код операции и в соответствии с ним производит определенные действия со всеми составляющими ЭВМ. АЛУ тоже является частью цифрового автомата, но выделено отдельно, так как оно программно доступно относительно выбора операции: сложения, вычитания, конъюнкции, дизъюнкции и тому подобное.

РОНы - локальная память малой емкости — сверхбыстродействующее ОЗУ. Реализовано, как правило, на триггерах, объединенных по 8, 16 или 32 шт. в регистры. Длина регистра зависит от длины слова, которым оперирует процессор. Размер информационного слова принято считать 1 байт (1 Byte) = 8 бит (8 Bite), то есть равным 8-и разрядам. Поэтому, в отношении процессора обычно оперируют терминами «однобайтовый», «двухбайтовый» и тому подобное.

Процессор подсоединяется к системной шине (магистрали) как активное устройство (командир). Системная шина имеет множество разновидностей, но любые системные шины можно объективно разделить на два вида, так называемые Q-bus и MultiBus.

Q-bus — шина со совмещенной шиной данных и адреса (ШДА). Что и в какой момент находится на ШДА - можно узнать только по определенным фронтам управляющих сигналов. Кроме этого, все запросы на прерывания и их инициирование происходят по последовательному протоколу. Если вернуться к рассмотренному примеру со звонком, то представьте себе не один, а несколько телефонных аппаратов, но с общим звонком. И чтобы найти, какой телефон звонит, нужно последовательно снимать трубки, пока не будет обнаружен тот единственный. Q-bus считается наиболее совершенной системой шины, так как предусматривает очень надежный протокол установления связи с любым компонентом ЭВМ.

Алгоритм его приведен на рис. 2 - на примере вывода данных (из процессора в устройство).

Нет

Да

Да

Рисунок 2

MultiBus —системная шина с разделенными шинами данных ШД и адреса ША (рисунок 1). Кроме этого, все запросы на прерывание в MultiBus поступают радиально (то есть, параллельно). Если, к примеру, в ЭВМ предусматривается обработка 16 запросов на прерывание, то системная шина должна иметь в составе шины управления 16 проводников для этих запросов, а не 1, как это реализовано в Q-bus. И к сему, выдача процессором адреса и данных устройства не предусматривается, как это делается в Q-bus. Не предусматриваются подтверждение обнаружения устройства с установленным адресом и подтверждение приема этим устройством данных. Можно встретить иногда MultiBus с ответом распознавания адреса, но это скорее исключение, чем правило.

Все дело в том, что системные шины живут и развиваются как бы сами по себе. Наилучший пример тому — железные дороги. Ширина колеи, высота рельсов, нагрузка на единицу площади, закругления и угол наклона на поворотах, габариты тоннелей, высота троллеи — все это уже навсегда, пока существует железнодорожное сообщение. Что-то здесь будет меняться, например, вместо деревянных шпал - железобетонные, но принципиально — никогда. Замечательно, что все разработки, будь то электровоз, дрезина, грузовой или пассажирский вагон и другие виды изделий транспортировки по рельсам могут бесконечно модернизироваться и даже создаваться новые, поскольку заранее известно, что «правила игры» остаются неизменными. В этом смысле консерватизм параметров железнодорожного пути является составляющей прогресса развития транспортных средств на железных дорогах. Всё сказанное совершенно адекватно и к системным шинам Q-bus и MultiBus, несмотря на некоторые их очевидные недостатки.

Подводя итог, можно сказать, что системная шина является кровеносной системой ЭВМ. Обязательным элементом ЭВМ является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Все дело в том, что без ЗУ ЭВМ является устройством с «пустыми мозгами», а точнее — без них. Хотя бы для того, чтоб ЭВМ могла загрузить в себя чужой интеллект, нужна программа первоначальной загрузки с какого-либо внешнего устройства, например, с жесткого диска или компакт-диска. А для этого, как минимум, нужно настроить соответствующий адаптер, потом через него привести в исходное состояние дисковод, проверить область ОЗУ, куда будет загружаться этот самый интеллект в виде операционной системы, а затем только загрузить операционную систему. Вся описанная последовательность реализуется программой, зашитой в ПЗУ, и называется программой инициализации (INIT). Следовательно, ПЗУ играет роль спинного мозга, который хранит программы рефлекторных, а не сознательных действий.

ОЗУ же предназначено как для хранения выполняемых программ, так и результатов их выполнения. Кроме этого ОЗУ используется операционной системой для регистрации состояния практически всех составляющих узлов микропроцессорной системы. ОЗУ, как правило, по объему во много раз меньше, чем объем внешних носителей информации. И что удивительно, незаметно стремление развивать объем ОЗУ до объема внешних носителей. Что это? Факт, отражающий реальное положение дел в этой области?

Что человеческий мозг ограничен по емкости, а размеры книжных полок и их количество ограничивать теоретически нечем?

Ну и, наконец, связь с внешним миром. Для того, чтобы это интеллектуальное устройство не было бы изолировано от внешнего мира, чтобы могло «слышать» и «видеть», «говорить» и «воздействовать», необходимо, как минимум, иметь входное и выходное интерфейсные устройства. Какие функции они реализуют? Их две.

Во-первых, с одной стороны они должны полностью сопрягаться с системной шиной по протоколу системной шины, и с другой стороны - по протоколу внешнего устройства сопрягаться с внешним устройством. Протоколы установления связи и обмена для внешних устройств, как правило, стандартизованы: RS-232, Centronics, IRРR и так далее. Знакомство с ними произойдет при изучении соответствующих интерфейсных схем. Таким образом, интерфейсные устройства (схемы) играют роль переводчиков. Отсюда и название: интерфейс.

Во-вторых, интерфейсное устройство должно быть согласовано по электрическим параметрам с обоими «разговаривающими». А эти сигналы бывают различными и по напряжению, и по мощности, и по составляющей помехе. Поэтому, интерфейсные интегральные схемы (ИИС), как правило, «обвязываются», то есть между ИИС и внешним устройством ставятся специальные приемники и передатчики. Это схемное решение: интерфейсная ИИС плюс обвязка — и называется адаптером.

Теперь, когда в общих чертах обрисована структура и функции ЭВМ минимальной конфигурации, можно перейти к понятиям: однокристальный микропроцессор, микропроцессорный модуль, микропроцессорная секция (секционный микропроцессор), однокристальная ЭВМ.

Секционный микропроцессор

Вернемся к рис. 1. Если из состава микропроцессора извлечь цифровой автомат, то микропроцессор превратится в микропроцессорную секцию со входами управления функциями АЛУ и чтением-записью РОНов.

Проигрыш — отсутствует реализация команд.

Выигрыш — можно самим реализовывать любую систему команд микропроцессора и обрабатывать любую длину слова (за 1 раз), так как синтезировать цифровой автомат предоставляется самим. Для секционных микропроцессоров даже существует такой термин: «Система команд пользователя». Типичные отечественные представители этого семейства:

К581 — 8р., 16р. n-МОП;

К583 — 8xn p. И²П;

K588 —16&n p. КМОП;

К589 — 2& n p. ТТЛШ,

KI800 — 4& n pЭСЛ;

К1804 —4& n p.ТТЛШ;

К1811 — 8& n p. n - МОП;

Здесь первая буква и последующие цифры означают семейство микросхем микропроцессорного комплекта; цифра после тире - число разрядов в секции; «n» - множитель (целое число), показывающий возможное увеличение размера обрабатываемого слова; «р.» - разряд; последние буквы - тип технологии (например, ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика).

Однако, как показывает опыт, производители ЭВМ на секционных микропроцессорах (ряд ЭВМ СМ: г. Киев, г. Северодонецк— в Украине) всё же реализуют известные системы команд. И это вполне понятно. Консерватизм в системе команд — это тоже путь к прогрессу в области программного продукта.

Однокристальный микропроцессор

Однокристальный микропроцессор это собственно все то, что входит в процессор (рис. 1, ПРОЦЕССОР).

Типичные представители:

(США) (аналог, Россия) (технология)

Intel 8085 (1821ВМ85), n - МОП;

Zilog 80 (1858BM80), n - МОП;

F11/34 (DEC) (1801ВМЗ), n- MOП;

МС 6800 (Motorola) (нет), n –МОП.

F11/34 - микропроцессор фирмы Digitai Equipment Corporation (DЕC), с одной из самых лучших системой команд. Изготавливается по специальной вентильной технологии. Системная шина: Q-bus. Аналог в России -1801ВМЗ. Как самый надежный из семейства однокристальных микропроцессоров (МП) используется в военной технике.

Известные родоначальники персональных ЭВМ:

— на основе МП F11 —ПЭВМ PDF-11 с операционной системой RT-11;

— на основе МП МС6800 ПЭВМ «Mackintosh» .

Микропроцессорный модуль

Этот термин совершенно не принципиальный. А появился он потому, что фирме Intel на определенном этапе не удалось вырастить очередной микропроцессор в одном кристалле. Представьте себе, что некто «вытащил» из процессора генераторную часть ЦА (рис. 1) и часть ЦА, которая управляет системной шиной, и «обрезал» эти связи, оставив выводы этих связей наружи.

Таким образом, получилось три кристалла, и, как следствие, три корпуса микросхем. Для одного из семейств Intеl-8080 одна из них называется генератор-формирователь (8224), другая (8228) контроллер системной шиной (CONTROL — управлении) и третья (8080) — остатки процессора, которую принято называть: микропроцессор. Понятно, что процессором это все может называться только тогда, когда все эти кристаллы соединятся соответственно «обрезанными» выводами в единое логическое устройство. Вот это все: 8224 & 8228 & 8080 и есть микропроцессорный модуль (МПМ). Так выглядит родоначальник, составляющий основу популярного семейства компьютеров IBM PC на основе МПМ из четырех микросхем (кристаллов или чипов):

Чип	Микропроцессорная система
8284	Известный базовый 16-разрядный PC/XT фирмы IBM с операционной системой MS-DOSфирмы Microsoft.
8288
8086
8087