Архитектура ЭВМ

Некоторые внешние  устройства могут вставляться внутрь системного блока компьютера (например модем, сетевой адаптер, плата мультимедиа). Для подключения таких устройств  к компьютеру необходимо, чтобы на основной электронной плате компьютера – системной (материнской плате) имелись свободные гнезда расширения (разъемы, или слоты) для подключения  устройств.

Для взаимодействия периферийных устройств необходим  обмен информацией между оперативной  памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом-выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно: между любым внешним устройством  и оперативной памятью в компьютере имеются два промежуточных звена:

1. Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется управляющая электронная схема. Эта схема называется контроллером или адаптером. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.
2. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую обычно называют системной шиной.

Все блоки компьютера соединяются системной магистралью  или шиной. Системная шина (ISA) –  это набор проводов, передающих электрические  сигналы от одной схемы компьютера к другой. Шина данных двунаправленная, то есть действует в любую сторону. Объединение модулей с помощью  системных шин дает возможность  подключать к ПК различные дополнительные устройства (принтер, модем, сканер, web-камеру т.д.). Системная шина включает в себя три многоразрядные шины:

• шину данных
• шину адреса
• шину управления.

Они представляют собой много проводные линии. К магистрали подключаются: процессор, оперативная память, устройства ввода-вывода, памяти и другие устройства, которые обмениваются данными на машинной языке. Важной характеристикой шины служит ее производительность, то есть объем информации, которую можно по ней передать за одну секунду. Производительность шины во многом определяется ее разрядностью. Разрядность шины определяет количество бит, передаваемых одновременно от одного устройства к другому. Чем больше разрядность шины, тем больше бит информации передается одновременно, например, между процессором и памятью.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Организация и разрядность интерфейсов ЭВМ

 

 

Устройства вычислительной системы соединяются друг с другом с помощью унифицированных систем связи, называемых интерфейсом. Интерфейс  представляет собой систему шин, согласующих устройств, алгоритмов обеспечивающих связь всех частей ЭВМ  между собой. От характеристик интерфейса  зависит быстродействие и надежность ЭВМ. Интерфейс должен быть стандартизирован с тем, чтобы он обеспечивал связь процессора и оперативной памяти с любым периферийным устройством (ПУ). Необходимое преобразование формата данных должно производиться в ПУ. Алгоритмы функционирования интерфейса и управляющего сигнала также должны быть стандартизированы. Схемы интерфейса обычно располагаются в самих связываемых устройствах.

Типы интерфейса:

1. Интерфейс ОЗУ - через него производится обмен данными между ОЗУ и процессором, между ОЗУ и каналами ввода - вывода. Ведущим в обмене данными, т.е. начинающим операцию обмена, является процессор и каналы ввода - вывода, а исполнителем - ОЗУ. Этот интерфейс является быстродействующим. Информация через него передается словами и полусловами.
2. Интерфейс с процессором - через него происходит обмен информацией между процессором и каналами ввода - вывода. Ведущий - процессор,  исполнитель - каналы. Интерфейс является быстродействующим. Обмен информацией через него происходит словами и полусловами.
3. Интерфейс  ввода - вывода. Через него происходит обмен информацией между каналами ввода - вывода и устройствами управления ПУ. Обмен информацией производится байтами. Его быстродействие меньше, чем у первых двух типов.
4. Интерфейс периферийных аппаратов (ПА). Через него происходит обмен информацией между устройствами управления ПА и самими ПА. Он не может быть стандартизирован, т.к. ПА очень разнообразны.

Для компьютеров и связанных  с ним устройств наиболее распространенной является задача передачи дискретных данных, и, как правило, в значительных количествах (не один бит). Самый распространенный способ представления данных сигналами  — двоичный: например, условно высокому (выше порога) уровню напряжения соответствует  логическая единица, низкому — логический ноль (возможно и обратное представление). Для того чтобы передавать группу битов, используются два основных подхода  к организации интерфейса: 

• Параллельный интерфейс — для каждого бита передаваемой группы используется своя сигнальная линия (обычно с двоичным представлением), и все биты группы передаются одновременно за один квант времени. Примеры: параллельный порт подключения принтера (LPT-порт, 8 бит), интерфейс ATA/ATAPI (16 бит), SCSI (8 или 16 бит), шина PCI (32 или 64 бита);
• Последовательный интерфейс — используется лишь одна сигнальная линия, и биты группы передаются друг за другом по очереди; на каждый из них отводится свой квант времени (битовый интервал). Примеры: последовательный коммуникационный порт (COM-порт), последовательные шины USB и FireWire, PCI Express, интерфейсы локальных и глобальных сетей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Организация и способы адресации памяти

 

 

Известно, что память ЭВМ  предназначена для хранения программ и данных, причем эффективность работы ЭВМ во многом определяется характеристиками ее памяти.

В современных ЭВМ организуют комплекс разнотипных ЗУ, взаимодействующих  между собой и обеспечивающих приемлемые характеристики памяти ЭВМ  для каждого конкретного применения. В основе большинства ЭВМ лежит  трехуровневая организация памяти: сверхоперативная (СОЗУ) — оперативная (ОЗУ) — внешняя (ВЗУ). СОЗУ и ОЗУ  могут непосредственно взаимодействовать  с процессором, ВЗУ взаимодействует  только с ОЗУ.

СОЗУ обладает максимальным быстродействием (равным процессорному), небольшим объемом (10⁵ — 10⁷ байтов) и располагается, как правило, на кристалле процессорной БИС. Для обращения к СОЗУ не требуются магистральные (машинные) циклы. В СОЗУ размещаются наиболее часто используемые на данном участке программы данные, а иногда — и фрагменты программы.

Быстродействие ОЗУ может  быть ниже процессорного (не более чем  на порядок), а объем составляет 10⁵ — 10⁷ байтов. В ОЗУ располагаются подлежащие выполнению программы и обрабатываемые данные. Связь между процессором и ОЗУ осуществляется по системному или специализированному интерфейсу и требует для своего осуществления машинных циклов.

Информация, находящаяся  в ВЗУ, не может быть непосредственно  использована процессором. Для использования  программ и данных, расположенных  в ВЗУ, их необходимо предварительно переписать в ОЗУ. Процесс обмена информацией между ВЗУ и ОЗУ  осуществляется средствами специального канала или (реже) — непосредственно  под управлением процессора. Объем  ВЗУ практически неограничен, а  быстродействие на 3 — 6 порядков ниже процессорного.

Схематически взаимодействие между процессором и уровнями памяти представлено на рис. 3.

 

Рис. 3. Взаимодействие между  процессором и уровнями памяти

Следует помнить, что положение  ЗУ в иерархии памяти ЭВМ определяется не элементной базой запоминающих ячеек, а возможностью доступа процессора к данным, расположенным в этом ЗУ.

При организации памяти современных  ЭВМ (МПС) особое внимание уделяется  сверхоперативной памяти и принципам  обмена информацией между ОЗУ  и ВЗУ.

Для эффективного применения СОЗУ следует таким образом распределять информацию по уровням памяти ЭВМ, чтобы в СОЗУ всегда располагались наиболее часто используемые в данный момент коды.

Принято различать СОЗУ по способу доступа к хранимой в нем информации. Известны два основных класса СОЗУ по этому признаку:

• С прямым доступом
• С ассоциативным доступом.

СОЗУ с прямым доступом (POH — регистры общего назначения) получило широкое распространение в большинстве современных ЭВМ. Фактически РОН — это небольшая регистровая намять, доступ к которой осуществляется специальными командами. Стратегия размещения данных в РОН целиком определяется программистом (компилятором). Обычно в РОН размещают многократно используемые адреса (базы, индексы), счетчики циклов, данные активного фрагмента задачи, что повышает вероятность обращения в ячейки РОН по сравнению с ячейками ОЗУ.

Применение СОЗУ с ассоциативным доступом позволяет автоматизировать процесс размещения данных в СОЗУ, обеспечивая "подмену" активных в данный момент ячеек ОЗУ ячейками СОЗУ. Эффективность такого подхода существенно зависит от выбранной стратегии замены информации в СОЗУ.

Принцип ассоциативного доступа  состоит в следующем. Накопитель ассоциативного запоминающего устройства (АЗУ) разбит на два поля — информационное и признаков. Структура информационного  поля накопителя соответствует структуре  обычного ОЗУ, а запоминающий элемент  поля признаков, помимо функции записи, чтения и хранения бита, обеспечивает сравнение хранимой информации с  поступающей и выдачу признака равенства.

Способ использования  АЗУ в качестве сверхоперативного иллюстрирует рис. 4. В информационном поле ячеек АСОЗУ — копия информации некоторых ячеек ОЗУ, а в поле признаков — адреса этих ячеек ОЗУ. Когда процессор генерирует обращение к ОЗУ, он одновременно (или прежде) инициирует процедуру опроса АСОЗУ, выдавая в качестве признака адрес ОЗУ.

Если имеет место совпадение признака ячейки с запрашиваемым  адресом (не более одного раза, алгоритм загрузки АСОЗУ не предусматривает  возможности появления одинаковых признаков), то процессор обращается (по чтению или по записи) в информационное поле этой ячейки АСОЗУ, при этом блокируется  обращение к ОЗУ. Если требуемый  адрес не найден в АСОЗУ, инициируется (или продолжается) обращение к  ОЗУ, причем в АСОЗУ создается  копия ячейки ОЗУ, к которой обратился  процессор. Повторное обращение  процессора по этому адресу будет  реализовано в АСОЗУ (на порядок  быстрее, чем в ОЗУ).

Наличие АСОЗУ в ЭВМ  позволяет (при достаточном его  объеме и правильно выбранной  стратегии загрузки) значительно  увеличить производительность системы. При этом наличие или отсутствие АСОЗУ никак не отражается на построении программы. АСОЗУ не является программно-доступным  объектом, оно скрыто от пользователя.

 

Рис. 4. Принцип ассоциативного доступа

Кэш-память, структура которой приведена на рис. 3, носит название полностью ассоциативной. Здесь каждая ячейка кэш может подменять любую ячейку ОЗУ. Достоинство такой памяти — максимальная вероятность кэш- попадания (при прочих равных условиях), по сравнению с другими способами организации кэш. К недостаткам можно отнести сложность ее структуры (а следовательно, и высокую стоимость). Действительно, в каждом разряде поля признаков необходимо реализовать, наряду с возможностями записи и хранения, функцию сравнения хранимого бита с соответствующим битом признака, а потом конъюнкцию результатов сравнения разрядов в каждой ячейке.

Кэш-память с прямым отображением требует минимальных затрат оборудования (по сравнению с другими вариантами организации кэш), но имеет минимальную вероятность кэш-попаданий. Суть организации (рис. 5) состоит в следующем. Физическая оперативная намять разбивается на блоки (множества) одинакового размера, количество которых (блоков) соответствует числу ячеек кэш, причем каждой строке ставится в соответствие определенное множество ячеек памяти, не пересекающееся с другими. Все ячейки множества претендуют на одну строку кэш.

Такая организация кэш  исключает собственно ассоциативный  поиск, а следовательно, значительно  упрощается схема ячейки поля признаков. 

Рис. 5. Кэш-память с прямым отображением

Выше были рассмотрены  способы организации сверхоперативной памяти и ее взаимодействия с оперативной. Не менее, а порой и более важной проблемой является организация  взаимодействия в паре ОЗУ — ВЗУ.