Магистрально-модульный принцип построения электронных вычислительных машин. Понятие интерфейса

Классы устройств электронных вычислительных машин

......

Рисунок 3.3

1) на уровне структурных схем (Э1) используются УГО, представленные на рисунке 3.3;

2) уровень функциональных схем (Э2) - в качестве элементов используются известные функциональные узлы, которые обозначаются либо в виде прямоугольников, либо в виде УГО.

УГО для комбинационных схем:

для дешифраторов – - DC

для шифраторов - - CD

для сумматоров - - CМ

Р

для регистров -

для регистров сдвига -

3) уровень принципиальных схем (Э3) – используются УГО для ЛЭ:

В зависимости от назначения устройства ЭВМ принято разделять на 4 класса: процессоры, ОУ, ЗУ, УВВ.

1. Процессор - это устройство, предназначенное для реализации процесса выполнения программы, загруженной в память ЭВМ.

Отличительная особенность процессора - его активность, которая заключается в том, что процессор автоматически выбирает из ОП очередную команду программы, реализует её сам или с помощью других устройств ЭВМ, а затем извлекает из памяти следующую команду и т.д. Т.о. функционирование процессора сводится к реализации известного цикла выполнения команд. Другая особенность: заданный набор команд К=К_1, ..., К_n.

Следует отметить, что процессоры различают двух типов: центральные и специализированные.

2. Операционное устройство (ОУ) - это устройство, предназначенное для выполнения операций из списка F={f₁,..., f_G} над словами-операндами D={d₁,..., d_m} c целью вычисления слов-результатов R={r_1, ..., r_Q}, причём, в каждый момент времени устройство может выполнять одну операцию R=f_g(D^x), заданную кодом операции gє{1,..., G}.

Под операцией f_g понимают вычисление значения функции f_g в точке D=D^x. Пример: r₁=d₁+d₂=5+10=15. Кроме того, под операцией понимается операция из списка F. Если операция не принадлежит F, то это не операция. Это либо МО, либо макрооперация.

В список F, в общем случае, можно включать любые операции. Однако их количество и сложность влияют на сложность ОУ и, следовательно, на количество оборудования - аппаратные затраты на ОУ. В ЭВМ к классу ОУ относятся АЛУ (обычно, но не всегда), а также контроллеры ПУ.

Как элементы структуры ОУ будем обозначать следующим образом:

Функция ОУ задаётся списком операций F_ОУ={f₁,...,f_G}. Пример ОУ - АЛУ: функция F_АЛУ={+,-,*,/,...}.

Основные характеристики ОУ, как и процессоров, - быстродействие и затраты оборудования. Быстродействие ОУ определяется количеством операций, реализуемых в единицу времени V_ОУ={V₁,..., V_G} и зависит от времени выполнения операции t: V=1/t. Поскольку операции разные (по сложности), то обычно и время их выполнения разное: t₁, t₂,..., t_G. Отсюда и разное быстродействие ОУ при выполнении различных операций.

Затраты оборудования оцениваются суммарным количеством элементов, из которых строится ОУ. Сложность элементов можно оценивать по Квайну: количеством входов всех логических элементов. Сложность интегральных схем можно оценивать количеством элементов (p-n-переходов, например) или размерами кристалла.

Следует отметить, что понятие ОУ является абстрактным. В ЭВМ используются не абстрактные ОУ, а конкретные, т. е. АЛУ, контроллеры конкретных периферийных устройств: НМД, принтеров, клавиатуры и т. п. Одно ОУ от другого отличается назначением и, следовательно, перечнем операций. Например, АЛУ и контроллер гибких дисков по принципу построения - операционные устройства, а по назначению (и списку операций) – это разные ОУ.

3. Класс ЗУ. ЗУ называют устройство, предназначенное для хранения информации и снабженное средствами, обеспечивающими запись и чтение элементов информации (байтов, слов) в ячейки ЗУ.

В зависимости от назначения ЗУ разделяют на 3 класса:

СОЗУ – сверхоперативные ЗУ - предназначены для построения сверхоперативной памяти ЭВМ (памяти первого уровня). Основная отличительная особенность - сверхвысокое быстродействие, небольшая емкость и большая удельная стоимость хранения информации.

ОЗУ – оперативные ЗУ - предназначены для построения ООП ЭВМ (памяти второго уровня). Отличительные особенности: высокое быстродействие и емкость, умеренная удельная стоимость.

ВЗУ – внешние ЗУ - предназначены для построения внешней памяти (третьего уровня). Основные характеристики: низкое быстродействие, очень большая (практически неограниченная) емкость, малая удельная стоимость.

СОЗУ строятся на основе триггеров в качестве запоминающих элементов (статическая память типа SRAM).

ОЗУ строятся на основе паразитных емкостей p-n переходов в качестве запоминающих элементов – динамическая память типа DRAM.

ВЗУ строится на базе различного рода носителей информации: магнитных – МЛ, МД (жестких и гибких), оптических (ОД типа СD ROM и др.) в качестве запоминающей среды. При обращении к такого рода носителям информации они (носители) приводятся в движение (обычно с постоянной скоростью – это их отличительная особенность). Для приведения носителя в движение используют различного рода приводы (обычно электрические по своей природе – т. е. на основе электродвигателей). Привод вместе с носителем информации принято называть накопителем: НМЛ, НМД, НОД, ….

Для обозначения запоминающих устройств на схемах в ВТ используются различного рода УГО (ГОСТ 2.743-82):

Основные характеристики ЗУ: емкость и быстродействие. Емкость ЗУ в ВТ принято измерять в байтах, КВ, МВ, ГВ, ТВ, …. Быстродействие ЗУ определяется количеством операций обращения в единицу времени. Обращение к ЗУ производится либо с целью чтения информации, либо с целью записи информации. За одно обращение читается (записывается) порция данных фиксированной длины. Быстродействие ЗУ определяется временем одного обращения V_ЗУ=1/t_обр.

4. Класс устройств ввода/вывода. Устройства ввода (УВв) предназначены для чтения информации с носителя информации и ввода ее в память ЭВМ. Устройства вывода (УВыв) предназначены для записи информации, выводимой из ОП, на носитель информации. В процессе ввода/вывода эти устройства обеспечивают преобразование сигналов из одной физической природы в сигналы другой природы. Примером универсального устройства ввода и вывода является устройство типа НГМД. В качестве носителя информации в этом устройстве используется ГМД (floppy disc) – дискета, которая может использоваться как источник информации при вводе в память ЭВМ и как приемник – при выводе из памяти ЭВМ.

На дискете информация хранится в виде магнитных отпечатков, следов – магнитная природа хранения информации. При вводе (чтении) информации с дискеты происходит ее преобразование в совокупность электрических сигналов, представляющих информацию в двоичном коде (на дискете – двоичный магнитный код, при считывании – двоичный электрический код). При выводе (записи) на дискету – обратное преобразование: совокупность электрических сигналов преобразуется в совокупность магнитных следов (отпечатков) на дискете.

Другие примеры. Типичным примером УВв является клавиатура, которая обеспечивает ввод текстовой (символьной) информации с бумажного носителя информации (или из головы человека) в память ЭВМ путем нажатия соответствующих клавиш. Типичным УВыв является принтер (печатающее устройство): обеспечивает вывод информации из памяти ЭВМ на бумажный носитель. Или другой пример УВыв – дисплей – устройство, обеспечивающее отображение информации, выводимой из памяти ЭВМ.

Следует отметить, что при вводе/выводе информации при помощи устройств ввода/вывода происходит не только преобразование сигналов (информации) одной физической природы в сигналы другой физической природы, но и ее (информации) кодирование. Для кодирования информации можно использовать различные кодовые комбинации. Например, при вводе/выводе символьной (текстовой) информации обычно используется стандартный код ASCII (как международный стандарт) – американский стандартный код обмена информацией. В России ему соответствует код обмена информацией семибитный – КОИ-7 (ГОСТ 13052-74).

Основные характеристики УВВ: затраты оборудования и быстродействие.

Затраты оборудования УВВ характеризуют такие параметры как габариты, вес и др.

Быстродействие УВВ характеризуется скоростью ввода/вывода информации, т. е. количеством информации в единицу времени. Например, количеством символов в секунду.

В основу построения ЭВМ положен магистрально-модульный принцип. Его использование обеспечивает возможность организовать (строить) ЭВМ различных конфигураций из типовых модулей. Основные положения этого принципа:

все устройства ЭВМ (процессоры, ЗУ, контроллеры ПУ) оформляются в виде модулей, совместимых (сопрягаемых) на конструктивном, электрическом и функциональном уровнях;

объединение (соединение) модулей в систему осуществляется на основе одной или нескольких магистралей (по принципу детского конструктора).

Объединение модулей в систему осуществляется по определенным правилам сопряжения. В ВТ сопряжения принято называть интерфейсами.

Определение: Интерфейс – это совокупность аппаратных и программных средств, реализующих стандарт по организации связей в магистрально-модульной системе.

Именно стандартизация модулей и связей позволяет комплектовать ВК различной конфигурации из стандартных (серийно выпускаемых) модулей без их дополнительных доработок.

Классификация интерфейсов.

1. По способу соединения модулей в структуру различают:

· интерфейсы магистральные - одна общая шина (магистраль) используется для объединения модулей и обмена информацией. Здесь термин магистраль используется как частный случай более общего понятия – интерфейс;

· радиальные (индивидуальные);

· цепочечные;

· смешанные (комбинированные).

2. По способу передачи информации: параллельные, последовательные и параллельно-последовательные.

3. По принципу обмена: синхронные и асинхронные.

4. По режиму передачи информации:

· симплексный режим (передача только в одном направлении);

· дуплексный режим (двусторонняя одновременная передача);

· полудуплексный режим (двусторонняя передача, но в разные моменты времени).

Основные элементы интерфейса:

· совокупность правил обмена (протокол обмена);

· аппаратная часть интерфейса (физическая реализация);

· программное обеспечение интерфейса (алгоритм управления обменом, реализующий протокол обмена).

Интерфейсы, используемые в ВТ, обычно делятся на 3 класса: параллельные, последовательные и связные.

Параллельный интерфейс обеспечивает однонаправленную передачу n-разрядного двоичного кода (слова), т. е. передачу параллельного кода (n=8,16,32,64,…). Параллельные интерфейсы обеспечивают высокую пропускную способность, которая измеряется количеством битов информации в единицу времени, обычно в секунду. Например, интерфейс ISA обеспечивает пропускную способность 16МВ/сек, поскольку n=16, а тактовая частота – 8 МГц.

На структурных схемах ЭВМ электрической цепи интерфейса принято обозначать одной или несколькими линиями и называть шинами:

n n

однонаправленная шина двунаправленная шина – магистраль

Электрические цепи интерфейса в зависимости от их назначения принято разделять на 2 основные группы: информационные и управления. Совокупность (набор) электрических цепей, объединенных в группу по назначению, и принято называть шиной, т. е. различают шины информационные и управления.

Информационные шины (ШИ) используются для передачи в разные моменты времени либо данных, либо команд, либо адресов. Тип передаваемой информации указывается (сообщается) приемному устройству путем посылки осведомительного сигнала: D, С, А (100 – данные, 001 – адрес, 010 – команда). Осведомительные сигналы передаются по специальным осведомительным цепям, которые образуют группу – шину осведомительных сигналов. Осведомительные сигналы используются для управления демультиплексором (в приемнике).

Цепи, образующие шину управления (ШУ), используются для передачи различных сигналов управления, т. е. сигналов, которые формируются одним устройством (модулем), передаются по цепям ШУ и используются для управления другим устройством (модулем) в процессе обмена информацией по ШИ. Например, при обмене с модулем памяти (модулем ОЗУ), по цепям ШУ посылается сигнал чтения (записи), который интерпретируется как сигнал, указывающий направление обмена: из ЗУ или в ЗУ. Кроме того, по цепям ШУ передаются и другие управляющие сигналы, в частности, сигналы синхронизации. Дело в том, что для передачи информации по ШИ (по цепям параллельного интерфейса) используется один из двух способов (принципов) управления: синхронный или асинхронный.

При синхронном способе управление передачей осуществляется сигналом синхронизации (стробом), который вырабатывается передающим устройством и подается в приемное устройство, где используется для приема информации (рисунок 3.4). Здесь: А – передающее устройство, В – приемное, СС – сигнал синхронизации, который по ШУ передается от А к В в соответствии с временной диаграммой (рисунок 3.5). На передачу информации (слова длиной n-разрядов) отводится фиксированное время Т₁=const, которое задается длительностью сигнала синхронизации. Это время определяется из условия:

T₁=max{t_сигн}+max{t_gh}, (3.1)

где max{t_сигн} - максимальное время распространения электрических сигналов по цепям, max{t_gh} - максимальное время приема информации, поступающей по ШИ.

Достоинство способа – простота. Недостатки:

- потери времени для тех пар устройств, для которых фактическое время меньше и, следовательно, низкая пропускная способность;

- низкая надежность передачи, так как нет уверенности, что приемное устройство примет информацию по СС.

В связи с этими недостатками синхронный способ, как правило, применяется только в параллельных интерфейсах при передаче на небольшие расстояния (не более 100 метров) при условии, что разброс времени приема незначителен, а надежность приемных устройств высокая.

Чтобы «сгладить» указанные недостатки, применяется второй способ – асинхронный (типа «запрос-ответ»). При этом способе приемное устройство, принявшее информацию по сигналу синхронизации СС, вырабатывает ответный сигнал, подтверждающий факт приема информации с ШИ. Сигнал синхронизации в этом способе исполняет роль запроса на прием информации, а сигнал ответа – роль осведомительного сигнала, подтверждающего прием информации. Отсюда другое название асинхронного способа – передача с квитированием (от слова «квитанция») – посылка сообщения с уведомлением отправителя при помощи квитанции.

Схема подключения устройств и временная диаграмма в этом случае имеют вид, представленный на рисунке 3.6.

Время передачи Т₂ является переменным, так как зависит от конкретных (фактических, а не максимальных) параметров: длины реакции устройств между устройствами А и В, время устройств, участвующих в обмене.

Область применения – в интерфейсах, которые используются для подключения устройств различного быстродействия, например - периферийных устройств.

Последовательный интерфейс состоит обычно из одной цепи (точнее – пары цепей – витой пары), данные по которой передаются бит за битом, т. е. в последовательном коде.

Если интерфейс обеспечивает передачу только в одном направлении, то интерфейс называется в этом случае симплексным, обеспечивает симплексный режим передачи.

Если интерфейс обеспечивает одновременную передачу информации от А к В и в обратном направлении – от В к А, то говорят, что последовательный интерфейс обеспечивает дуплексный режим. Это означает, что он состоит из двух витых пар (и проводников).

Полудуплексный режим – двунаправленная передача, но не одновременно, а в разные моменты времени, т. е. в этом случае витая пара используется для передачи информации в режиме разделения времени – в режиме мультиплексирования.

Примером последовательного интерфейса является RS-232-C или его отечественный аналог стык – 2(С2). Пропускная способность последовательных интерфейсов обычно ограничена (меньше, чем у параллельных) и лежит в пределах от 10² до 10⁷ бит/с при длине линий от единиц, десятков метров до 1 км. Пример для RS-232-С: пропускную способность можно выбрать из набора значений: 50,75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бит/с.

Связные интерфейсы обеспечивают передачу информации по каналам связи на большие расстояния: от 1 км и выше до сотен, тысяч км. Однако скорость передачи в них, как и в последовательных интерфейсах, невелика: до 10⁷ бит/с. Работа связных интерфейсов поддерживается специальной аппаратурой – т. н. аппаратурой передачи данных (АПД). АПД повышает достоверность передачи информации на большие расстояния.

В вычислительной технике последовательные и связные интерфейсы используются для подключения удаленных ПУ, а также для связи между машинами, входящими в состав сети ЭВМ (локальной или глобальной).

Следует отметить, что современные каналы связи (с целью увеличения пропускной способности и дальности) строятся обычно на основе волоконно-оптических линий связи, обеспечивающих существенное увеличение пропускной способности интерфейса.

Дата добавления: 2014-01-11