Системный interface

Классификация простейших процессоров по отношению к используемым регистрам.

1. Процессоры с аккумуляторами

2. Процессоры с регистрами общего назначения (РОН)

3. Процессоры со стековой организацией

процессоры с аккумуляторами – имеется регистр команд, счётчик команд, регистр состояний, регистр адреса, аккумулятор, буферный регистр (для хранения и пересылки данных)

• все арифметические и логические операции выполняются с использованием аккумуляторов
• результат всегда помещается в аккумулятор, из него не извлекается и второй операнд
• для повышения производительности в такие процессоры вводят дополнительные регистры
• однако пока эти регистры остаются специализированными это процессоры с аккумуляторами

регистры общего назначения – универсальные регистры

• результат может быть записан в любой из РОН, в РОНах могут находиться и сами операнды
• использование РОНов позволяет значительно уменьшить число обращений к ОЗУ

стековая организация - с такой организацией нет ни аккумулятрных ни РОНов

• помимо регистра команд имеется программно доступный счётчик команд, регистр состояния, верхние регистры стека и указатели стека
• вся память разделена на стек и память для хранения команды данных
• подобная классификация условна, с одной стороны любой процессор с РОН может моделировать процессор с аккумуляторной и со стековой организацией

Рассмотрим структуру процессора подобного процессору mini-computer PDP-11 DEC

РА – регистр адреса

РК – регистр команд

Имеются 2 буферных регистра для временного хранения операндов

· управляющие сигналы управляют работой процессора

· это упрощённая схема – на ней не показаны шинные формирователи, через которые адреса данного управляющего сигнала выходят на системный интерфейс и блок прерывания

1. ADD R0, R1
2. ADD # 1000, R0 – непосредственная адресация
• следующая управляющая команда находится в счётчике, который пересылается через внутреннюю шину данных в РА, а также и в R1
• на шине управления – сигнал чтения
• на адресном интерфейсе – адрес команды
• по шине данных → на внутреннюю шину и оседает в регистре команд; в это время содержимое БР1 → АЛУ к нему автоматически суммируется 2 и результат из АЛУ по внутренней шине процессора пересылается в СК (счётчик) (R7); УУ дешифрует команду и выясняет, что речь идёт об операции сложения R0 и R1 – содержимое регистра R1 и R0 → в R2; содержимое БР1 и БР2 → АЛУ – выполняется сложение и результат пересылается в регистр R1
• каждая команда порождает выполнение последовательности микрокоманд; для выполнения одной микрокоманды используются те или иные устройства процессора, но, как правило, не все; то есть часть устройств периодически простаивает, поэтому для устранения этого недостатка и следовательно для повышения производительности процессора, во многих современных процессорах команды выполняются в конвейерном режиме - в этом режиме процессор выполняет не одну, а сразу несколько команд; они находятся в разной стадии выполнения, поскольку используют одни и те же устройства процессора

• в Pentium используются 2 конвейера
• в Pentium Pro 3 конвейера
• наличие даже одного 5-ти ступенчатого конвейера обеспечивает 486 процессору выигрыш со многими однотактными cisc – процессорами

- под системный интерфейсом понимают совокупность системной шины, связывающей процессор с памятью и контролерами внешних устройств; электрических схем, служащих для согласования, преобразования и управления сигналами машины; а также протоколов (унифицированных алгоритмов) обмена информации между устройствами компьютера по шине

Функциональная системная шина – состоит из адресной шины, шины данных и шины управления (под шиной понимают группу линий, для передачи логически связанных сигналов).

Адресная шина – служит для передачи адреса элемента данных, который далее будет передаваться по шине данных.

· в простейших вычислительных устройствах (компьютер не относится) только процессор может формировать адрес (выставлять адрес на адресную шину); в этом случае адресная шина является однонаправленной

· в более сложных вычислительных системах (PC) помимо процессора адрес могут выставлять контролёр прямого доступа в память и контролёр внешних устройств, если они имеют средства управления шинами

· разрядность адресной шины определяется объёмом физической памяти

Шина данных – является двунаправленной (данные передаются в 2 направлениях, но не одновременно – временное мультиплексирование).

Шина управления – служит для передачи управляющих сигналов, которые используются для синхронизации устройств и указания типа операции выполняемых этими устройствами; для каждого управляющего сигнала существует своя индивидуальная линия на шине управления

Управляющие сигналы:

· ввод/вывод – внешние устройства

· чтение/запись – операционная память

· запрос на прерывание

· запрос на прямой доступ к памяти

· предоставление прямого доступа к памяти

Эти сигналы могут генерироваться процессором, контролером шины по сигналам процессора, контролером прямого доступа к памяти (ПДП), контролер прерывания → контролер большинства современных внешних устройств.

• В вычислительных системах используются различные системные интерфейсы и различные шинные структуры
• Если процессор имеет отдельные шины (адреса данных и управления) для организации обмена с памятью и аналогичные шины для обмена с внешними устройствами – системный интерфейс с раздельными шинами.
• В вычислительных системах также используются системные интерфейсы с изолированными и общими шинами; если для организации обмена данных с внешними устройствами используются специальные команды ввода/вывода и соответственно управляющие сигналы ввод/вывод, а для обмена с памятью команды пересылки данных и управляющие сигналы чтение/запись, то это системный интерфейс с изолированной шиной.

Системный интерфейс с общей шиной:

· таким образом один и тот же адрес может быть либо адресом регистра контролера внешнего устройства, либо адресом ячейки ОП, также изолированная шина используется в IBM

· если из системы команд процессора исключить команды ввода/вывода, то можно существенно упростить и структуру процессора и структуру интерфейса: в этом случае часть адресного пространства памяти отводится под адреса регистров контроллеров внешних устройств и для организации ввода/вывода используются команды пересылки данных, и соответственно управляющий сигнал чтения/записи

· системный интерфейс с общей шиной был разработан фирмой DEC в 1970 г.

· системный интерфейс с изолированными или общими шинами можно упростить за счёт объединения адресной шины и шины данных в единую адресно-информационную шину → мультиплексированная шина (или шина с мультиплексированием адресов и данных)

• заметно снижается пропускная способность системного интерфейса и соответственно уменьшается производительность компьютера

Многие шины могут быть синхронными и асинхронными:

• на синхронных шинах все операции выполняются по тактовым импульсам синхрогенератора
• на асинхронных шинах все операции синхронизируются на асинхронных шинах управляющими сигналами, передаваемыми взаимодействующими устройствами

Основные шины системного интерфейса ПК:

1. Системная шина (то, что соединяет процессор с контроллером памяти)

2. Локальная шина памяти (между котроллером памяти и самой памятью)

3. Шины расширения ввод/вывод

название	ISA	ISA	EISA	MCA	MCA	VLB	PCI
разрядность							32/64
пропускная способность (Мбит/с)							133/266 266/66.6
частота синхронизации (МГц)			8.33			33.3	33.3/66.6

4. LPC bus – шина с малым числом выводов (x – bus)

5. USB 2.0 – универсальная последовательная шина (480 Мбит/с)

6. SM bus – шина системного управления

7. ATA – интерфейсная шина (100 Мбит/с)

8. SATA – интерфейсная шина (150, 300 Мбит/с)

• I865PE (чипсет – это набор больших интегральных схем, обеспечивающих взаимодействие основных компонент компьютера)
• начиная с 810, интеловские чипсеты имею кабовую архитектуру
• каб – устройство, обеспечивающее передачу информации между подключенными к нему шинами

7.8. Обмен данными с внешними устройствами ввода/вывода.

1. возможна организация команд ввода/вывода с использованием специальных команд ввода/вывода

2. по аналогии с обращением к памяти

· упрощается схема взаимодействия системного интерфейса с изолированными шинами, с контроллером внешних устройств

• при вводе данных из внешнего устройства процессор выставляет на адресную шину адрес регистра данных контроллера ВУ и с помощью единичного сигнала «ввод» информирует контроллер ВУ о типе операции, которую оно должно выполнить → устройство, обнаружив появление сигнала «ввод», выставляет на шину данных байт слова или двойное слово (содержимое регистра данных), полученное от внешнего устройства
• для синхронизации процессора и контроллера ВУ может использоваться сигнал готовности ВУ → процессор, обнаружив появление сигнала «готовность ВУ», считывает данные с шины данных и снимает сигнал «ввод», на этом цикл обмена заканчивается
• принцип обмена данными, при котором сигналы, посланные активным устройством (процессору в данном случае) подтверждаются сигналами пассивного устройства называется колетированием
• активное устройство называют задатчиком, а пассивное исполнителем
• устройство, осуществляющее ввод/вывод с использованием специальных команд и сигналов, называется устройством с отображением на пространство ввод/вывод
• устройство, осуществляющее ввод/вывод по аналогии с обращением в память называется устройством с отображением на память
• в контроллере всегда имеется группа регистров – адресуемые регистры

Регистры контроллера внешних устройств:

1. регистры данных (если устройство осуществляет однонаправленную передачу – 1 регистр: если двунаправленную – 2 регистра: регистр входных и регистр выходных данных)
• через регистр выходных данных данные вводятся в устройство компьютера
• через выходной регистр – данные выводятся
2. регистры состояния и управления

· регистр состояния (один или несколько) доступен в режиме чтения и сохраняет в своих разрядах информацию о текущем состоянии внешнего устройства

· регистр управления (один или несколько) работает в режиме записи и служит для приёма команд управления внешними устройствами

· регистры в состоянии управления, также как и регистры данных доступны только через шину данных; другими словами часть управляющей информации в компьютере передаётся не по шине управления, а по шине данных;

· такая организация передачи управления информации обусловлена тем, что каждое внешнее устройство имеет целый набор собственных сигналов и команд, а потому предусмотреть для них соответствующие линии на шине управления системного интерфейса не представляет возможным, очевидно, что это существенно замедляет обмен данными с внешним устройством

Нарисуем упрощённую блок-схему контроллера внешнего устройства для системного интерфейса с изолированной шиной:

• логика управления обеспечивает дешифрацию регистров контроллеров; приём управляющих сигналов системного интерфейса (ввод/вывод); формирование на их основе внутренних управляющих сигналов, кроме того, она может генерировать сигнал готовности ВУ; запрос на прерывание; запрос на прямой доступ к памяти
• внутренние управляющие сигналы определяют, в какой из регистров контроллера будет подключён через приемо-передатчик шины к шине данных

Различают 3 основных способа организации ввода/вывода:

1. программно – управляющий обмен
2. обмен в режиме прерывания
3. обмен в режиме прямого доступа к памяти

программно – управляющий обмен – это передача данных по инициативе и под управлением программы, осуществляющей ввод/вывод

Такой обмен может быть реализован в 2 режимах:

а) обмен в синхронном режиме – обмен с безусловной передачей данных (без контроля приёма данных);

· синхронный режим используется для обмена с такими ВУ, для которых точно известно время выполнения одной операции ввода/вывода;

· программа, управляющая обменом, должна давать команды на приём или передачу данных с временным интервалом не меньшим, чем время необходимое для выполнения одной операции

· если команды и данные будут передаваться в более быстром темпе, то они будут потеряны

· этот наиболее простой способ обмена требует минимальных и аппаратных и программных затрат

б) обмен в асинхронном режиме – обмен с проверкой готовности ВУ (обмен по готовности ВУ)

· в этом режиме каждая следующая команда на приём или передачу данных даётся только тогда, когда ВУ выполнит предыдущую команду и сообщит об этом, установив бит (флаг) готовности в своём регистре состояний

Изобразим алгоритм обмена:

Рассмотрим действия, необходимые для печати слова EPSON на принтере, подключённом параллельно в входу PC (LPT1).

Контроллер параллельного интерфейса имеет 3 регистра:

1. регистр данных – 378h: записывается байт данных, который затем пересылается в буфер принтера
2. регистр состояний – 379h
3. регистр управления – 37Ah: записывается команда, управляющая работой принтера

Рассмотрим простейшую программу:

const D: array [1..7] of byte = ($45,$50,$53,$4F,$4E,$D,$A);

var

I: byte;

DR, SR, CR: word;

begin

DR:= MemW[0:$408];

SR:= DR + 1;

CR:= SR + 1;

if (Port[SR] and $80) = 0 then

begin

writeln(‘принтер не готов’);

readln;

end

else

for I:=1 to sizeof (D) do

begin

while (Port[SR] and $80) = 0 do;

Port[DR]:= D[I];

Port[CR]:= $D; {13}

{можно добавить ещё одно переприсвоение, для того чтобы компьютер успевал сначала добавить, а потом сбросить бит}

Port[CR]:= $C; {12}

end;

End.

обмен в режиме прерывания – такой способ обмена, при котором производится приостановка (для выполнения ввода/вывода) или прерывание выполняемой программы; причём обмен инициирует не программа, выполняемая процессором, а само внешнее устройство (ВУ)

· при реализации этого способа обмена команды или инструкции обслуживания этого устройства оформляются в виде подпрограммы – подпрограммы обработки прерываний (ПОП)

· процессор передаёт управление ПОП только в том случае, если ВУ, исходя из своих внутренних побуждений, само известит процессор о готовности к обмену, для этого он выставляет на соответствующую линию шины управления системного интерфейса сигнал «запрос на прерывание»

· если при программо-управляемом обмене готовность ВУ определяется путём программного считывания содержимого регистра состояний контроллера ВУ, то появление запроса на прерывание появляется аппаратно

· наличие сигнала готовности проверяется процессором автоматически при выполнении каждой команды – это существенно экономит время процессора, поскольку программный цикл ожидания отсутствует

Какие действия выполняются в компьютере при появлении сигнала на прерывание?

процессор завершает выполнение текущей команды

↓

если аппаратное прерывание разрешено, т.е. установлен флаг в прерывании в регистре состояний процессора, то процессор с помощью специальных сигналов и соответствующих циклов шины подтверждает готовность к прерыванию и идентифицирует источник запроса

↓

процессор сохраняет в (текущем) стеке содержимое счётчика команд (СК) и содержимое регистра состояний (РС)

↓

процессор помещает в СК адрес подпрограммы обработки прерывания для данного устройства и приступает к её выполнению

↓

в начале своей работы подпрограмма обработки прерывания должна сохранить в стеке содержимое регистров процессора и в конце работы она должна восстановить эти регистры из стека

↓

подпрограмма обработки прерываний завершается специальной инструкцией возврата из прерывания, по этой инструкции процессор извлекает из стека адрес возврата прерванной программы – после чего продолжается выполнение прерванной программы

· такой алгоритм обслуживания прерываний с использованием стека обеспечивает вложенность прерываний; вложенность означает, что любое ВУ может прервать уже выполняющуюся подпрограмму обработки прерываний, если оно имеет более высокий приоритет, чем обслуживаемое устройство

· приоритет – число, приписанное ВУ, которое определяет очерёдность его обслуживания (обычно наибольший приоритет имеет наиболее быстродействующие устройства или устройства, данные от которых не могут быть восстановлены

· устройство с высшим приоритетом обслуживается первым

· если обслуживание запрашивает устройство, приоритет которого не выше приоритета уже обслуживаемого устройства, то его запрос блокируется до завершения текущей ПОП

• в контроллерах ВУ, работающих в режиме прерывания в регистре управления, как правило, имеется бит, с помощью которого можно разрешить или запретить устройству генерацию сигналов «запрос на прерывание»
• прерывания, о которых идёт речь, это аппаратные или внешние прерывания (т.е прерывания генерируемые внешними по отношению к процессору устройствами)

аппаратные прерывания подразделяют на:

• маскируемые прерывания (INIR) можно запретить, сбросив флаг прерывания в регистре флагов процессора; можно также запретить прерывания от отдельных устройств с помощью регистра маски контроллера прерываний

• немаскируемые прерывания с помощью регистра флагов запретить нельзя; немаскируемые прерывания могут генерировать схемы контроля чётности оперативной памяти (NMI), а также систему управления энергопотребления (SMI)

• также различают программные или внутренние прерывания – генерируются самим процессором
• к программным прерываниям относят особые случаи (исключения) (деление на ноль; запрос о отсутствующей в памяти страницы; нарушение защиты по привилегиям)
• прерывания, генерируемые машинными командами, используются для доступа к стандартным подпрограммам, адреса которых программисту неизвестны
• программные прерывания обрабатываются так же, как и аппаратные, только в первом случае отсутствуют циклы подтверждения прерывания

Высшие приоритеты имеют:

1. программы прерывания
2. немаскируемые аппаратные прерывания
3. маскируемые прерывания

Существуют 2 основных свойства идентификации ВУ, запросившего обслуживание:

1. с помощью программного опроса (полинга) готовности ВУ, работающих в режиме прерывания
2. с использованием векторов прерывания
• в первом случае запросы на прерывание от всех ВУ объединяются по схеме ИЛИ (монтажное ИЛИ) и подаются на соответствующий вход процессора; обработка прерываний осуществляется с помощью единой подпрограммы обработки прерываний

• приоритеты ВУ при такой организации обслуживания прерываний определяются очерёдностью их опроса, чем раньше в подпрограмме опрашивается устройство, тем выше его приоритет и тем меньше время реакции на его запрос
• необходимость последовательного опроса всех ВУ существенно увеличивает время устройств, опрашиваемых последними
• уменьшить время обслуживания ВУ можно с помощью векторной системы подготовки прерывания
• в случае векторной системы для каждого ВУ имеется собственная подпрограмма обработки прерываний, адрес этой подпрограммы обычно называется векторным прерыванием
• для того чтобы процессор смог обработать запрос от ВУ, он должен тем или иным способом получить вектор прерывания для данного устройства

Существует 2 основных способа получения вектора прерывания:

1. само ВУ может сообщить вектор прерывания
2. контроллер прерывания, общий для всех ВУ

Соответственно различают 2 варианта реализации векторной системы:

1. векторная система с интерфейсным вектором
2. с вне интерфейсным вектором
• в первом случае контроллер каждого внешнего устройства, работающего в режиме прерывания должен иметь специальный регистр для хранения вектора прерывания

• это схема намного эффективнее схемы прерывания с программным опросом, поскольку здесь опрос осуществляется не программно, а аппаратно
• во втором случае системы с вне интерфейсным вектором - специальные регистры для хранения векторов, адресов в контроллере ВУ отсутствует, а для идентификации используется общий для всех устройств контроллер прерывания – такая схема характерна для IBM совместимых PC

Изобразим схему взаимодействия процессора с контроллером прерывания и шины IBM PC:

• за исключением IRQ0, IRQ1, IRQ8, IRQ13 (системный таймер, клавиатура, часы реального времени, сопроцессор); контроллер шины формирует 2 цикла чтения, только во 2 цикле чтения контроллер прерывания выставляет номер вектора прерывания на шину данных, а процессор считывает его с шины данных
• в реальном режиме вектора прерываний хранятся в таблице векторов прерываний, которые находятся в одном килобайте оперативной памяти, под каждый вектор выделено 4 байта (2 под смещение и 2 байта под адрес сегмента)
• абсолютный адрес вектора прерываний в таблице = номер вектора умножить на 4
• далее процессор сохраняет в стеке содержимое регистров флагов, содержимое регистра сегмента кода CS, смещение IP, затем сбрасывается флаг прерывания в регистре флагов; по адресу: номер вектора умноженный на 4 считывается из оперативной памяти адрес сегмента
• подпрограмма обработки прерывания завершается инструкцией конца прерывания – EOI (end of interruption)
• если обслуживание одновременно запрашивает несколько устройств, то контроллер прерывания обслуживает устройства с наибольшим приоритетом, а остальные устройства блокирует до получения команды конца прерывания

обмен в режиме прямого доступа к памяти – обмен между ВУ и памятью осуществляется без участия процессора – специальный контроллер доступа к памяти общий для всех устройств, либо контроллер ВУ, если он имеет средство управления шинами

· это наиболее быстрый способ обмена поскольку он требует меньшего числа тактов шины, чем при программно-управляющем обмене и обмене в режиме прерывания

· в режиме прямого доступа могут работать LPT, COM, накопитель на магнитной диске, жёсткий диск, сетевые адаптеры

· существует много способов организации обмена в режиме доступа к памяти

1. с захватом цикла (с идентификацией состояния памяти)

· в этом режиме обмен устройства с памятью осуществляется в течении тех машинных циклов процессора, когда последний не обращается к шине

· для идентификации таких состояний процессор может генерировать специальный сигнал, указывающий что шина свободна

2. прямой доступ к памяти с блокировкой процессора по запросу

· в этом случае на время обмена процессор отключается от шин системного интерфейса

· если устройство работает медленно, то оно в режиме прямого доступа к памяти (ПДП) – передаёт отдельные байты

· команда SC – после передачи байта запрос на прямой доступ к памяти сразу снимается DACK

· если устройство работает быстро – данные передаются блоками, DACK не снимается

Дата добавления: 2014-01-06