Взаимодействие процессора и оперативной памяти компьютера

Принципы работы компьютера.

Теперь от рассмотрения абстрактных проблем перейдем к рассмотрению конструктивных особенностей компьютера, не вдаваясь при этом глубоко в технические детали. Сейчас нас интересует принципиальная сторона вопроса. В компьютере хранение данных и их обработка пространственно разделены. Ранее было сказано, что устройство, предназначенное для хранения данных, называется памятью компьютера. Устройство, производящее различные вычисления и управляющее работой компьютера, называется центральным процессором (ЦП). Полное состояние компьютера определяется той информацией, которая хранится в памяти компьютера. Удобно делить память на три основных раздела: адресуемая память (которая и называется оперативной памятью), регистры процессора и ячейки ввода-вывода (последний раздел является условным, так как он просто отображает процессы обмена информации с внешней средой).

Оперативная память (или оперативное запоминающее устройство - ОЗУ) в качестве составной части содержит постоянную память (или постоянное запоминающее устройство - ПЗУ). Постоянная память обладает той особенностью, что в нее нельзя записывать информацию. Нули и единицы в устройствах оперативной памяти изображаются электрическими сигналами, и поэтому информация в оперативной памяти бесследно исчезает при выключении питания. Однако постоянная память основана на других принципах хранения информации: в ней нули и единицы кодируются электрическими соединениями. При включении питания эту информацию можно прочитать.

Те условные ячейки, через которые информация может перемещаться из внешней среды в оперативную память и обратно, называются портами ввода-вывода. Для описания работы компьютера на принципиальном уровне можно считать, что в порты ввода из внешней среды (независимо или по запросу процессора) помещаются некоторые данные. Наоборот, при необходимости переслать данные куда-либо или сохранить их во внешней памяти нужно просто поместить эти данные в определенный порт вывода. Обо всем остальном позаботятся вспомогательные устройства компьютера. О некоторых из них пойдет речь ниже.

В некоторые порты информация передается порциями по одному биту. Такой порт называется последовательным. Порт, в который информация передается порциями по одному или более байт, называется параллельным. Например, модем подключается к последовательному порту, а принтер – к параллельному.

Процессор – это центральное устройство компьютера. На него возложены две основные функции: во-первых, производить определенные вычисления, и, во-вторых, управлять работой всех узлов компьютера. Эти функции выполняют различные составляющие процессора: арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления. Конструктивно процессор состоит из огромного количества электронных микросхем, сосредоточенных в микроскопическом объеме. Быть может, процессор является самым сложным устройством в мире. Весь прогресс в компьютерной индустрии связан с совершенствованием процессоров: расширением списка выполняемых ими функций, уменьшением объема и одновременным увеличением скорости выполнения операций (быстродействием), увеличением надежности. Именно для увеличения быстродействия данные перед непосредственным вычислением перемещаются из оперативной памяти в специальные ячейки, называемые регистрами процессора. Этих регистров несколько десятков и они выполняют различные функции.

Быстродействие компьютера измеряется количеством выполняемых элементарных операций в секунду - флопов. Например, один гигафлоп означает миллиард операций в секунду. Единицей же действия компьютера является машинная команда. Число различных видов машинных команд, выполняемых процессором, конечно. Для каждого вида машинной команды в процессоре есть отвечающая за нее электронная микросхема. Различные машинные команды в зависимости от сложности состоят от нескольких до нескольких десятков элементарных операций. Все машинные команды делятся на группы. Команда каждой группы выполняет одно из следующих действий:

¨ перемещает блок информации из оперативной памяти в регистры процессора;

¨ перемещает блок информации из регистров процессора в оперативную память компьютера;

¨ получает блок информации извне через один из портов и помещает ее в регистр процессора;

¨ выводит блок информации из регистра процессора через один из портов во внешнюю среду;

¨ инициирует операцию вычисления, выполняемую процессором: операция совершается над величинами, хранящимися в регистрах процессора, и результат помещается в другие или те же регистры;

¨ оповещает процессор о некоторой нештатной ситуации, называемой прерыванием: по этой команде процессор прекращает выполнение текущей программы и запускает другую программу, которая должна работать в случае прерывания данного типа.

Все содержательные операции совершаются непосредственно процессором над величинами, которые находятся в регистрах процессора. В частности, это арифметические и логические операции, а также операции преобразования. Эти операции фактически состоят из большого числа более мелких элементарных операций, каждая из которых производится над содержимым одного из разрядов одного из регистров. Многие из этих операций совершаются процессором параллельно (то есть по времени одновременно). Для этого в компьютерах используется генератор тактовых импульсов, который синхронизирует работу различных частей компьютера. Каждая машинная команда состоит из определенного числа тактов. За время одного такта процессор выполняет несколько элементарных операций, которые могут выполняться независимо. Если одна операция требует результатов другой, то они выполняются в последовательных тактах. После выполнения всех тактов команды в одном из регистров процессора образуется результат выполнения всей машинной команды. Уже было сказано, что разные машинные команды требуют при выполнении различного количества тактов. В частности, число тактов при умножении чисел значительно больше, чем при сложении.

Перемещение информации между оперативной памятью и процессором и между оперативной памятью и портами происходит по системе соединений, которая называются шиной данных. Для увеличения скорости передачи биты информации передаются одновременно по нескольким линиям шины. Количество линий называется разрядностью шины. В персональных компьютерах используются 32-разрядные и 64-разрядные шины данных. По первой одновременно идет 4 байта информации, по второй – 8 байтов. Однако для правильной организации работы компьютера процессор и память должны обмениваться не только данными, но и управляющими сигналами. Для этого в компьютере предусмотрены кроме шины данных еще две шины: шина адреса и шина управления (на самом деле есть еще шины питания, по которым на все устройства компьютера подается питание).

Шина адреса нужна для того, чтобы локализовать те ячейки оперативной памяти или те порты ввода-вывода, которые должны непосредственно участвовать в операции. Все байты оперативной памяти перенумерованы числами от нуля до максимального номера байта (последний зависит от объема оперативной памяти). Аналогично, перенумерованы также все порты ввода-вывода (обычно от 0 до 65535). Адресом байта в оперативной памяти считается его номер. Адресом участка памяти, состоящего из нескольких байтов (области памяти) служит адрес начального байта. Адресом порта ввода-вывода также служит его номер. При посылке предписания процессора к выполнению некоторой операции адрес того байта, который должен участвовать в операции, посылается процессором по шине адреса. При прохождении адреса по шине адреса активизируется именно тот байт памяти, номер которого совпадает с посланным адресом. Остальные управляющие сигналы, необходимые для правильного выполнения операции, посылаются по шине управления.

Для характеристики компьютера очень важна разрядность шины адреса. Например, у прежних персональных компьютеров использовалась 20-разрядная шина адреса. Максимальный адрес, который можно послать по такой шине, равен 2²⁰-1 = 1Мб, то есть байту оперативной памяти с адресом большим 1Мб предписание по шине адреса отправить невозможно. В таких компьютерах объем оперативной памяти принципиально не мог быть больше 1Мб. В процессорах этих компьютеров использовалась специальная система определения адреса, ориентированная на такое ограничение. В результате все программы, написанные в то время, предусматривали адреса до 1Мб.

Современные персональные компьютеры включают 32-разрядную шину адреса. При такой шине максимальный объем оперативной памяти равен 2³²=4Гб. При 32-разрядной шине можно обратиться к любому байту оперативной памяти в пределах 4Гб. Новые программы так и делают. Однако, к сожалению, необходимо предусмотреть возможность выполнения программ, написанных для старых процессоров. Поэтому в современных процессорах предусмотрены два режима работы: один режим, называемый реальным, имитирует работу старых процессоров, и в этом режиме осуществляется доступ только к 1Мг оперативной памяти; другой режим, называемый защищенным, имеет доступ ко всей оперативной памяти. В настоящее время происходит переход от 32-разрядной к 64-разрядной шине адреса. Любопытно, что 64 разрядной шины должно хватить уже навсегда.

По шине управления идут сигналы, которые выполняют различные вспомогательные функции, необходимые для правильного выполнения операций. Всего линий в шине управления может быть более ста. Перечислим некоторые основные линии управления. Например, существует линия переключения между оперативной памятью и портами ввода-вывода. Дело в том, что когда по шине адреса идет сигнал, то он может восприниматься и как номер байта оперативной памяти, и как номер порта ввода-вывода. Как именно воспринимать этот адрес, зависит от сигнала, который параллельно с адресом идет по управляющей линии (например, нуль на управляющей линии обозначает оперативную память, единица – порт). По другой управляющей линии идет сигнал, который задает направление перемещения информации (нуль – информация читается из памяти или из порта в регистр процессора, единица – пишется из регистра в память или порт). По третьей управляющей линии передаются сигналы от тактового генератора. Эти сигналы позволяют синхронизировать операции, которые должны одновременно выполняться сразу несколькими устройствами компьютера (например, подготовиться к очередной операции). По специальным линиям передаются сигналы прерывания от различных устройств.

Все так прочие (так называемые периферийные) устройства компьютера подключаются к одному из портов ввода-вывода. Очень часто одна и та же шина данных используется для обмена данными между процессором и всеми внешними входами и выходами. Такая шина называется общей шиной. Это означает, что в процессе работы компьютера процессор посылает сигналы, которые идут по общей шине и которые в принципе могут прочесть все подключенные к шине устройства. Однако с помощью управляющих сигналов и шины адреса реально их воспримет только то устройство, для которого эта информация предназначена.. Следует отметить, что эта простая однозвенная схема часто бывает усложнена. Реально устройства подключаются к общей шине не непосредственно. Некоторые порты могут быть подсоединены к одной из вспомогательных шин, которая в свою очередь прикрепляется к общей шине. Однако это не меняет принципиальной схемы работы компьютера.

Дата добавления: 2014-10-17