Общие принципы построения ЭВМ и вычислительных систем

Основу ЭВМ образует процессор и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Архитектура ЭВМ строится на использовании шинной структуры: унификации электрических и логических параметров взаимодействующих элементов. Основным диспетчером процессов обмена информацией является процессор, который также имеет шинную архитектуру (рис.1.1).

Рис.1.1. Шинная архитектура ЭВМ

Контроллер прямого доступа к памяти (КПДП) разгружает процессор от рутинных операций обмена данных между ОЗУ и периферийными устройствами ЭВМ. Процессор указывает КПДП откуда, куда и сколько скопировать информации. Например, скопировать из накопителя информации на магнитных дисках (НИМД) информацию в память видеосистемы (ВС) или акустической системы (АС).

Процесс работы ЭВМ построенной на основе шинной архитектуры, складывается из следующих этапов:

· Процессор устанавливает на шине адреса номер порта устройства, с которым он должен взаимодействовать.

· Процессор или адресуемое устройство передают через шину данных информацию.

· По шине управления передаются сигналы запросов, готовности и синхронизации, обеспечивающие операции чтения или записи данных.

Память ЭВМ является многоуровневой и многофункциональной. Элементы памяти имеют специальные обозначения:

Ø BIOS – basic input output system

= Базовая система ввода-вывода (КНЗ)

Ø RAM – read access memory – ОЗУ

Ø ROM – read only memory – ПЗУ

Ø CMOS – Change Memory Options System – изменяемая системная память конфигурации ЭВМ и часы

Ø Cache – (кэш = тайник) промежуточная память с высоким быстродействием

Ø Гибсон исследовал и показал, что вероятность обращения программы к следующей ячейке ОЗУ равна 0.85-0.90.

Ø Кэш на порядок повышает производительность ЭВМ.

Ø Кэш – памятью управляет специальный контроллер по специальному алгоритму, функционирующему независимо от пользователя.

Микропроцессор Pentium MMX содержит 4.5 млн. транзисторов и производится по технологии КМОП 0.35 (мкм). Процессор использует два напряжения питания 3.3 (В) и 2.8 (В). Рассеиваемая мощность процессора составляет 15.7 (Вт). Процессор содержит два командных конвейера (U и V). Конвейер U может выполнять все целочисленные команды и команды с плавающей точкой. Конвейер V - простые целочисленные команды и команду с плавающей точкой FXCH.

Два конвейера процессора Pentium могут выполнять две команды одновременно. Выполнение команд осущетвляется в 5 этапов: 1)предвыборка; 2)декодирование 1; 3)декодирование 2; 4)выполнение; 5)запись результатов. При этом несколько команд могут находиться на разных этапах выполнения.

Процессор Pentium MMX поддерживает дополнительный мультимедийный набор команд. Применение ММХ-команд позволяет увеличить скорость выполнения мультимедийных приложений на 60% по сравнению Pentium.

Каждый кэш Pentium ММХ имеет объем 16 Кбайт и содержит два порта, по одному для каждого исполнительного конвейера. Кэш данных снабжен буфером трансляции адресов (TLB). Разрешение или запрещение кэширования страниц памяти может задаваться индивидуально, с помощью программных или аппаратных средств.

Кэш команд, буфер адресов переходов и буфер предварительной выборки обеспечивают подачу команд к исполнительным модулям процессора. Программируемый внутренний контроллер прерываний APIC обеспечивает обслуживание как внутренних, та и внешних прерываний.

В Pentium MMX улучшена система предсказания переходов. Количество буферов предварительной выборки команд увеличено до 4-х (по 16 байт), что позволяет осуществлять предвыборку по 4-м независимым направлениям.

Благодаря 64-разрядной шине данных процессор Pentium может обмениваться данными с памятью со скоростью 528 Мбайт/с. Расширенная шина данных поддерживает поток команд и данных, передаваемых суперскалярному исполнительному процессорному ядру, что способствует повышению интенсивности обработки. Для увеличения пропускной способности шины данных в процессоре Pentium реализована конвейеризация циклов шины, позволяющая начать второй цикл еще до завершения первого. Этому способствует поддержка пакетного чтения и записи, проверка четности адреса и данных.

Для повышения скорости выполнения последовательных операций записи в память процессор Pentium имеет два буфера записи (по одному на каждый конвейер), благодаря которым процессор может продолжать работу, выполняя следующие команды, хотя результат одной из текущих команд еще не записан в память из-за занятости шины.

С целью повышения надежности системы в процессоре Pentium предусмотрено внутреннее обнаружение ошибок и тестирование с помощью функциональной избыточности.

Периферийные устройства, в общем случае, реализуют обмен ЭВМ информацией с внешней средой, определенной физической природы, и, прежде всего с человеком. ПУ могут иметь различную степень сложности: простейшим ПУ может являться кнопка, но, обычно, это специализированная ЭВМ (контроллер), оснащенная исполнительными элементами и контрольными датчиками, имеющая канал связи с ЭВМ.

Управление ПУ осуществляется соответствующим программным обеспечением (ПО), которое реализует алгоритмы формирования управляющих кодов, прием и обработку информации, взаимодействие с оператором. ПО в большинстве случаев оформляется в виде специальных программ - драйверов, инициализируемых при обращении к конкретному ПУ и учитывающих его особенности. Канал связи - это один из портов или одна из внутренних шин ЭВМ.

Для работы со стандартными ПУ предусмотрена система аппаратных и программных прерываний [1,3]. Аппаратные прерывания позволяют процессору узнавать о факте обращения к нему контроллера ПУ в момент запроса, не прибегая к его периодическому опросу. При возникновении прерывания процессор заносит в стек содержимое счетчика команд и регистра флагов, а затем переходит на выполнения команды вызвавшего прерывания. Отработка прерывания заканчивается возвратом к прерванной программе.

Периферийные устройства, в зависимости от решаемых ими задач, могут либо включаться в состав ЭВМ, либо находиться на значительном удалении. В первом случае ПУ располагается в системном блоке или в непосредственной близости от него, а во втором, взаимодействие осуществляется с помощью средств коммуникации, например, волоконно-оптической линии. Для подключения к ЭВМ можно использовать следующие стандартные средства:

· системные шины ЭВМ (ISA, EISA, PCI),

· адаптеры интерфейсов IDE, SCSI,

· порты ЭВМ (COM1-4, LPT1-2, USB).

Перечисленные средства предназначены для обеспечения работы ПУ с различным быстродействием, нагрузочной способностью и протоколами обмена. Наибольшим быстродействием обладают системные шины, но их нагрузочная способность строго ограничена. Обычно, к системным шинам подключаются видеосистемы, звуковые и сетевые платы, а также адаптеры интерфейсов и портов. Подключение ПУ к системной шине позволяет назначить ему определенный номер аппаратного прерывания (из числа свободных), выделить определенный диапазон адресов портов данных и область (окно) в оперативной памяти, для буферирования данных. Регистры портов используют для передачи команд контроллеру ПУ и приему от него сообщений о состоянии и о результатах выполнения заданной команды.

Интерфейс IDE обеспечивает скорость обмена данными 12 Мбит/с, допускает подключение двух устройств и используется для работы с жесткими или оптическими дисками. Интерфейс SCSI аналогичен IDE, но обладает большей нагрузочной способностью и позволяет подключать до семи устройств через кабель до 25 метров.

Последовательные порты СОМ1-4 реализуют интерфейс RS-232 и позволяют осуществлять обмен информацией со скоростью 10 Кбайт/c через кабель до 15 метров. Параллельные порты LPT1-2 реализуют интерфейс Centronics, позволяющий двухсторонний байтовый обмен.

USB (Universal Serial Bus - универсальная последовательная магистраль) - интерфейс для подключения различных внешних устройств. Предусматривает подключение до 127 внешних устройств к одному USB-каналу (по принципу общей шины), реализации обычно имеют по два канала на контроллер. Обмен по интерфейсу - пакетный, скорость обмена - 12 Мбит/с.

Анализ работы ПУ, в общем случае, целесообразно проводить с использованием теории цифровых автоматических систем управления, рассматривая исполнительные элементы и контрольные датчики как систему управляющих и обратных связей, определяющих устойчивость, точность и прочие характеристики системы.

Интерфейсы ЭВМ

Канал связи – это средство обмена информацией между ЭВМ и/или периферийными устройствами. Информационный поток разбивается на сообщения, которые могут формироваться периодически или по мере необходимости.

Сообщение – это группа данных, которая должна быть передана от одного устройства другому в данный момент времени.

Интерфейс – это совокупность унифицированных аппаратных, программных и конструктивных средств, необходимых для реализации взаимодействия различных функциональных элементов информационно-управляющих систем [1]. Интерфейс – это канал обмена информационными сообщениями между устройствами.

Протокол – это требования к информационной структуре передаваемых сообщений (данных), позволяющей выделять элементы сообщения: адреса, данные, управляющие команды и контрольные данные. В рамках одного интерфейса может быть реализовано несколько протоколов.

Скорость передачи информации измеряется в Бодах. Эта единица названа в честь Эмиля Бодо (Jean Maurice-Emile Baudot) (1845-1903), французского инженера по телеграфии, изобретателя первого печатающего устройства для телеграфа.

Ø Ассоциация электронной промышленности (EIA)

Ø Стандарты EIA имеют префикс "RS". "RS" означает рекомендуемый стандарт.

Ø RS-232 был введен в 1962 (1987).

Интерфейс RS-232

Реализация интерфейса RS-232 в ЭВМ называется COM-портом.

Данные в интерфейсе RS-232 передаются последовательно и побайтно. Режим работы дуплексный, то есть возможна одновременная передача и прием данных между двумя соединенными устройствами. Дуплексный режим обеспечивается наличием двух линий электрических Rx и Tx для передачи информации. Интерфейс соединяет только 2 устройства (соединение типа “точка”-“точка”), то есть не предусматривает создание сети устройств. Максимальное расстояние связи 15 метров. Максимальная скорость передачи 115.2 кГц.

Интерфейс RS-232 кроме информационных электрических линий имеет ряд управляющих линий, которые показаны на рисунке. В простейшем случае используется 4-х проводное соединение, которое требует минимального числа проводов, но при этом отсутствие аппаратного управление компенсируется за счет усложнения протоколов приема и передачи данных.

Рис. Схема 4-х проводной линии связи.

Временное согласование приемника и передатчика может быть асинхронное с использованием специального стартстопного формата данных или синхронное с применением аппаратных сигналов интерфейса.

Формат передаваемых данных включает стартовый бит, 5-8 бит данных, бит четности и стоповые биты, как показано на рисунке. Число бит данных определяет проток передачи данных, определенный для устройства программным обеспечением.

Рис. Формат данных RS-232.

Последовательность работа интерфейса RS-232:

Ø Сигнальная линия может находиться в двух состояниях: включена и выключена.

Ø Линия в состоянии ожидания всегда включена.

Ø Когда устройство или компьютер хотят передать данные, они переводят линию в состояние выключено - это установка Старт бита.

Ø Биты сразу после Старт бита являются битами данных.

Синхронная передача данных использует линию интерфейса со специальными синхронизирующими импульсами, показанными на рисунке. Передний фронт синхронизирующих импульсов должен приходиться на средину импульсов данных.

Рис. Структура передаваемых данных с синхронизирующим тактовым сигналом

Электрические сигнала интерфейса RS-232 являются двухполярными, как показано на рисунке. Наличие зоны неопределенности позволяет определять наличие или отсутствие электрического соединения между устройствами. Для приемника зона неопределенности занимает интервал В.

Рис. Уровни сигналов передатчика RS-232.

Интерфейс RS-485

Ø Протокол связи RS-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом.

Ø Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м.

Ø Стандарт RS-485 поддерживает полудуплексную связь. Для передачи и приема данных достаточно одной скрученной пары проводников.

Ø Максимальная скорость передачи 10 Мбит/с

Данные по интерфейсу RS-485 передаются последовательно и побайтно. Режим работы полудуплексный, то есть в любой момент времени вести передачу данных может только одно устройство. Интерфейс предусматривает возможность соединения нескольких устройств (до 64), то есть соединенные устройства могут образовывать сеть. Одно из устройств выполняет управляющие функции в сети и называется “master”, а остальные устройства передают и принимают данные только по командам управляющего устройства и называются “slave”. Каждое устройство имеет индивидуальный адрес, который передается в каждом сообщении и позволяет устройствам определять свои действия по приему информации. Максимальное расстояние связи 1200 метров. Максимальная скорость передачи 115.2 кГц.

Рис. Сеть RS-485 с несколькими приемопередатчиками

Рис. Защита приемника и передатчика от импульсных помех

Интерфейс USB

USB (англ. Universal Serial Bus — «универсальная последовательная шина»

Ведущее устройство всегда одно и называется “хост, хозяин” (host), а ведомые устройства называются “устройство” (device).

Каждое USB –устройство имеет уникальный адрес, состоящий из двух элементов: PID и VID, которые представляют собой 4-х разрядные 16-ричные числа.

Система конечных точек (КТ) в USB-устройстве служит для разделения информационных потоков в пределах одного устройства и является элементом системы адресации данных. Контрольные точки разделяются на точки, принимающие и передающие информацию.

Хост (ЭВМ) периодически опрашивает USB-устройство, которое должно отвечать на эти вопросы, подтверждая свое присутствие. Опрос проводится через нулевую конечную точку.

USB предусматривает 4 типа обмена информацией с устройствами:

· Control – высший приоритет, гарантированная доставка, использование нулевой КТ.

· Interrupt transfer - аналог Control, но более низкий приоритет и ненулевые КТ.

· Bulk transfer - максимальная полоса передачи и гарантированная доставка.

· Isochronous – максимальная полоса передачи и не гарантированная доставка.

Используется четырёх проводной кабель:

Ø Сигнальная витая пара

Ø Питание +5 вольт для подключаемых устройств

Ø К одному контроллеру шины USB можно подсоединить до 127 устройств и до 5 уровней каскадирования хабов, не считая корневого.

Ø Полная скорость передачи сигналов USB составляет 12 Мбит/с, 480 Мбит/с низкая - 1,5 Мбит/с.

Ø Для полной скорости используется экранированная витая пара с импедансом 90 Ом и длиной сегмента до 5 м.

Ø Скорость, используемая устройством, подключенным к конкретному порту, определяется хабом по уровням сигналов на линиях D+ и D-, смещаемых нагрузочными резисторами R2 приемопередатчиков.

Ø Сигналы синхронизации кодируются вместе с данными по методу NRZI (Non Return to Zero Invert)

USB системы являются многослойными

Слой Bus Interface (Интерфейс шины) обеспечивает физическую, сигнальную, и пакетную связь между хостом и устройствами, обеспечивая передачу данных между хостом и устройствами.

Слой Device (устройство) используется системным ПО для базовых USB-операций с устройстовом посредством шины. Это позволяет хосту определить характеристики устройства, включая класс устройства, имя производителя, имя устройства, требования к напряжению и многие другие функции наподобие скорости устройства и уровня поддержки USB.

Слой Function (Функция) предоставляет дополнительные возможности, специфичные для устройства. Соответствие слоев хоста и ПО устройства позволяет выполнять функции, присущие устройству.

Рис. Коммуникационный поток USB

Определение вида подключенного устройства по скорости работы осуществляется по величине сопротивления, подключенного к линии на стороне устройства. Если сопротивление 1.5 кОм подключено на входе устройства к линии , то устройство высокоскоростное, если к линии , то устройство низкоскоростное.

Рис. Подключение полноскоростного устройства.

Рис. Подключение низкоскоростного устройства

Дата добавления: 2014-11-18