 |
|
Архитектура МПС на основе ПК IBM PC. Основные узлы: ЦП, память, контролеры прерываний, регенерации, ПДП, платы расширения, тактовый генератор, таймеры и др.
Характеристики процессора Intel 8086:
Дата анонса: 8 июня 1978 года
Тактовая частота (МГц): от 4 до 10
5 (модель 8086), при частоте 4,77 производительность - 0,33 MIPS
8 (модель 8086-2, 0,66 MIPS)
10 (модель 8086-1, 0,75 MIPS)
Приблизительные затраты времени на операции, процессорных циклов (EA - время, необходимое для расчета эффективного адреса памяти, которое варьируется от 5 до 12 циклов):
Суммирование: 3-4 (регистровое), 9+EA - 25+EA - при операциях с памятью
Умножение: 70-118 (регистровое), 76+EA - 143+EA - при операциях с памятью
Перемещение данных: 2 (между регистрами), 8+EA - 14+EA - при операциях с памятью
Разрядность регистров: 16 бит
Разрядность шины данных: 16 бит
Разрядность шины адреса: 20 бит
Объём адресуемой памяти: 1 Мбайт
Адресное пространство I/O: 64 Кбайт
Количество транзисторов: 29 000
Техпроцесс (нм): 3000 (3 мкм)
Площадь кристалла (кв. мм): ~30 (по другим данным, 16 мм²)
Максимальное тепловыделение: 1,75 Вт
Напряжение питания: +5 В
Разъём: нет (микросхема припаивалась к плате)
Корпус: 40-контактный керамический или пластиковый DIP, позже - 56-контактный QFP и 44-контактный PLCC
Поддерживаемые технологии: 98 инструкций
Объём очереди команд: 6 байт
Кэш микропроцессора — кэш (сверхоперативная память), используемый микропроцессором компьютера для уменьшения среднего времени доступа к компьютерной памяти. Является одним из верхних уровней иерархии памяти[1]. Кэш использует небольшую, очень быструю память (обычно типа SRAM), которая хранит копии часто используемых данных из основной памяти. Если большая часть запросов в память будет обрабатываться кэшем, средняя задержка обращения к памяти будет приближаться к задержкам работы кэша.
Когда процессору нужно обратиться в память для чтения или записи данных, он сначала проверяет, доступна ли их копия в кэше. В случае успеха проверки процессор производит операцию используя кэш, что быстрее использования более медленной основной памяти. Подробнее о задержках памяти см. Задержки (англ. SDRAM latency)SDRAM: tCAS, tRCD, tRP, tRAS.
Большинство современных микропроцессоров для компьютеров и серверов имеют как минимум три независимых кэша: кэш инструкций для ускорения загрузкимашинного кода, кэш данных для ускорения чтения и записи данных и буфер ассоциативной трансляции (TLB) для ускорения трансляции виртуальных (математических) адресов в физические, как для инструкций, так и для данных. Кэш данных часто реализуется в виде многоуровневого кэша (L1, L2, L3).
Контроллер прерываний (англ. Programmable Interrupt Controller, PIC) — микросхема или встроенный блок процессора, отвечающий за возможность последовательной обработки запросов на прерывание от разных устройств.
Как правило представляет собой электронное устройство, иногда выполненное как часть самого процессора или же сложных микросхем его обрамления, входы которого присоединены электрически к соответствующим выходам различных устройств. Номер входа контроллера прерываний обозначается «IRQ». Следует отличать этот номер от приоритета прерывания, а также от номера входа в таблицу векторов прерываний (INT). Так, например, в IBM PC в реальном режиме работы (в этом режиме работает MS-DOS) процессора прерывание от стандартной клавиатуры использует IRQ 1 и INT 9.
В первоначальной платформе IBM PC используется очень простая схема прерываний. Контроллер прерываний представляет из себя простой счётчик, который либо последовательно перебирает сигналы разных устройств, либо сбрасывается на начало при нахождении нового прерывания. В первом случае устройства имеют равны йприоритет, во втором устройства с меньшим (или большим при обратном счёте) порядковым номером обладают большим приоритетом.
Контроллер регенерации памяти выполняет циклы чтения памяти по специальным адресам на материнской плате и внешних платах для регенерации информации в микросхемах динамической памяти. Каждые 15 мкс контроллер пытается овладеть шиной для запуска цикла регенерации. Если в этот момент задатчиком на шине является центральный процессор, то он освобождает шину для контроллера регенерации. Если в этот момент шина захвачена внешней платой, то контроллер регенерации выполнит цикл регенерации только при выработке внешней платой сигнала -REFRESH. Если в этот момент задатчиком на шине являлся контроллер ПДП, то до освобождения им шины цикл регенерации не может быть выполнен.
Когда выполняется цикл регенерации, контроллер регенерации вырабатывает сигналы адреса SA<7...0> с одним из 256 возможных адресов регенерации. Другие адресные линии неопределены и могут находиться в третьем состоянии. Этот цикл может выполняться с задержкой по сигналу I/O CH RDY с разрешенными сигналами -SMEMR и -MEMR.
Прямой доступ к памяти (англ. Direct Memory Access, DMA) — режим обмена данными между устройствами или же между устройством и основной памятью (RAM) без участия Центрального Процессора (ЦП). В результате скорость передачи увеличивается, так как данные не пересылаются в ЦП и обратно.
Кроме того, данные пересылаются сразу для многих слов, расположенных по подряд идущим адресам, что позволяет использование т. н. «пакетного» (burst) режима работы шины — 1 цикл адреса и следующие за ним многочисленные циклы данных. Аналогичная оптимизация работы ЦП с памятью крайне затруднена.
В оригинальной архитектуре IBM PC (шина ISA) был возможен лишь при наличии аппаратного DMA-контроллера (микросхема с индексом Intel 8237).
DMA-контроллер может получать доступ к системной шине независимо от центрального процессора. Контроллер содержит несколько регистров, доступных центральному процессору для чтения и записи. Регистры контроллера задают порт (который должен быть использован), направление переноса данных (чтение/запись), единицу переноса (побайтно/пословно), число байтов, которое следует перенести.
ЦП программирует контроллер DMA, устанавливая его регистры. Затем процессор даёт команду устройству (например, диску) прочитать данные во внутренний буфер. DMA-контроллер начинает работу, посылая устройству запрос чтения (при этом устройство даже не знает, пришёл ли запрос от процессора или от контроллера DMA). Адрес памяти уже находится на адресной шине, так что устройство знает, куда следует переслать следующее слово из своего внутреннего буфера. Когда запись закончена, устройство посылает сигнал подтверждения контроллеру DMA. Затем контроллер увеличивает используемый адрес памяти и уменьшает значение своего счётчика байтов. После чего запрос чтения повторяется, пока значение счётчика не станет равно нулю. По завершении цикла копирования устройство инициирует прерывание процессора, означающее завершение переноса данных. Контроллер может быть многоканальным, способным параллельно выполнять несколько операций.
Карта расширения (адаптер) в информатике — печатная плата, которую помещают в слот расширения материнской платы компьютерной системы с целью добавления дополнительных функций. Один край карты расширения оснащён контактами, точно соответствующими разъёму гнезда материнской платы. Контакты обеспечивают электрическое соединение между компонентами карты и материнской платы.
Плата расширения предназначена для расширения функций персонального компьютера. Может содержать оперативную память и устройства ввода-вывода. Могут обмениваться данными с другими устройствами на шине.
К платам расширения относятся:
видеокарта — устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера в видеосигнал для монитора. Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображений. Они имеют графический микропроцессор, который может производить дополнительную обработку, разгружая ЦПУ.
звуковая карта — плата расширения, которая производит преобразование звука из аналоговой формы в цифровую. Главная возможность звуковой карты — воспроизведение аудио и видеофайлов, хранящихся на компьютере. Аудиоадаптер позволяет записывать звук, воспроизводить его; содержит в себе АЦП, ЦАП и цифровой сигнальный процессор, который производит вычисления. Профессиональные звуковые платы позволяют производить сложную обработку звука, имеют собственное ПЗУ.
Сетевая карта — плата расширения, позволяющая ПК взаимодействовать с другими устройствами сети (в настоящее время интегрированы на материнской плате). Сетевой адаптер вместе со своим драйвером выполняет две функции: прием и передача кадра. Обычно в клиентских ПК значительная часть работы перекладывается на драйвер, что позволяет удешевить адаптер, но загружает ЦПУ. Адаптеры, предназначенные для серверов, обычно оснащены собственными процессорами, которые выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и обратно. В общем виде цепочка передачи кадров: оперативная память — адаптер — физический канал — адаптер — оперативная память.
Генератор тактовой частоты (генератор тактовых импульсов) генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах — ЭВМ, электронных часах и таймерах, микропроцессорной и другой цифровой технике. Тактовые импульсы часто используются как эталонная частота — считая их количество, можно, например, измерять временные интервалы.
В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.
Таймер (от англ. Timer) — в информатике средство обеспечения задержек и измерения времени средствами компьютера.
Главной характеристикой таймера является его точность — минимальный гарантированно выдерживаемый интервал времени. По этому параметру таймеры делят на:
малоточные (ошибка измерения может достигать 0,1 с)
точные (ошибка измерения не превышает 0,001 с)
сверхточные (ошибка измерения не превышает 10−6 c)
Существуют два вида таймеров:
Аппаратные таймеры функционируют независимо от центрального процессора и в момент срабатывания генерируют прерывание.
Программные таймеры реализуются за счёт выполнения в цикле заданного количества одинаковых «пустых» операций. При фиксированной частоте работы процессора это позволяет точно определять прошедшее время. Главными минусами такого метода являются: зависимость количества итераций цикла от типа и частоты процессора, невозможность выполнения других операций во время задержки.