 |
|
Архитектуры с фиксированным набором устройств
Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно или несколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены компактно и используют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры первого и второго поколения имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешнего оборудования. Такая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логических элементов которых построена на дискретных электронных компонентах (электронных лампах, транзисторах). Введение любого дополнительного функционального блока в такие архитектуры был сопряжён с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и резко увеличивал стоимость всей системы. Поэтому компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком.
Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ, арифметико-логические устройства (АЛУ) обеспечивает не только числовую обработку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществляя её занесение в оперативную память. Канал ввода/вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определённого числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы.
Компьютеры такой архитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.
15. Вычислительные системы с закрытой и открытой архитектурой. Архитектура компьютера с общей и локальной шиной.
В начале 70-х годов фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютер совершенно иной архитектуры. Эта архитектура позволяла свободно подключать любые периферийные устройства, что сразу же заинтересовало разработчиков систем управления различными техническими системами, так как обеспечивало свободное подключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине передачи информации. Подключение устройств к шине осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Стандарт шины являлся свободно распространяемым документом, что позволяло фирмам производителям периферийного оборудования разрабатывать контроллеры для подключения своих устройств к шинам различных стандартов. Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнями сигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются от уровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Контроллер подключается к шине специальными устройствами – портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обращения к нему процессора происходит, так же как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства.
Несмотря на преимущества, предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьёзный недостаток, который проявлялся всё больше при повышении производительности внешних устройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шине подключены устройства с разными объёмами и скоростью обмена, в связи с чем "медленные" устройства задерживали работу "быстрых". Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальной шины, к которой подключались "быстрые" устройства. Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передаёт их контроллеру, подключённому к общей или локальной шине.
Конструктивно, контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъёмы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объём обмена с центральным процессором и между собой.
Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера. Кроме этого, в состав микросхемы центрального контроллера включены устройства, которые поддерживают работу компьютера. К ним относятся системный таймер; устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и памятью в периоды, когда это не требуется процессору; устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запросы внешних устройств, имеющих данные для передачи.
Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит такое устройство, как аудио карта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов.
Для подключения специфических устройств, часть общей шины, соединяющая центральный и функциональный контроллеры имеет слоты расширения для установки плат контроллеров.
16. Функциональная организация персонального компьютера.
Центральный процессор (ЦП) – функционально-законченное программно-управляемое устройство обработки информации. В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:
· полная система команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer (CISC);
· сокращённый набор команд фиксированной длины – Reduced Instruction Set Computer (RISC).
Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих персональных компьютеров, имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать команду наиболее подходящую ему в данном случае. Недостатком этой архитектуры является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управления процессора, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения.
RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать её с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода.
Наиболее сложным функциональным устройством процессора является устройство управления выполнением команд. Оно содержит:
· буфер команд, который хранит одну или несколько очередных команд программы; читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшая время выборки очередной команды из памяти;
· дешифратор команд расшифровывает код операции очередной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы, которая реализует исполнение команды;
· управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана, имеет свой счётчик микрокоманд, который автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд;
· постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд – это запоминающее устройство, в которое информация записывается однократно и затем может только считываться; отличительной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него информация сохраняется сколь угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специальных регистров, полноразрядного сумматора и схем местного управления.
Регистры общего назначения (РОН) используются для временного хранения операндов исполняемой команды и результатов вычислений, а так же хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-вывода для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам. Необходимо отметить, что если операнды команды хранятся в РОН, то время выполнения команды значительно сокращается. Одна из причин, почему программисты иногда обращаются к программированию на языке машинных команд, это наиболее полное использование РОН для получения максимального быстродействия при выполнении программ, критичных по времени.
Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) или RAM (Random Access Memory) – памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из ячейки, обращаясь к ней по её номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов. В настоящее время стандартный размер ячейки ОЗУ равняются одному байту. Информация в ОЗУ сохраняется всё время, пока на схемы памяти подаётся питание, то есть она является энергозависимой.
В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ как тестирование компьютера, начальной загрузки, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, то есть сохраняет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory).
Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется шириной – числом параллельных проводников для передачи информации. Другим важным параметром шины является тактовая частота шины – это частота, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации.
Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать. Если ширина шины адреса равна n, то количество адресуемой памяти равно 2n.
Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и её ширина во многом определяет информационную пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32-64.
Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Её ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом её работы или, как говорят, протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких циклов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри процессора или отдельным контроллером шины.
17. Внешние запоминающие устройства. Накопители на магнитных и оптических дисках, флэш-память.