Телекоммуникации и Информатика и вычислительная техника Ульяновск 2007 2
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
7.4. Выполнение команды микропроцессором МикроЭВМ работает в форме последовательного выполнения машинных команд, хранящихся в ячейках памяти. Время выполнения каждой команды состоит из двух интервалов – выборки и собственно выполнения. Каждый из обоих интервалов занимает во времени некоторое число циклов генератора тактовой частоты, зависящее от типа команды (рис. 7.5). В свою очередь, каждый из циклов генератора тактовой частоты соответствует выполнению одного элементарного шага команды, называемого микрооперацией. В табл. 7.1 представлены шаги (микрооперации) выполнения команды микропроцессором чтение числа из заданной ячейки памяти, прибавление к нему единицы и сохранение результата в аккумуляторе 146 Цикл генератора тактовой частоты Общее время выполнения команды Интервал выборки команды Интервал выполнения операции Рис. 7.5. Интервалы выполнения команды Таблица 7.1 Наименование интервала Цикл генератора тактовой частоты Выполняемая микрооперация Активные линии магистрали управления Выборка команды из памяти 1 Пересылка адреса команды из программного счетчика по МА в регистр адреса памяти 2 и 5 2 Пересылка кода адресуемой команды из ячейки памяти по МД в регистр команд 3 и 6 Наращивание содержимого программного счетчика (формирование адреса следующей команды) 1 Выполнение операции 3 Пересылка адреса операнда из регистра команд по МА в регистр адреса памяти 4 и 5 4 Пересылка адресуемого операнда из ячейки памяти по МД в операционный блоки Выполнение заданной операции над операндом в операционном блоке 9 6 Запись результата операции в аккумулятор 12 В первом цикле адрес команды, хранящийся в программном счетчике, пересылается по МА в регистр адреса памяти. С этой целью УУ выдает одновременно два управляющих сигнала по линиями (рис. 7.6). МИКРОПРОЦЕССОР Магистраль адресов Магистраль данных Программный счетчик Операционный блок Аккумулятор Устройство управления 2 4 ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ Блок ячеек памяти Регистр адреса 5 Адрес операнда КОП Регистр команд Блок регистров общего назначения 6 7 8 9 10 11 12 13 8 9 10 11 12 13 АЛУ Рис. 7.6. Структурная схема МП 147 Во втором цикле, путем одновременной активизации линий 3 и 6, код команды, адрес которой теперь имеется в регистре адреса памяти, пересылается из адресуемой ячейки памяти по МД в регистр команд. В этом же цикле путем активизации линии 1 от УУ одновременно наращивается содержимое программного счетчика так, чтобы получился адрес следующей команды программы. Обычно этот адрес получается прибавлением одной и той же константы (например, 1) к адресу текущей команды. Эта константа формируется автоматически. Второй цикл завершает интервал выборки команды из памяти в микропроцессор. Код команды находится в регистре команд. Одна часть этого кода содержит КОПа другая часть — адрес операнда (числа) в памяти, над которым должна выполняться требуемая операция. Далее начинается интервал выполнения операции, заложенной в данной команде. Конкретная последовательность выдачи управляющих сигналов от УУ на интервале выполнения операции полностью зависит от КОП. В рассматриваемом примере интервал выполнения операции содержит циклы 3, 4, 5 и 6. В третьем цикле адрес операнда из регистра команд пересылается по МА в регистр адреса памяти подачей сигналов от УУ по линиями. В четвертом цикле адресуемый операнд пересылается из соответствующей ячейки памяти по МД в операционный блок путем активизации линий 6 и 8. В пятом цикле над операндом, засланным в операционный блок, осуществляется требуемая операция прибавления единицы. Увеличение содержимого операционного блока на единицу достигается самим операционным блоком при подаче на него управляющего сигнала по линии 9 от УУ. В шестом цикле увеличенное на единицу содержимое операционного блока пересылается в аккумулятор под действием управляющего сигнала по линии 12 от УУ. На этом выполнение команды завершается. Так как в этот момент программный счетчик уже содержит адрес следующей команды, тов очередном цикле генератора тактовой частоты немедленно начинается первый шаг новой команды. Эта новая команда может, например, осуществить суммирование числа в аккумуляторе (те. результата предыдущей команды) с числом из какой-нибудь ячейки памяти и записать полученную сумму в другую ячейку памяти или же в один из регистров общего назначения. Выполняя одну команду за другой, МП продолжает работать до тех пор, пока не встретится команда останова или оператор принудительно не остановит микроЭВМ нажатием соответствующей клавиши. 149 7.5. Организация интерфейса в микроЭВМ Интерфейс (interface) – совокупность средств сопряжения и связи, обеспечивающая эффективное взаимодействие систем или их частей. В интерфейсе предусмотрены вопросы сопряжения на механическом (число проводов, элементы связи, типы соединений, разъемы, номера контактов и т. пи логическом (сигналы, их длительность, полярность, частоты и амплитуда, протоколы взаимодействия) уровнях. В современных интерфейсах для формирования стандарта подключения устройств к системе широко используются наборы микросхем, генерирующих стандартные сигналы. Внутримашинный интерфейс система связи и сопряжения узлов и блоков компьютера, представляет собой совокупность электрических линий связи, схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов. В функции интерфейса входят дешифрация адреса устройств, синхронизация обмена информацией, согласование форматов слов, дешифрация кода команды, связанной с обращением к периферийному устройству, электрическое согласование сигналов и другие операции. Интерфейс должен осуществлять совместимость между всеми компонентами микроЭВМ по быстродействию, форме представления обмениваемой информации, архитектуре центрального процессора и электрическим характеристикам. Из всего многообразия типов микроЭВМ можно выделить две основные организации интерфейса между процессором, памятью и периферийными устройствами двухшинную, или интерфейс с изолированной системой шин, и одношинную, или интерфейс с общей шиной. Интерфейс с изолированной шиной. Особенностью этого интерфейса является раздельная адресация памяти и периферийных устройств при обмене информацией путем использования отдельных групп команд для обмена информацией с периферийными устройствами и памятью. Обмен с периферийными устройствами производится с помощью двухбайтных команд ввода IN PORT и вывода OUT PORT, а управление обменом — под воздействием управляющих сигналов ввода и вывода, формируемых системным контроллером при выполнении соответствующих команд. Адрес из МП передается по МА, передача данных выполняется по МД между аккумулятором и буферным регистром интерфейсного модуля (портом) периферийного устройства. Обмен информацией между МП и памятью производится по командам передачи данных. Основным недостатком организации интерфейса с изолированной шиной является осуществление обмена обязательно через аккумулятор МП, что, как правило, требует выполнения четырех команд. Интерфейс с общей шиной. Приданной организации интерфейса все адресное пространство делится между периферийными устройствами и ячейками памяти, причем обращение к периферийным устройствам осуществляется посредством набора команд, используемых для передачи данных с памятью. Достоинствами данного интерфейса являются возможность расширения набора команд для обращения к периферийным устройствам, что позволяет сократить объем программ и повысить быстродействие возможность обмена информацией между любыми регистрами МП; возможность внепроцессорного обмена данными между ячейками памяти. Недостатком интерфейса с общей шиной является усложнение дешифрирующих схем и сокращение области памяти. Общая шина ОШ) это — магистраль, которая связывает между собой все периферийные устройства, запоминающие устройства и процессор. Все устройства, включая процессор, подсоединены в общую шину параллельно. Взаимодействие устройств на ОШ основано на принципе ведомый-ведущий (задатчик — исполнитель. Задатчик получает ОШ в свое распоряжение на промежуток времени для определения операции ввода-вывода с исполнителем. Одно и тоже устройство может быть и задатчиком, и исполнителем (в зависимости от типа операции. На ОШ можно организовать автономный обмен данными непосредственно между двумя ВУ без привлечения для этого ресурсов процессора и ОП. Все передачи по ОШ осуществляются асинхронно по методу запрос-ответ. В случае неполучения ответного сигнала от исполнителя задатчик фиксирует ошибку в работе ОШ и выполняет операцию прерывания. В структуре связей микроЭВМ разделяют внутренний интерфейс, объединяющий БИС процессора, модули ОЗУ, ПЗУ и схемы управления вводом-выводом, и внешний интерфейс, обеспечивающий сопряжение между внутренней магистралью и периферийными устройствами. Таким образом, наиболее распространенными интерфейсами микроЭВМ являются интерфейсы с общей шиной, представляющие собой совокупность совместимых и частично совместимых магистралей. Контрольные вопросы 1. Назовите состав структурной схемы микроЭВМ. 2. Назначение основных регистров микроЭВМ. 3. Чем характеризуется система команд 4. Способы адресации в микроЭВМ. 5. Основные типы команд в микроЭВМ. 6. Назначение команды ADD. 7. Какой из регистров изменяет свое состояние при команде сравнения 8. Какие основные типы интерфейсов используются в микроЭВМ 152 8. АРХИТЕКТУРА ПЭВМ 8.1. Системный блок ПЭВМ Устройства, находящиеся внутрисистемного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему, – внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными. Конструктивно системный блок состоит из корпуса, в котором установлены системная (материнская) плата, накопители на гибких и жестких магнитных дисках (НГМД, НЖМД), накопители на оптических дисках (НОД); видеокарта; звуковая карта сетевая карта и другие устройства (рис. 8.1). Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД) Накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД) Накопитель на оптическом диске (НОД) Дополни- тельные слоты расширения Контроллер жестких дисков Видео- контроллер Контроллер гибких дисков Контроллер оптического диска Сетевой адаптер Последовательные коммуникационные порты (СОМ) Параллельные коммуникационные порты (Системная шина Монитор ОЗУ (RAM) ПЗУ (BIOS) Основная память Контроллер клавиатуры Сканер Клавиатура Модем МП (СРU) Порты USB Флэш- устройства Принтер Мышь Рис. 8.1. Системный блок ПЭВМ Корпуса персональных компьютеров выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Корпуса, имеющие вертикальное исполнение, различают по габаритам полноразмерный (big-tower), среднеразмерный (midi-tower) и малоразмерный (mini-tower). Корпуса персональных компьютеров поставляются вместе с блоком питания и, таким образом, мощность блока питания также является одним из параметров корпуса. Мощность блока питания составляет 250–350 Вт и более. Системная плата (System board) – является основой системного блока, определяющая архитектуру и производительность ПЭВМ. Архитектура системного блока представлена на рис. 8.2. PCI Bus PCI Slots USB Audio Codec Modem Последовательный порт Параллельный порт Контроллер клавиатуры Порты для подключения внешних устройств bridge North Разъемы для подключения модулей памяти Северный мост Процессор Шина памяти Южный мост Express/AGP Коннекторы жесткого диска Слоты для подключения плат Port Keyboard Mouse Serial Port SATA connector IDE connector IDE connector Floppy connector Контроллер манипулятора "Мышь" Коннектор Коннектор дисковода Видео- контроллер ПЗУ Рис. 8.2. Архитектура системной платы Устройства, непосредственно осуществляющие процесс обработки информации (вычисления, в том числе микропроцессор, оперативная память и шина, размещаются на системной (материнской) плате компьютера, на ней же располагается и контроллер клавиатуры. Схемы, управляющие другими внешними устройствами компьютера, как правило, находятся на отдельных платах, вставляемых в унифицированные разъемы (слоты) на материнской плате. Через эти разъемы контроллеры устройств подключаются непосредственно к системной магистрали передачи данных. Иногда эти контроллеры могут располагаться на системной плате. Наборы микросхем, на основе которых исполняются системные платы, называют чипсетами (ChipSets). На системной плате размещаются микропроцессор (CPU – Central Processor Unit) – основная микросхема, выполняющая арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера микропроцессорный комплект (чипсет) набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы. В настоящее время большинство чипсетов материнских плат выпускаются на базе двух микросхем, получивших название северный мост и южный мост (рис. 8.2). Северный мост управляет взаимосвязью четырех устройств процессора, оперативной памяти, шины PCI Express или AGP. Южный мост называют также функциональным контроллером. Он выполняет функции контроллера жестких и гибких дисков, функции контроллера клавиатуры, мыши, шины USB и т. п память(внутренняя – системная, включающая ОЗУ и ПЗУ, и внешняя дисковая. ПЗУ (ROM, Read Only Memory память только для чтения) служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации. ОЗУ (RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных, непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Дисковая память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач, в ней, в частности, хранится все программное обеспечение компьютера. В качестве устройств внешней памяти, размещаемых в системном блоке, используются накопители НЖМД, НГМД, НОД и др контроллеры (адаптеры)служат для подключения периферийных (внешних по отношению к процессору) устройств к шинам микропроцессора, обеспечивая совместимость их интерфейсов. Они осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора. Контроллеры реализуются, как правило, на отдельных печатных платах, часто называемых адаптерами устройств (от лат. adapto – преобразовываю системная шина основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает шину данных, содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда, шину адреса, состоящую из проводов и схем сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства, шину управления, содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов) вовсе блоки компьютера, и шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации между микропроцессором и внутренней (основной) памятью, между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств, между внутренней (основной) памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти. На рис. 8.3 представлена материнская плата чипсета Intel Q 965 с типом разъема процессора Pentium 4, двухядерного, частотой шины 533, 800, 1066 МГц, оперативной памятью DDR2 (800/667/533 МГц, шиной PCI Express и сетевой картой передачи данных до 1000 Мбит/с. Накопитель на гибких магнитных дисках (FDD – Floppy Disk Drive ) предназначен для записи (считывания) информации на дискеты. Основная характеристика емкость. Накопитель на жестком магнитном диске (HDD – Hard Disk Drive) предназначены для долговременного хранения информации. Обеспечивают наиболее быстрый среди накопителей доступ к данным. Основные характеристики емкость измеряемая в ГБайтах (1–200 и более, быстродействие (3600, 7200, 10000). Рис. 8.3. Материнская плата чипсета Intel Q 965 Накопитель на оптических дисках (CD-ROM-Compact Disk Read Only Memory) – предназначен для чтения оптических дисков, для хранения информации используется изменение оптических свойств (степени отражения) поверхности носителя. Основная характеристика – скорость считывания. Видеокарта (Video Card) – видеоадаптер, обеспечивающий формирование видеосигнала и определяющий изображение на мониторе. Основная характеристика видеоадаптера объем видеопамяти измеряемый в Мегабайтах. Видеоускорение — одно из свойств видеоадаптера, которое заключается в том, что часть операций по построению изображений может происходить без выполнения математических вычислений в основном процессоре компьютера, а чисто аппаратным путем — преобразованием данных в микросхемах видеоускорителя. Видеоускорители могут входить в состав видеоадаптера (в таких случаях говорят о том, что видеокарта обладает функциями аппаратного ускорения, но могут поставляться в виде отдельной платы, устанавливаемой на материнской плате и подключаемой к видеоадаптеру. Звуковая карта (Sound Card) – служит для воспроизведения звука. В своем составе имеет цифровой канал записи-воспроизведения моно- и стереофонического сигнала, микшер, синтезатор и порт. Звуковая карта имеет набор разъемов для подключения внешних аналоговых сигналов (входные – микрофон, линейный вход, 157 CD-ROM; выходные – линейный выход, выход на колонки или наушники, некоторые платы имеют и цифровой вход от CD-ROM. Сетевая карта (Net Card) – служит для передачи данных в вычислительных сетях. Различаются по поддерживаемым протоколам доступа к среде передачи данных. В системном блоке располагается также блок питания, преобразующий переменное напряжение электросети в постоянное напряжение различной полярности и величины, необходимое для питания системной платы и других устройств компьютера, размещенных в системном блоке. Блок питания содержит вентилятор, создающий циркулирующие потоки воздуха для охлаждения системного блока, сетевого энерго- питания ПК. Кроме сетевого, в компьютере имеется также автономный источник питания аккумулятор. К аккумулятору подключается таймер – внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и доли секунд. Таймер продолжает работать и при отключении компьютера от сети. Важнейшую роль в работе ПЭВМ играет контроллер прерываний. Прерывание временный останов выполнения одной программы в целях оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы. Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания процессору. Процессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. |