ЭВМ Тема 1 - Интерфейсы. Тема 1-Интерфейсы. Учебные вопросы Виды организации ЭВМ с непосредственными связями с канальной организацией с магистральной организацией по типу общая шина (Unibus)
 Скачать 1.14 Mb.
|
|
Организация ЭВМ и систем к.т.н., доцент Костичев Сергей Валентинович snenv@mail.ru Тема 1. Виды организации ЭВМ. Интерфейсы. Учебные вопросы: 1. Виды организации ЭВМ - с непосредственными связями - с канальной организацией - с магистральной организацией по типу «общая шина (Unibus)» - с шинной организацией 2. Интерфейсы - виды - основные характеристики - классификация аппаратных интерфейсов Виды организации ЭВМ Организация – это способы распределения функций, установления связи и взаимодействия процессоров, устройств памяти и внешних устройств, используемые для реализации возможностей, заложенных в архитектуре. В зависимости от способов связи между устройствами различают следующие виды организации ВМ: - с непосредственными связями - с канальной организацией - с магистральной организацией по типу «общая шина (Unibus )» - с шинной организацией ЭВМ с непосредственными связями Вопрос Какие недостатки у организации ЭВМ с непосредственными связями? ЭВМ с канальной организацией Причина: несоответствие скоростей работы ВУ и ОП ЭВМ с канальной организацией Канал — это специализированный процессор, осуществляющий всю работу по управлению контроллерами ВУ и обмену данными между ОП и ВУ. Каналы: - селекторный – управляет только одним устройством и применяется для подключения быстрых устройств (накопители на магнитных дисках) ; - мультиплексный – управляет несколькими более медленными внешними устройствами. Контроллер ОП управляет очередностью доступа к ОП. Существенное усложнение организации ЭВМ, но упрощение архитектуры ввода-вывода. Канал, по сути, специализированный контроллер ПДП. Контроллеры ВУ подключаются к «своим» каналам с помощью стандартного интерфейса. ЭВМ с канальной организацией Канал выполняет свою канальную программу: - состоит из канальных команд; подготовительные команды команды обмена данными - хранится в ОП. - последняя команда содержит признак конца - подготавливается и загружается в ОП посредством ОС. - адрес начала в фиксированной ячейке ОП - адресное слово канала CAW (Channel Address Word) - слово состояние канала CSW (Chanel State Word) Команды ЦП для управления каналами SIO M, N - начать ввод-вывод (Start Input — Output) М – номер канала и N — номер устройства в канале. TIO - проверить ввод-вывод(Test Input — Output) - остановить ввод-вывод ЭВМ с канальной организацией Связь между ЦП и каналом SIO M, N передается во все каналы Канал M устанавливает CSW TIO Если Канал M занят -> Запуск кан. программы не состоялся (остановить ВВ) CAW - > в Рг канала M SIO M, N передается во все ВУ канала M ВУ N устанавливает CSW Если ВУ N занято -> Операция обмена не состоялась (остановить ВВ) ВУ N устанавливает сигнал ожидания в интерфейсе Канал M выбирает по CAW адрес кан. программы и передает ее в контроллер ВУ Если в CAW не признак конца, то выполнить в цикле - очередную кан. команду - изменить CAW Если в CAW признак конца, то - сигнал прерывания от канала к ЦП ОС запускает обработчик прерывания. Обработчик прерывания выполняет операции, завершающие обмен. Вопрос Какие достоинства и недостатки у организации ЭВМ с канальной организацией? ЭВМ с канальной организацией Достоинства : - процессор практически полностью освобождается от работы по организации ввода-вывода - наличие нескольких трактов передачи данных Недостатки - удорожание схемы - большое количество связей - большая специализация процессоров различного типа затрудняет их интегральное исполнение Пример ЭВМ с канальной организацией - машины семейства IBM-360/370 ЭВМ с магистральной организацией по типу «общая шина (Unibus)» МЛТП - мультиплексор ; К1-К3 – контроллеры ВУ Предполагает выделение общего универсального канала Магистральная организация Шинная архитектура Unibus была разработана фирмой DEC для мини-ЭВМ серии PDP-11 Магистраль = Общая шина (ОШ) =системная шина = системная магистраль= системный интерфейс включает - шины данных, по которой осуществляется обмен информацией между блоками ЭВМ; - шины адреса, используемой для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода) - шины управления для передачи управляющих сигналов Шина состоит из отдельных проводников (линий). Сигналы по линиям шины могут передаваться либо импульсами, либо уровнем напряжения Ширина шины - количество линий, входящих в состав шины. Определяет размер адресного пространства В качестве уникального идентификационного механизма используется единая адресная система. Магистральная организация Важнейшие принципы магистральной организации - принцип подчиненности - принцип квитирования - принцип унификации характеристик различных блоков ЭВМ - обеспечение информационной, электрической и конструктивной совместимости интерфейсов На шине в любой момент два активных устройства:. - задатчик (ведущее устройство) инициирует операцию обмена данными (в большинстве случаев ЦП) - исполнитель (ведомое устройство) выполняет операцию. ОП всегда исполнитель. Магистральная организация Из управляющих линий выделим следующие. Линии занятости . Если она в состоянии «шина свободна», задатчик может начать операцию обмена данным на шине. Линии выполняемой операции . Указывают, какая именно операция будет выполняться. Минимальный набор oneраций - чтение (задатчик принимает данные от исполнителя); - запись (задатчик передает данные исполнителю) Линии синхронизации . Несколько способов синхронизации задатчиков и исполнителей. Магистральная организация Синхронизация с помощью квитирования или рукопожатия ( handshake ) . 1.Задатчик выставляет на шине сигнал синхронизации задатчика. Сигнал распространяется по шине и достигает исполнителя. 2.Получив сигнал от задатчика, исполнитель выполняет операцию обмена и выставляет на шине ответный сигнал синхронизации исполнителя, который также начинает распространяться по шине. 3.Получив ответ от исполнителя, задатчик освобождает шину. Магистральная организация При транзакциии типа " Чтение “ процессор - переводит шину в ее состояние занято, - на адресную шину помещает адрес требуемой ячейки памяти, - устанавливает на шине управления сигнал чтение, - выдает сигнал синхронизации задатчика. Память - принимает адрес, - дешифрует его, - находит нужную ячейку и помещает ее содержимое на шину данных. - выдает сигнал синхронизации исполнителя. Получив ответ от памяти, процессор - считывает данные с шины, - снимает свои управляющие сигналы - освобождает шину. Магистральная организация При транзакциии типа " Запись “ процессор - переводит шину в ее состояние занято, - на адресную шину помещает адрес требуемой ячейки памяти, - помещает на шину данных данные, которые необходимо записать в память,. - устанавливает на шине управления сигнал запись, - выдает сигнал синхронизации задатчика. Память - принимает адрес, - дешифрует его, - помещает в соответствующую ячейку данные с шины . - выдает сигнал синхронизации исполнителя. Получив ответ от памяти, процессор - снимает свои управляющие сигналы - освобождает шину. При чтении процессор ожидает возврата данных, при записи – нет. Магистральная организация Используется единое адресное пространство ячеек памяти и внешних устройств. Следовательно, все команды обработки данных процессора могут быть применены и к внешним устройствам. Вопрос Какие недостатки у данной схемы транзакции? Магистральная организация Общая шина (совместное использование шины для доступа к памяти за данными и командами программы) является «узким местом» и снижает производительность и надежность машины Алгоритм функционирования ЭВМ с магистральной организацией 1.В ОПпервая из подлежащих выполнению программ. Адрес 1-й команды программы на счетчике команд. 2.ЦП производит операцию считывания команды из ОП. 3.Содержимое ячейки ОП интерпретируется ЦП как команда и помещается в регистр команды. 4.По адресным полям команды УУ определяет, имеет ли команда операнды в ОП. 5. УУ и АЛУ выполняют операцию 6. УУ выполняет операцию записи результата в ОП 7. Если последняя команда не была командой ОСТАНОВИТЬ ПРОЦЕССОР, то описанная последовательность действий повторяется Магистральная организация: Принстонская vs Гарвардская архитектура Принстонская архитектура, - архитектура Фон-Неймана, характеризуется использованием общей оперативной памяти - для хранения программ, - для хранения данных, - для организации стека вычислений. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные. Микропроцессор с принстонской архитектурой Принстонская архитектура Достоинства : - Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных и реализации стека в зависимости от решаемых задач. - Использование общей шины для передачи команд и данных упрощает отладку , тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность . Принстонская архитектура долго доминировала в ВТ. Недостатки : - Необходимость последовательной выборки команд и данных по общей системной шине. Общая шина становится «узким местом» , которое ограничивает производительность цифровой системы Гарвардская архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных Каждая память соединяется с процессором отдельной шиной Гарвардская архитектура Достоинства : - Благодаря разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки реализуется более высокая производительность Недостатки : - реализация большего числа шин - фиксированный объем памяти, выделенной для команд и данных, не позволяет оперативно перераспределять ее в соответствии с требованиями решаемой задачи. Развитие микроэлектронной технологии позволило преодолеть указанные недостатки. Гарвардская архитектура применяется во внутренней структуре современных высокопроизводительных МП (используется отдельная кэш-память для хранения команд и данных). Во внешней структуре большинства МП систем реализуются принципы Принстонской архитектуры. Магистральная организация. Выводы ЭВМ с шинной организацией ЭВМ с шинной организацией Используются различные магистрали для связи ЦП с ОП и с ВУ -> используются различные адресные пространства для обращения к ОП и ВУ -> требуется специальная группа команд ввода- вывода в системе команд: ADD AX, 100 ; адресуется ячейка памяти 100 IN AX, 100 ; адресуется внешнее устройство с номером 100 Шина ПДП используется для связи ВУ и ОП без участия ЦП Связанные с шиной устройства должны подчиняться определѐнным правилам, которые называют протоколами шины Пример: Система на кристалле «МЦСТ-R500S» В СНК МЦСТ-R500S выполнены следующие структурные нововведения : - реализации двухядерной процессорной части , - создания СНК, включающей общую для 2-х процессоров кэш- память 2-го уровня , контроллер ОП и набор периферийных контроллеров для доступа к внутренним узлам компьютера, внешним каналам и линиям связи; - замены магистральной шины, объединяющей основные узлы микросхемы, на быстродействующий системный коммутатор; - введения каналов прямого доступа к памяти аналогичных систем , позволяющего строить многомашинные конфигурации. Интерфейс Интерфейс – совокупность физических и логических принципов взаимодействия элементов сложной структуры, где: • под логическим понимается обеспечение информационной совместимости, • под физическим – электрическая и конструктивная совместимость Виды связи между структурными и функциональными частями ЭВМ: Информационные . Определяют согласованность взаимодействия функциональных элементов в соответствии со структурной и функциональной организацией системы. Электрические или энергетические . Определяют согласованность параметров электрических сигналов в системе с учетом ограничений на пространственное размещение. Конструктивные . Определяют согласованность взаимодействия устройств с учѐтом пространственного и конструктивного размещения. Интерфейс Интерфейс – в широком смысле стык, граница раздела двух взаимодействующих систем, устройств или программ. Интерфейс - соглашение о взаимодействии объектов: перечень средств взаимодействия, их параметры, в случае аппаратных интерфейсов – параметры сигналов, способы доступа к средствам взаимодействия, правила взаимодействия и т.д. Виды интерфейсов Выделяют интерфейсы: Аппаратный (устройство-устройство) – совокупность алгоритмов обмена и технических средств, обеспечивающих обмен между устройствами. Примеры: PCI, RS-232, I2C, Ethernet. Программный – соглашение о связях в программной среде между программными модулями. Примеры: Win32, POSIX, API любого программного модуля Пользовательский (ВС – пользователь) – сценарии, по которым строится общение оператора с вычислительной системой, и стиль их реализации По функциональному назначению интерфейсы компьютерной системы могут быть: - внутренними по отношению к процессору и служить для передачи данных между АЛУ и регистрами, - внешними по отношению к процессору и связывать процессор с памятью или устройствами ввода/вывода. ГОСТ 26.016-81 устанавливает 4 основных квалификационных признака интерфейсов Основные характеристики интерфейса Пропускная способность – количество полезной информации, передаваемой в единицу времени; измеряется в бит/с или байт/с. Единица измерения Бод (бит/с) никакого отношения к пропускной способности не имеет. Бод- это скорость манипуляции в канале. Длина линий связи – максимальное расстояние между сопрягаемыми устройствами, при котором возможен обмен данными. Разрядность – число линий связи, обеспечивающих передачу информации. Топология – физическое расположение элементов вычислительной сети в пространстве в соответствии с логикой их взаимодействия. Способ передачи данных: параллельный, последовательный Режим работы : синхронный, асинхронный Режим обмена данными : симплексный, полудуплексный, дуплексный Основные характеристики интерфейса - топология По используемой топологии аппаратные интерфейсы разделяются на: - радиальные - магистральные - цепочечные - кольцевые Основные характеристики интерфейса - Способ передачи данных Для упрощения процесса подключения ПК к внешним устройствам было разработано несколько стандартных интерфейсов. Наиболее популярные - параллельный интерфейс (LPT он же Centronics) - последовательный интерфейс (RS 232-С (СОМ-порт) USB PS\2) Основные характеристики интерфейса - режим работы Режимы работы: - синхронный – каждое из устройств имеет свой временной или пространственный интервал, когда нужно передавать данные. Сигнал синхронизации передается по одной из линий. - асинхронный – каждое из устройств путем взаимодействия с другими устройствами выбирает пространственный или временной интервал передачи данных Преимущества асинхронной передачи : - несложная, отработанная технология; - недорогое (по сравнению с синхронным) интерфейсное оборудование Недостатки : - примерно треть пропускной способности теряется на передачу служебных битов; - невысокая (по сравнению с синхронной) скорость передачи. Основные характеристики интерфейса - режим обмена данными - симплексный, ( пульт дистанционного управления ) - полудуплексный, ( рация , соединение WiFi ) - дуплексный ( телефон ) Классификация аппаратных интерфейсов ЭВМ •Системные интерфейсы: •радиальные (ISA, MCA, EISA), •совмещенные (PCI, IEEE-1196). •Интерфейсы программируемых подсистем: IEEE – 488, SCSI. •Интерфейсы внешних запоминающих устройств (ВЗУ): •накопитель на гибком магнитном диске (ST-506); •накопитель на жѐстком магнитном диске (IDE, EIDE); •накопитель на магнитной ленте или стример (QIC-36). •Интерфейсы устройств ввода/вывода (УВВ): •параллельные (Centronics), •последовательные (RS232, USB). •Интерфейсы сетей общего пользования: •телефонный канал (V.24, V.32, V.42, V.90); •согласованная физическая линия (RS422); •несогласованная физическая линия (RS423). •Интерфейсы локальных и глобальных компьютерных сетей: •системы передачи данных общего пользования (X21,X25); •локальные сети общего назначения (Ethernet IEEE-805.3); •малые локальные сети (TokenRing). Дополнение Интерфейс PCI PCI – шина ввода-вывода для подключения периферийных устройств к плате компьютера. 1992 г. – вышел первый стандарт PCI. Шина PCI соединяется с системной шиной процессора высокопроизводительным мостом («северным»), входящим в состав чипсета системной платы. Интерфейс PCI имеет двухшинную структуру : мультиплексированную шину адреса-данных (АД) и шину управления. Номинальная разрядность шины данных — 32 бита, спецификация определяет и расширение разрядности до 64 бит. Шина PCI процессорно-независимая. Интерфейс PCI может иметь иерархическую структуру, взаимодействуя с шиной расширения типа ISA, EISA или MCA через соответствующий контроллер. К шине PCI подсоединены два типа объектов: задатчики и исполнители. Основная операция на шине – блочный обмен последовательностью данных между задатчиком и исполнителем при выполнении операций чтения и записи данных. Интерфейс USB USB(Universal Serial Bus) –последовательный интерфейс, используемый для подключения периферийных устройств. Число устройств: до 127 Пропускная способность: до 5 Гбит/c (USB 3.0) Ориентирован на интеграцию с телефонией и устройствами бытовой электроники. Первая версия компьютерного интерфейс USB появилась в 1996 году. Традиционные интерфейсы (COM, LPT) Шина USB Подключение каждого устройства в общем случае требует присутствия собственного контроллера (адаптера) 1 Все устройства подключены через один хост- контроллер Каждый контроллер занимает свои ресурсы (области в пространстве памяти, ввода/вывода, а также запросы прерывания) Ресурсы занимает только хост-контроллер Малое количество устройств, которые возможно одновременно подключить к компьютеру Возможность подключения до 127 устройств Драйверы устройств могут обращаться непосредственно к контроллерам своих устройств, независимо друг от друга Драйверы устройств обращаются только к общему драйверу хост-контроллера Независимость драйверов оборачивается непредсказуемостью результата одновременной работы с множеством устройств, отсутствием гарантий качества обслуживания (возможность задержек и уменьшения скорости передачи) для различных устройств Централизованный планируемый обмен обеспечивает гарантии качества обслуживания, что позволяет передавать мультимедийные изохронные данные наряду с обычным асинхронным обменом Сравнение USB с традиционными интерфейсами Вопросы? |