Компьютерные системы и сети Часть 1 (Архитектура ВС) Мельникова ЕВ, БГУИР 2009 (Мет пособие). Компьютерные системы и сети Часть 1 (Архитектура ВС) Мельникова. Учебнометодический комплекс по дисциплине компьютерные системы и сети для студентов специальности Т. 10 02 00 Программное обеспечение информационных технологий
 Скачать 0.76 Mb.
|
|
1.12.3.Организация прямого доступа к памяти Одним из способов обмена данными с ВУ является обмен в режиме прямого доступа к памяти (ПДП). В этом режиме обмен данными между ВУ и основной памятью микроЭВМ происходит без участия процессора. Обменом в режиме ПДП управляет не программа, выполняемая процессором, а электронные схемы, внешние по отношению к процессору. Обычно схемы, управляющие обменом в режиме ПДП, размещаются в специальном контроллере, который называется контроллером прямого доступа к памяти. Обмен данными в режиме ПДП позволяет использовать в микроЭВМ быстродействующие внешние запоминающие устройства, такие, например, как накопители на жестких магнитных дисках, поскольку ПДП может обеспечить время обмена одним байтом данных между памятью и ВЗУ, равное циклу обращения к памяти. Для реализации режима прямого доступа к памяти необходимо обеспечить непосредственную связь контроллера ПДП и памяти микроЭВМ. Для этой цели можно было бы использовать специально выделенные шины адреса и данных, связывающие контроллер ПДП с основной памятью. Но такое решение нельзя признать оптимальным, так как это приведет к значительному усложнению микроЭВМ в целом, особенно при подключении нескольких ВЗУ. В целях сокращения количества линий в шинах микроЭВМ контроллер ПДП подключается к памяти посредством шин адреса и данных системного интерфейса. При этом возникает проблема совместного использования шин системного интерфейса процессором и контроллером ПДП. Можно выделить два основных способа ее решения: реализация обмена в режиме ПДП с "захватом цикла" и в режиме ПДП с блокировкой процессора. Существуют две разновидности прямого доступа к памяти с "захватом цикла". Наиболее простой способ организации ПДП состоит в том, что для обмена используются те машинные циклы процессора, в которых он не обменивается данными с памятью. В такие циклы контроллер ПДП может обмениваться данными с памятью, не мешая работе процессора. Однако возникает необходимость выделения таких циклов, чтобы не произошло временного перекрытия обмена ПДП с операциями обмена, инициируемыми процессором. В некоторых процессорах формируется специальный управляющий сигнал, указывающий циклы, в которых процессор не обращается к системному интерфейсу. При использовании других процессоров для выделения таких циклов необходимо применение в контроллерах ПДП специальных селектирующих схем, что усложняет их конструкцию. Применение рассмотренного способа организации ПДП не снижает производительности микроЭВМ, но при этом обмен в режиме ПДП возможен только в случайные 48 моменты времени одиночными байтами или словами. Более распространенным является ПДП с "захватом цикла" и принудительным отключением процессора от шин системного интерфейса. Для реализации такого режима ПДП системный интерфейс микроЭВМ дополняется двумя линиями для передачи управляющих сигналов "Требование прямого доступа к памяти" (ТПДП) и "Предоставление прямого доступа к памяти" (ППДП). Управляющий сигнал ТПДП формируется контроллером прямого доступа к памяти. Процессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение очередной команды, не дожидаясь ее завершения, выдает на системный интерфейс управляющий сигнал ППДП и отключается от шин системного интерфейса. С этого момента все шины системного интерфейса управляются контроллером ПДП. Контроллер ПДП, используя шины системного интерфейса, осуществляет обмен одним байтом или словом данных с памятью микроЭВМ и затем, сняв сигнал ТПДП, возвращает управление системным интерфейсом процессору. Как только контроллер ПДП будет готов к обмену следующим байтом, он вновь "захватывает" цикл процессора и т.д. В промежутках между сигналами ТПДП процессор продолжает выполнять команды программы. Тем самым выполнение программы замедляется, но в меньшей степени, чем при обмене в режиме прерываний. Применение в микроЭВМ обмена данными с ВУ в режиме ПДП всегда требует предварительной подготовки, а именно: для каждого ВУ необходимо выделить область памяти, используемую при обмене, и указать ее размер, т.е. количество записываемых в память или читаемых из памяти байт (слов) информации. Следовательно, контроллер ПДП должен обязательно иметь в своем составе регистр адреса и счетчик байт (слов). Перед началом обмена с ВУ в режиме ПДП процессор должен выполнить программу загрузки. Эта программа обеспечивает запись в указанные регистры контроллера ПДП начального адреса выделенной ВУ памяти и ее размера в байтах или словах в зависимости от того, какими порциями информации ведется обмен. Сказанное не относится к начальной загрузке программ в память в режиме ПДП. В этом случае содержимое регистра адреса и счетчика байт слов устанавливается переключателями или перемычками непосредственно на плате контроллера. Блок-схема простого контроллера ПДП, обеспечивающего ввод данных в память микроЭВМ по инициативе ВУ в режиме ПДП "Захват цикла", приведена на рис. 1.12.3 49 Рис. 1.12.3.Контроллер ПДП для ввода данных из ВУ в режиме "Захват цикла" и отключением процессора от шин системного интерфейса Перед началом очередного сеанса ввода данных из ВУ процессор загружает в регистры его контроллера следующую информацию: в счетчик байт - количество принимаемых байт данных, а в регистр адреса - начальный адрес области памяти для вводимых данных. Тем самым контроллер подготавливается к выполнению операции ввода данных из ВУ в память микроЭВМ в режиме ПДП. Байты данных из ВУ поступают в регистр данных контроллера в постоянном темпе. При этом каждый байт сопровождается управляющим сигналом из ВУ "Ввод данных", который обеспечивает запись байта данных в регистр данных контроллера. По этому же сигналу и при ненулевом состоянии счетчика байт контроллер формирует сигнал ТПДП. По ответному сигналу процессора ППДП контроллер выставляет на шины адреса и данных системного интерфейса содержимое своих регистров адреса и данных соответственно. Формируя управляющий сигнал "Вывод", контроллер ПДП обеспечивает запись байта данных из своего регистра данных в память микроЭВМ. Сигнал ППДП используется в контроллере и для модификации счетчика байт и регистра адреса. По каждому сигналу ППДП из содержимого счетчика байт вычитается 50 единица, и как только содержимое счетчика станет равно нулю, контроллер прекратит формирование сигналов "Требование прямого доступа к памяти". На примере простого контроллера ПДП мы рассмотрели только процесс подготовки контроллера и непосредственно передачу данных в режиме ПДП. На практике любой сеанс обмена данными с ВУ в режиме ПДП всегда инициируется программой, выполняемой процессором, и включает два следующих этапа. 1. На этапе подготовки ВУ к очередному сеансу обмена процессор в режиме программно-управляемого обмена опрашивает состояние ВУ (проверяет его готовность к обмену) и посылает в ВУ команды, обеспечивающие подготовку ВУ к обмену. Такая подготовка может сводиться, например, к перемещению головок на требуемую дорожку в накопителе на жестком диске. Затем выполняется загрузка регистров контроллера ПДП. На этом подготовка к обмену в режиме ПДП завершается и процессор переключается на выполнение другой программы. 2. Обмен данными в режиме ПДП начинается после завершения подготовительных операций в ВУ по инициативе либо ВУ, как это было рассмотрено выше, либо процессора. В этом случае контроллер ПДП необходимо дополнить регистром состояния и управления, содержимое которого будет определять режим работы контроллера ПДП. Один из разрядов этого регистра будет инициировать обмен данными с ВУ. Загрузка информации в регистр состояния и управления контроллера ПДП производится программным путем. Наиболее распространенным является обмен в режиме прямого доступ к памяти с блокировкой процессора. Он отличается от ПДП с "захватом цикла" тем, что управление системным интерфейсом передается контроллеру ПДП не на время обмена одним байтом, а на время обмена блоком данных. Такой режим ПДП используется в тех случаях, когда время обмена одним байтом с ВУ сопоставимо с циклом системной шины. В микроЭВМ можно использовать несколько ВУ, работающих в режиме ПДП. Предоставление таким ВУ шин системного интерфейса для обмена данными производится на приоритетной основе. Приоритеты ВУ реализуются так же, как и при обмене данными в режиме прерывания, но вместо управляющих сигналов "Требование прерывания" и "Предоставление прерывания" (рис. 18 Организация прерываний в микроЭВМ) используются сигналы "Требование прямого доступа" и "Предоставление прямого доступа", соответственно. 51 2.Память в микропроцессорной системе Для хранения информации в микропроцессорных системах используются запоминающие устройства на основе полупроводниковых материалов, а также магнитные и оптические внешние носители. Внутренняя память компьютера представлена в виде отдельных интегральных микросхем (ИМС) собственно памяти и элементов, включенных в состав других ИМС, не выполняющих непосредственно функцию хранения программ и данных - это и внутренняя память центрального процессора, и видеопамять, и контроллеры различных устройств. Для создания элементов запоминающих устройств, в основном, применяют СБИС со структурой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) на основе кремния (в связи с тем, что в качестве диэлектрика чаще всего используют его оксид Si02, то их обычно называют МОП (металл-оксид-полупроводник) структурами). Для функционирования компьютерной системы необходимо наличие как оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), так и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), обеспечивающего сохранение информации при выключении питания. ОЗУ может быть статическим и динамическим, а ПЗУ однократно или многократно программируемым. Степень интеграции, быстродействие, электрические параметры ЗУ при записи и хранении информации, помехоустойчивость, долговременная стабильность, стабильность к внешним неблагоприятным факторам при функционировании и т.д. зависят от физических принципов работы приборов, применяемых материалов при производстве ИМС и параметров технологических процессов при их изготовлении. На развитие микропроцессорной техники решающее значение оказывает технология производства интегральных схем. Полупроводниковые интегральные микросхемы подразделяются на биполярные ИМС и МОП схемы, причем первые - более быстродействующие, а вторые имеют большую степень интеграции, меньшую потребляемую мощность и меньшую стоимость. Цифровые микросхемы могут по идеологии, конструкторскому решению, технологии относится к разным семействам, но выполнять одинаковую функцию, т.е. быть инвертором, триггером или процессором. Наиболее популярными семействами можно назвать у биполярных ИМС: ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), ТТЛШ (с диодами Шоттки), ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика); у МДП: n-МОП и КМОП. Базовым материалом для изготовления ИМС является кремний. Несмотря на то, что он не обладает высокой подвижностью носителей заряда (mn=1500 см2/Вс), а значит, приборы на его основе теоретически будут уступать по быстродействию приборам на основе арсенида галлия GaAs, однако система Si- SiO2 существенно более технологична. С другой стороны, приборы на 52 кремниевой основе кремний-оксид кремния) обладают совершенной границей раздела Si-SiO2, химической стойкостью, электрической прочностью и другими уникальными свойствами. Технологический цикл производства ИМС включает: -эпитаксиальное наращивание слоя на подготовленную подложку; -наращивание слоя SiO2 на эпитаксиальный слой; -нанесение фоторезиста, маскирование и вытравливание окон в слое; -легирование примесью путем диффузии или имплантацией; -аналогично повторение операций для подготовки других легированных областей; -повторение операций для создания окон под контактные площадки; -металлизацию всей поверхности алюминием или поликремнием; -повторение операций для создания межсоединений; -удаление излишков алюминия или поликремния; - контроль функционирования; - помещение в корпус; - выходной контроль. Наиболее критичным для увеличения степени интеграции является процесс литографии, т.е. процесс переноса геометрического рисунка шаблона на поверхность кремниевой пластины. С помощью этого рисунка формируют такие элементы схемы, как электроды затвора, контактные окна, металлические межкомпонентные соединения и т.п. На первой стадии изготовления ИМС после завершения испытаний схемы или моделирования с помощью ЭВМ формируют геометрический рисунок топологии схемы. С помощью электронно-лучевого устройства или засветки другим способом топологический рисунок схемы последовательно, уровень за уровнем можно переносить непосредственно на поверхность кремниевой пластины, но чаще на фоточувствительные стеклянные пластины, называемые фотошаблонами. Между переносом топологического рисунка с двух шаблонов могут быть проведены операции ионной имплантации, загонки, окисления и металлизации. После экспонирования пластины помещают в раствор, который проявляет изображение в фоточувствительном материале - фоторезисте. Увеличивая частоту колебаний световой волны, можно уменьшить ширину линии рисунка, т. е. сократить размеры интегральных схем. Но возможности этой технологии ограничены, поскольку рентгеновские лучи трудно сфокусировать. Один из вариантов - использовать сам свет в качестве шаблона (так называемое позиционирование атомов фокусированным лазерным лучом). Этим способом, осветив двумя взаимно перпендикулярными лазерными пучками, можно изготовить решетку на кремниевой пластине из хромированных точек размером 80 нм. Сканируя лазером поверхность для создания произвольного рисунка интегральных наносхем, теоретически можно создавать схемы с шириной линии рисунка в 10 раз меньшей, чем сегодняшние. Второе ограничение при литографии накладывает органическая природа 53 фоторезиста. Путь ее решения - применение неорганических материалов, например, оксидов ванадия. Физические процессы, протекающие в изделиях микроэлектроники (и в микросхемах памяти тоже), технология изготовления и конструктивные особенности ИМС высокой степени интеграции могут влиять на архитектуру и методы проектирования ЭВМ и систем. Естественно, уменьшение геометрических размеров транзисторов приводит к увеличению электрических полей, особенно в районе стока. Это может привести к развитию лавинного пробоя и, как следствие, к изменению выходной ВАХ МОП транзистора: -включению паразитного биполярного транзистора (исток-подложка-сток); -неравномерному заряжению диэлектрика у стока; -деградации приповерхностной области полупроводника; -пробою диэлектрика. Поэтому необходимо уменьшение напряжения питания СБИС до 3.6, 3.3, 3 В и т.п., при этом известно, что блок питания компьютера обеспечивает обычно напряжения +5В, +12В, -12В. Однако инжекция и заряжение диэлектрика не всегда процесс отрицательный или паразитный. Уменьшение напряжения записи информационного заряда в репрограммируемых ЗУ ниже 12 В позволяет их программировать внутри микропроцессорной системы, а не специальным устройством (программатором). Тогда для разработчика открываются большие возможности для программирования не только адреса микросхем контроллера или адаптера в пространстве устройств ввода/вывода или номера прерывания, но и творить необходимое устройство самому (если иметь такую ИМС). Однако отметим, что кроме "хозяина" это может сделать и компьютерный вирус, который будет, естественно, разрушать, а не созидать что-либо. 2.1.Основные характеристики полупроводниковой памяти Полупроводниковая память имеет большое число характеристик и параметров, которые необходимо учитывать при проектировании систем: 1. Емкость памяти определяется числом бит хранимой информации. Емкость кристалла обычно выражается также в битах и составляет 1024 бита, 4 Кбит, 16 Кбит, 64 Кбит и т.п. Важной характеристикой кристалла является информационная организация кристалла памяти MxN, где M - число слов, N - разрядность слова. Например, кристалл емкостью 16 Кбит может иметь различную организацию: 16 Кx1, 4 Кx2 Кx8. При одинаковом времени обращения память с большей шириной выборки обладает большей информационной емкостью. 2. Временные характеристики памяти. Время доступа - временной интервал, определяемый от момента, когда центральный процессор выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных. 54 Время восстановления - это время, необходимое для приведения памяти в исходное состояние после того, как ЦП снял с ША - адрес, с ШУ - сигнал "чтение" или "запись" и с ШД - данные. 3. Удельная стоимость запоминающего устройства определяется отношением его стоимости к информационной емкости, т.е. определяется стоимостью бита хранимой информации. 4. Потребляемая энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов работы кристалла: режима пассивного хранения информации и активного режима, когда операции записи и считывания выполняются с номинальным быстродействием. Кристаллы динамической МОП-памяти в резервном режиме потребляют примерно в десять раз меньше энергии, чем в активном режиме. Наибольшее потребление энергии, не зависящее от режима работы, характерно для кристаллов биполярной памяти. 5. Плотность упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии. Наибольшая плотность упаковки достигнута в кристаллах динамической МОП- памяти. 6. Допустимая температура окружающей среды обычно указывается отдельно для активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с отключенным питанием. Указывается тип корпуса, если он стандартный, или чертеж корпуса с указанием всех размеров, маркировкой и нумерацией контактов, если корпус новый. Приводятся также условия эксплуатации: рабочее положение, механические воздействия, допустимая влажность и другие. 2.2.Постоянные запоминающие устройства Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) делятся на однократно программируемые (например, биполярные ПЗУ с плавкими соединениями) и многократно электрически программируемые МОП ПЗУ. Это полевой транзистор с плавающим затвором и МДОП (металл-диэлектрик-оксид полупроводник) транзистор. Обычно в качестве диэлектрика используют нитрид кремния. В ПЗУ обеспечена возможность непрерывного считывания без разрушения информации, причем запись и считывание могут быть выполнены в очень короткое время. Стирание информации (возврат структуры в исходное состояние) может осуществляться: - ультрафиолетовым излучением с энергией квантов более 5.1 эВ (ширина запрещенной зоны нитрида кремния) через кварцевое окно; - подачей на структуру импульса напряжения, противоположного по знаку записывающему. Основными факторами, влияющими на запись и хранение заряда, являются электрическое поле, температура и радиация. Количество электрических циклов "запись-стирание" обычно не менее 10 5 |