Магистрали, связывающие блоки микропроцессора

Информация, представленная в цифровой форме и обрабатываемая на компьютере, называется данными.

Последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки данных, называется программой.

Обработка данных на компьютере:

a) Пользователь запускает программу, хранящуюся в долговременной памяти, она загружается в оперативную и начинает выполняться.

b) Выполнение: процессор считывает команды и выполняет их. Необходимые данные загружаются в оперативную память из долговременной памяти или вводятся с помощью устройств ввода.

c) Выходные (полученные) данные записываются процессором в оперативную или долговременную память, а также предоставляются пользователю с помощью устройств вывода информации.

Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами должна быть предусмотрена какая-то магистраль для перемещения потоков информации.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные из оперативной памяти данные могут быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут быть отправлены обратно в оперативную память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию — считывание или запись информации из памяти — нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Каждая отдельная функция компьютера реализуется одним или несколькими модулями – конструктивно и функционально законченных электронных блоков в стандартном исполнении. Организация структуры компьютера на модульной основе аналогична строительству блочного дома. Основными модулями компьютера являются память и процессор. Процессор – это устройство управляющее работой всех блоков компьютера. Действия процессора определяются командами программы, хранящейся в памяти.

Модульная организация опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистрально-модульный принцип имеет ряд достоинств:

1. для работы с внешними устройствами используются те же команды процессора, что и дл работы с памятью.

2. подключение к магистрали дополнительных устройств не требует изменений в уже существующих устройствах, процессоре, памяти.

3. меняя состав модулей можно изменять мощность и назначение компьютера в процессе его эксплуатации.

Принцип открытой архитектуры – правила построения компьютера, в соответствии с которыми каждый новый блок должен быть совместим со старым и легко устанавливаться в том же месте в компьютере.

В компьютере столь же легко можно заменить старые блоки на новые, где бы они ни располагались, в результате чего работа компьютера не только не нарушается, но и становится более производительной. Этот принцип позволяет не выбрасывать, а модернизировать ранее купленный компьютер, легко заменяя в нем устаревшие блоки на более совершенные и удобные, а так же приобретать и устанавливать новые блоки. Причем во всех разъемы для их подключения являются стандартными и не требуют никаких изменений в самой конструкции компьютера.

Связь между центральным процессором и другими частями компьютера осуществляется с помощью шин передачи информации и контроллеров, управляющих этими шинами.

Шина – совокупность линий (проводников на материнской плате), по которым обмениваются информацией компоненты и устройства РС. Шина предназначена для обмена информацией между двумя и более устройствами. Шина, связывающая только два устройства, называется портом. Обычно шина имеет места для подключения внешних устройств, которые в результате сами становятся частью шины и могут обмениваться информацией с другими подключенными к ней устройствами. В зависимости от типа передаваемых данных линии шины делятся на три группы:

- шина данных;

- шина адреса;

- шина управления.

Наличие трёх групп линий является отличительным признаком шины от других систем соединения.

Шины в РС различаются по своему функциональному назначению:

- системная шина, используемая чипсетом для пересылки информации к и от CPU;

- шина кэш-памяти, предназначенная для обмена информацией между CPU и кэш-памятью;

- шина памяти – для обмена информацией между оперативной памятью и CPU;

- шины ввода-вывода подразделяются на стандартные и локальные.

Локальная – это скоростная шина для обмена информацией между быстродействующими периферийными устройствами (видеокартами, сетевыми картами, картами сканеров и др.) и системной шиной под управлением чипсета. В настоящее время в качестве таких шин используются PCI и AGP, ранее применялись шины ISA и VLB.

Стандартная – используется для подключения к вышеперечисленным шинам более медленных устройстрв. В настоящее время в качестве таких шин применяются шины LPC, USB.

Кроме того, современные компьютеры могут оборудоваться шинами SCSI и FireWire, которые устанавливаются в слоты расширения или интегрированы в материнскую плату. Их работу обеспечивает соответствующий контроллер.

В состав всех шин входит контроллер шины, который осуществляет управление процессом обмена данными и служебными сигналами. Он может выполняться в виде отдельной м/с или интегрироваться в микросхемы чипсета.

Шина данных. Осуществляет обмен данными между ЦП, ОП и картами расширения, установленными в слоты. Особую роль при этом играет режим DMA (Direct Memory Access). Обмен данными в этом режиме осуществляется DMA-контроллером, минуя процессор. В настоящее время DMA-контроллер интегрируется в одну из микросхем чипсета. Семейство Pentium имеет 64-разрядную шину данных.

Шина адреса. Процесс обмена данными возможен лишь в том случае, когда известен отправитель и получатель этих данных. Каждый компонент РС, каждый регистр ввода/вывода и ячейка ОП имеют свой адрес и входят в общее адресное пространство РС. Для адресации к какому-либо устройству и служит шина адреса, по которой передаётся уникальный идентификационный код – адрес. Для ускорения обмена данными используется устройство промежуточного хранения данных – ОП. Объём ОП зависит от разрядности адресной шины (N=2ⁿ, где n – число линий адресной шины). Современные Pentium имеют 32-разрядную адресную шину, с помощью которой можно адресовать 4 Гбайта памяти.

Шина управления. Для успешной передачи данных не достаточно установить их на шине данных и задать адрес на шина адреса. Для того, чтобы данные были записаны (считаны) в регистры устройств, подключенных к шине, необходим ряд служебных сигналов: записи/считывания, готовности к приёму/передаче данных, подтверждения приёма данных, аппаратного прерывания, управления и инициализации контроллера ПДП и др. все эти сигналы передаются по шине управления.

Кроме разрядности, шины характеризуются пропускной способностью. Она определяется количеством бит информации, передаваемых по шине за секунду. Для определения пропускной способности шины нужно умножить её тактовую частоту на разрядность и разделить на 8 (чтобы получить ответ в байтах). В таблице представлены характеристики некоторых шин ввода/вывода.

Тема 1.4