ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.06.2021
Просмотров: 1845
Скачиваний: 5
61
Тема 6. Архитектура и принципы работы ПЭВМ
План
1.
Архитектура современных ПЭВМ.
2.
Системная плата, ее назначение, основные элементы и их взаимодействие в системе.
3.
Системная магистраль.
4.
Основные стандарты системных магистралей (шин).
5.
Буферизация шин.
6.
Управление системной магистралью.
7.
Подключение дополнительных и интерфейсных схем.
8.
Адаптеры внешних устройств (платы расширения).
В настоящее время
персональные ЭВМ
выпускаются миллионными тиражами с большим
разнообразием архитектур. Однако наибольшее распространение получили компьютеры, построенные
на
базе
микропроцессоров
фирмы
Intel
либо
микропроцессоров
с
аналогичной
архитектурой,
выпускаемых другими фирмами. Поэтому вопросы, связанные с организацией современных ЭВМ,
будем рассматривать на примере именно этой архитектуры.
Микропроцессоры
фирмы
Intel
в ходе своего развития к настоящему времени прошли ряд этапов,
которые с определенным приближением можно характеризовать разрядностью
микропроцессора
.
Первым в мире
микропроцессором
был выпущенный в 1971 году 4-разрядный
микропроцессор
Intel
4004
. Следующим шагом стало появление ряда 8-разрядных
микропроцессоров
, наиболее характерным
представителем которых стал нашедший чрезвычайно широкое применение
Intel 8080
, архитектурный
аналог которого выпускался в нашей стране в составе микропроцессорного комплекта
К580
.
Разработанный
затем
16-разрядный
микропроцессор
Intel-8086
(отечественный
аналог
–
микропроцессор
К1810ВМ80
) лег в основу первых
персональных ЭВМ
. Его архитектура, получившая
обозначение
x86
, стала де факто стандартом на длительный период последующего развития этого
направления вычислительной техники.
Микропроцессор
Intel 286
представлял собой некоторый
переходный этап к архитектуре 32-разрядных
микропроцессоров
IA-32
(
Intel Architеcture-32
), которая с
определенными
модификациями
развивается,
начиная
с
выпущенного
в
1985
году
микропроцессора
Intel 386
. Появление в 2001 году
микропроцессора
Itanium
ознаменовало начало
периода 64-разрядных
микропроцессоров
.
Структура 16-разрядного микропроцессора
Персональная ЭВМ
типа
IBM PC
(рис. 6.1) включает в себя
микропроцессор
(
МП
), оперативную
память и устройства ввода-вывода (УВВ), объединенные между собой системной шиной.
Рис. 6.1.
Структура персональной ЭВМ
Микропроцессор
предназначен для выполнения собственно арифметических и логических
операций и управления взаимодействием блоков компьютера. Оперативная память хранит операнды и
программу во время ее выполнения. Устройства ввода-вывода обеспечивают обмен информацией
между ядром компьютера (
МП
и
ОП
) и средствами ввода и отображения данных. Сюда относятся
мониторы,
печатающие устройства
,
графопостроители
, жесткие и гибкие магнитные диски и так
далее.
Компьютер строится по
магистрально-модульному принципу
, при котором все блоки компьютера
связываются между собой системной шиной, предназначенной для обмена данными, адресной и
62
управляющей информацией между составными частями ЭВМ. Как правило, при такой организации в
любой момент может быть установлена связь только между двумя модулями ЭВМ. Системная шина
определяет общий порядок обмена между любыми блоками компьютера, а также максимальное
количество используемых устройств ввода-вывода. Она включает в себя шину адреса (
ША
), шину
данных (
ШД
) и
шину управления
(
ШУ
), содержащую набор линий, по которым передаются
управляющие сигналы между блоками компьютера. Специфика каждого конкретного блока
учитывается особыми
управляющими устройствами
– контроллерами, входящими в состав этих блоков,
например, работой жесткого диска управляет контроллер жесткого диска, используя информацию,
поступающую к нему от
микропроцессора
по системной магистрали.
Структура 16-разрядного
микропроцессора
I8086
представлена на рис. 6.2.
Рис. 6.2.
Структура 16-разрядного микропроцессора
В состав
микропроцессора
входят:
1.
арифметико-логическое
устройство
(
АЛУ
),
предназначенное
для
выполнения
арифметических и логических операций;
2.
внутренняя
регистровая память
, состоящая из восьми 16-разрядных регистров; четыре из
них допускают раздельное использование своих младших и старших байтов, обеспечивая тем самым
возможность обработки как 16-разрядных слов, так и байтов информации;
3.
устройство управления
, включающее в себя
o
буфер команд, который представляет собой
регистровую память
объемом 6 байт,
предназначенную для хранения выполняемой в данный момент команды (аналогично
регистру
команд
в структуре классической ЭВМ) и заполняемую очередными командами из оперативной памяти
по мере своего освобождения;
o
дешифратор кода операций, определяющий тип выполняемой команды;
o
блок
управления
операциями,
который
на
основании
расшифрованного
дешифратором
кода
операции
формирует
управляющие
сигналы,
организующие работу всех блоков
микропроцессора
;
4.
указатель команд
(
IP –
instruction pointer
), определяющий адрес выполняемой команды
в
сегменте
команд оперативной памяти;
5.
регистр флагов
(
FLAGS
), содержащий признаки результата выполненных команд и
некоторую управляющую информацию. Среди признаков результата отметим следующие:
ZF
– флаг нуля: равен 1 при получении нулевого результата,
SF
– флаг знака: устанавливается равным старшему биту результата,
CF
– флаг переноса: фиксирует факт переноса из старшего бита в арифметических операциях,
OF
– флаг переполнения: устанавливается в 1 при получении результата вне допустимого
диапазона чисел,
PF
– флаг паритета: устанавливается в 1, если младшие 8 бит результата операции содержат
четное число единиц;
к флагам управления относятся
IF
–
флаг
разрешения
прерывания:
когда
флаг
установлен
в
1,
процессор
распознает
маскируемые прерывания
, что позволяет
микропроцессору
реагировать на особые ситуации,
63
возникающие в работе внешних устройств; если значение флага равно нулю, то эти прерывания
игнорируются,
DF
– флаг направления, применяется в командах обработки последовательности байт в памяти:
если флаг равен 0, последовательность обрабатывается с элемента, имеющего наименьший адрес; если
флаг установлен в 1, последовательность обрабатывается от старшего адреса к младшему,
TF
– флаг трассировки: если значение флага равно 1, то в
микропроцессоре
после выполнения
каждой команды генерируется внутреннее прерывание, позволяющее перейти к соответствующей
подпрограмме (используется при отладке программ);
6.
блок
сегментных регистров
, состоящий из четырех 16-разрядных регистров, каждый из
которых содержит старшие разряды базового (начального) адреса
сегмента
оперативной памяти,
выделяемого программе при ее выполнении: кодового
сегмента
CS
, в котором содержится код
программы;
сегмента
данных
DS
;
сегмента
стека
SS
и дополнительного
сегмента
данных
ES
;
7.
шинный интерфейс, который содержит схемы, обеспечивающие связь внутренней
магистрали
микропроцессора
с системной шиной.
Представление данных в ЭВМ
Вся информация в ЭВМ хранится в виде наборов бит, то есть комбинаций
0
и
1
. Числа
представляются двоичными комбинациями в соответствии с числовыми форматами, принятыми для
работы в данной ЭВМ, а символьный код устанавливает соответствие букв и других символов
двоичным комбинациям.
Для чисел имеется три числовых формата:
двоичный с фиксированной точкой;
двоичный с
плавающей запятой
;
двоично-кодированный десятичный (
BCD
).
В двоичном формате с фиксированной точкой числа могут быть представлены без знака (коды)
или со знаком. Для представления чисел со знаком в современных ЭВМ в основном
применяется
дополнительный код
. Это приводит к тому, что, как показано ранее, отрицательных чисел
при заданной длине разрядной сетки можно представить на одно больше, чем положительных. Хотя
операции в ЭВМ осуществляются над двоичными числами, для записи их в языках программирования,
в документации и отображения на экране дисплея часто используют более удобное восьмеричное,
шестнадцатеричное и десятичное представление.
В двоично-кодированном десятичном формате каждая десятичная цифра представляется в виде 4
битного двоичного эквивалента. Существуют две основные разновидности этого формата: упакованный
и неупакованный. В упакованном
BCD
-формате цепочка десятичных цифр хранится в виде
последовательности 4-битных групп. Например, число
3904
представляется в виде двоичного
числа
0011 1001 0000 0100
. В неупакованном
BCD
-формате каждая десятичная цифра находится в
младшей тетраде 8-битной группы (байте), а содержимое старшей тетрады определяется используемой
в данной ЭВМ системой кодирования, и в данном случае несущественно. То же число 3904 в
неупакованном формате будет занимать 4 байта и иметь вид:
xxxx0011 xxxx1001 xxxx0000 xxxx0100 .
Числа с плавающей запятой
обрабатываются на специальном сопроцессоре (
FPU
-
floating
point
unit
), который, начиная с
МП I486
, входит в состав
БИС
микропроцессора
. Данные в нем хранятся
в 80-разрядных регистрах.
Организация оперативной памяти
ОП является основной памятью для хранения информации. Она организована как
одномерный
массив
ячеек памяти размером в 1 байт. Каждый из байтов имеет уникальный 20 битный
физический
адрес
в диапазоне от
00000
до
FFFFFh
(здесь
и далее для записи адресов используется
шестнадцатеричная система счисления, признаком которой является символ
h
в конце кода). Таким
образом, размер адресного пространства ОП составляет
2
20
= 1Мбайт
. Любые два смежных байта в
памяти могут рассматриваться как 16-битовое слово. Младший байт слова имеет меньший адрес, а
старший - больший. Так шестнадцатеричное число
1F8Ah
, занимающее слово, в памяти будет
расположено в последовательности
8Ah
,
1Fh
. Адресом слова считается адрес его младшего байта.
Поэтому 20 битовый адрес памяти может рассматриваться и как адрес байта, и как адрес слова.
Команды, байты и слова данных можно размещать по любому адресу, что позволяет экономить
память вследствие ее более полного заполнения. Однако для экономии времени выполнения программ
целесообразно размещать слова данных в памяти, начиная с четного адреса, так
64
как
микропроцессор
передает такие слова за один
цикл работы
шины. Слово с четным адресом
называется выровненным по границе слов. Невыровненные слова данных с нечетным адресом
допустимы, но для их передачи требуется два цикла шины, что снижает производительность ЭВМ.
Заметим, что необходимое количество циклов считывания слова данных инициируется
микропроцессор
автоматически. Следует иметь в виду, что при операциях со стеком слова данных должны быть
выровнены, а
указатель стека
инициирован на четный адрес, так как в таких операциях участвуют
только слова данных.
Поток команд разделяется на байты при заполнении очереди команд внутри
микропроцессора
.
Поэтому выравнивание команд практически не влияет на производительность и не используется.
Адресное пространство ОП делится на
сегменты
.
Сегмент
состоит из смежных ячеек ОП и
является независимой и отдельно адресуемой единицей памяти, которая в базовой
архитектуре
персональной ЭВМ
имеет фиксированную емкость
2
16
= 64К
байт. Каждому
сегменту
назначается начальный (базовый) адрес, являющийся адресом первого байта
сегмента
в адресном поле
ОП. Значение
физического адреса
ячейки складывается из адреса
сегмента
и смещения ячейки памяти
относительно
начала
сегмента
(внутрисегментное
смещение).
Для
хранения
значений
адреса
сегмента
и смещения используются 16-битовые слова.
Чтобы получить 20-битовый
физический адрес
,
микропроцессор
автоматически осуществляет
следующие операции. Значение базового адреса
сегмента
умножается на 16 (сдвиг на 4 разряда влево)
и суммируется со значением смещения в
сегменте
(рис. 14.3). В результате получается 20-битовое
значение
физического адреса
. При суммировании может возникнуть перенос из старшего бита, который
игнорируется. Это приводит к тому, что ОП оказывается как бы организованной по кольцевому
принципу. За ячейкой с максимальным адресом
FFFFFh
следует ячейка с адресом
00000h
.
Рис. 6.3.
Схема получения физического адреса
Сегменты
физически не привязаны к конкретному адресу ОП, и каждая ячейка памяти может
принадлежать одновременно нескольким
сегментам
, так как базовый адрес
сегмента
может
определяться любым 16-битовым значением.
Сегменты
могут быть смежными, неперекрывающимися,
частично или полностью перекрывающимися. Вместе с тем, в соответствии с алгоритмом
вычисления
физического адреса
, начальные адреса
сегментов
всегда кратны 16.
Системная плата
Основным аппаратным компонентом компьютера является системная плата. На системной плате
реализована магистраль обмена информацией, имеются разъемы для установки процессора и
оперативной памяти, а также слоты для установки контроллеров внешних устройств.
Системные платы исполняются на основе наборов микросхем, которые называются
чипсетами
(ChipSets). Часто на системных платах устанавливают и контроллеры дисковых накопителей,
видеоадаптер, контроллеры портов и др. В гнёзда расширения системной платы устанавливаются платы
таких периферийных устройств, как модем, сетевая плата, видеоплата и т.п.
Несмотря на огромное разнообразие вычислительной техники и ее необычайно быстрое
совершенствование, фундаментальные принципы устройства машин во многом остаются неизменными.
65
В частности, начиная с самых первых поколений, любая ЭВМ состоит из следующих основных
устройств:
процессор
,
память
(внутренняя и внешняя) и
устройства ввода и вывода
информации.
Частота процессора, системной шины и шин периферийных устройств
. Быстродействие различных
компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может
существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются
специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый
северный
мост)
и
контроллер
периферийных устройств (южный мост)
—
рис. 1.5.
южный
мост
-
контроллер
периферийных устройств: обеспечивает
обмен информацией между северным
мостом и портами для подключения
периферийного
оборудования,
т.е.
Устройства хранения информации
(жесткие диски, CD-ROM, DVD-ROM)
подключаются к южному мосту по
шине PATA — прямое подключение к
памяти).
Мышь
и
внешний
модем
подключаются к южному мосту с
помощью
последовательных портов,
которые
передают
электрические
импульсы, несущие информацию в
машинном коде, последовательно один
Для подключения принтеров, сканеров и цифровых камер обычно используется порт USB (Universal Serial
Bus — универсальная последовательная шина), который обеспечивает высокоскоростное подключение к
компьютеру сразу нескольких периферийных устройств.
Клавиатура и мышь подключаются обычно с помощью порта PS/2 обеспечивает обмен информацией между
процессором и оперативной памятью по системной шине.