АСВТ


6.1 Контрольные вопросы для зачёта по дисциплине:

История развития вычислительной техники, поколения ЭВМ.
Системы счисления, перевод чисел из одной системы счисления в другую.
Представление информации в ЭВМ, методы кодирования информации.
Структура ЭВМ и назначение ее элементов.
Общая структура центрального процессора.
Назначение и основные элементы центрального процессора.
Организация и структура памяти.
Элементы памяти, их назначение, возможности и принцип работы.
Структура памяти ПЭВМ.
Системы прерываний.
Назначение, принцип работы и организация системы прерывания ЭВМ.
Системы ввода-вывода.
Назначения и возможности интерфейсов, основные интерфейсы ЭВМ.
Назначение, состав и технические характеристики периферийного оборудования ЭВМ.
Периферийное оборудование ПЭВМ.
Средства ввода информации в ЭВМ.
Клавиатура и графический манипулятор, назначение возможности и принцип работы.
Средства отображения информации.
Видеомонитор, назначение, принцип работы и его технические характеристики.
НЖМД, назначение, принцип работы и его технические характеристики.
Принтер, назначение, принцип работы и его технические характеристики.
Устройство ввода информации CD-ROM, назначение, принцип работы и его технические характеристики.
Обобщенная структура МП.
Основные промышленные линии микропроцессоров.
Перспективные МП ПЭВМ.
Микропроцессорные комплекты.
Универсальные и специальные ЭВМ высокой производительности.
Архитектура специализированных вычислительных комплексов.
Архитектура ориентирования на ПО, машины баз данных, объектно-ориентированная архитектура.















Лекция 1. История развития вычислительной техники, поколения ЭВМ. Системы счисления, перевод чисел из одной системы счисления в другую. Представление информации в ЭВМ. Методы кодирования информации
Краткая история развития ВТ

Первая из действующих ВМ была разработана Блезем Паскалем в 1642 году. Числа в счётной машине Паскаля изображались с помощью счётных колес, которые представляли собой шестерёнку с 10 зубцами, равномерно расположенными по окружности. В дальнейшем на протяжении трёх столетий разрабатывались различные варианты счётных мех. машин. при этом необходимо отметить вклад отечественных учёных в этот процесс. Первая отечественная счётная машина была изготовлена часовым мастером Якобсоном около 1770г. Большой вклад в развитие счётной техники внёс известный русский математик академик П.Л. Чебышев. Среди многочисленных изобретённых им механизмов имеется арифмометр, сконструированный в 1878 г, который в то время был одной из самых оригинальных ВМ. Не менее интересным и важным изобретением русских учёных явился интегратор для решения дифференциальных уравнений. Он был изобретён и построен в 1912 г. великим русским математиком и инженером А.Н. Крыловым. Это была первая интегральная машина непрерывного действия, позволяющая решать дифференциальные уравнения до 4-го порядка. В 1913 г. русским учёным М.А. Бонч-Бруевичем была сконструирована эл. упр. схема с 2-мя установочными составляющими, названная триггером.
В 20 веке развитие ВТ было непосредственно связано с решением проблем защиты информации (вернее снятие этой защиты). В 30-е годы 20 века в Германии была создана механическая шифровальная машина «Энигма», которая по определённой схеме каждой букве секретного сообщения ставила в соответствие другую букву. Зашифрованное сообщение передавалось по радио. В связи с этим в 1939 году в Великобритании начались работы по разработке дешифровальной машины. Сначала было запущено несколько эл. мех. компьютеров, но они оказались медлительными. Тогда Тьюрингом был разработан первый в мире компьютер на вакуумных лампах – «Колосс». Он мог разгадать любой секретный код в течении нескольких минут.
Первый отечественный проект ЭВМ был выдвинут С.А. Лебедевым ещё до начала Великой Отечественной войны, которая помешала его реализации. Этот проект был продолжен после войны, в результате чего в 1952 была разработана вычислительная машина БЭСМ – 1, которая была самой производительной в Европе (10 тысяч операций / сек).
В США в 1942 были выделены средства на создание эл. компьютера, однако работы шли крайне медленно. И только после тайного прибытия Тьюринга из Англии в США была запущена в 1946 году машина «ЭНИАК». Эта машина была длиной более 30 метров, содержала примерно 18 тысяч электронных ламп и 1,5 тысячи реле. Она потребляла мощность 150 киловатт, достаточную для освещения целого рабочего посёлка. «ЭНИАК» принято считать ЭВМ первого поколения.
В это же время знаменитый математик Джон фон Нейман предложил новый тип машины, действующей под управлением хранящейся в ней программы. Такой подход позволял преодолеть важнейший недостаток «ЭНИАКА» – затраты времени на набор и подготовку программы на коммутационной доске.
Базовая структура машины Джона фон Неймана









Устройство управления вместе с операционным устройством образует «центральное операционное устройство» (ЦОУ), которое предназначено для извлечения из памяти команд рабочей программы, при помощи УУ, их декодирования и интеритации при помощи ОУ. При этом выполняются арифметические и логические операции, предусмотренные командами рабочей программы. Тактовый генератор обеспечивает синхронность выполнения всех операций, реализованных отдельными устройствами системы. В памяти хранится набор элементарных команд, который образует программу, управляющую функциями системы. Кроме того машина способна прерывать выполнение программы и вводить в неё изменения в зависимости от промежуточных результатов. Устройства ВВ / выв. предназначены для преобразования информации, поступающей в машину извне, передачи её в ЦОУ и выдачи результатов работы машины.
1949 год – изобретение транзистора дало новый толчок к развитию ВТ. Использование транзистора позволило снизить размеры и потребление энергии, повысить надёжность и быстродействие аппарата ЭВМ до 10 и 100 тысяч операций в секунду.
Машины: Стретч (США), Атлас (Англия), НАИРИ, Минск (СССР).
1960 год – изобретение интегральной микросхемы. Интегральная микросхема – это кремниевая монокристаллическая пластинка размером несколько кв. мм, на которой с помощью специальной технологии формируют транзисторы, диоды, конденсаторы и проводящие межсоединения, образующие законченные схемные функциональные структуры. Использование микросхем позволило снизить габариты потребляемой энергии, резко повысит надежность и быстродействие до 100 тысяч и 1000000 операций / сек.
Машины: IBM с системой UNIVAC 90 / 30 (США), EC ЭВМ (СССР).
1971 год. Фирма INTEL разработала первый микропроцессор INTEL 4004. С этого момента ВТ стала развиваться быстрыми темпами. Каждые 2-3 года стали появляться новые микропроцессоры фирм INTEL, MOTOROLA, AMI, а также их отечественные аналоги. Если первый INTEL 4004 работал на частоте 750 кГц, содержал 2300 транзисторов и стоил
· $ 200, производительность его оценивалась в 60 тыс. операций в секунду, то например современный микропроцессор Alpha 21264 фирмы DEC составляет: 600 МГц, 15.2 млн. транзисторов, 2 млрд. операций в секунлу, стоит около $ 300. В связи с этим представитель Совета директоров фирмы INTEL Гордон Мур отметил, что: «Если бы автомобилестроение эволюционировало со скоростью полупр. промышленности, то сегодня «Ролс-Ройс» стоил бы $ 3, мог бы проехать 1,5 млн. миль на одном галлоне бензина и было бы дешевле его выбросить, чем платить за парковку».

ПОКОЛЕНИЯ ЭВМ
Ранее отмечалось, что ближайшими прототипами современной ЭВМ можно считать машины "ЭДВАК" и "ЭДСАК", построенные в Англии и США в 1949-1950 годах. С начала 50-х годов началось массовое производство ЭВМ различных типов, которые сейчас принято относить к ЭВМ первого поколения. Следует иметь в виду, что поколения ЭВМ не имеют четких временных границ. Элементы каждого нового поколения ЭВМ разрабатывались и опробовались на ЭВМ предыдущего поколения.
Первое поколение (1955-1960 гг.)
ЭВМ этого поколения строилось на дискретных элементах и вакуумных лампах, имели большие габариты, вес, мощность, обладая при этом малой надежностью. Они использовались в основном для решения научно-технических задач атомной промышленности, реактивной авиации и ракетостроения.
Увеличению количества решаемых задач препятствовали низкая надежность и производительность, а также чрезвычайно трудоемкий процесс подготовки, ввода и отладки программы, написанной на языке машинных команд, т.е. в форме двоичных кодов.
Машины этого поколения имели быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду и ОП порядка 1К (1024 слова). В этот же период появились первые простые языки для автоматизированного программирования.
Второе поколение (1960-1965 гг.)
В качестве элементной базы использовались дискретные полупроводниковые приборы и миниатюрные дискретные детали, а в качестве технологической - печатный монтаж. По сравнению с предыдущим поколением резко уменьшились габариты и энергозатраты, возросла надежность. Возросли также быстродействие (приблизительно 500 тысяч оп/сек) и объем оперативной памяти (16-32К слов). Это сразу расширило круг пользователей, а, следовательно, и решаемых задач. Появились языки высокого уровня (Фортран, Алгол, Кобол) и соответствующие им трансляторы. Были разработаны служебные программы для автоматизации профилактики и контроля работы ЭВМ, а также для лучшего распределения ресурсов при решении пользовательских задач. (Задача экономии времени и ОП осталась, как и в первом поколении).
Все эти вышеперечисленные служебные программы оформились в ОС, которая первоначально просто автоматизировала работу оператора: ввод текста программы, вызов нужного транслятора, вызов необходимых библиотечных программ, размещение программ в основной памяти и т.д. Теперь вместе с программами и исходными данными вводилась целая инструкция о последовательности обработки программы.
Совершенствование аппаратного обеспечения, построенного на полупроводниковой базе, привело к тому, что появилась возможность строить в ЭВМ помимо центрального (основного) процессора еще ряд вспомогательных процессоров. Эти процессоры управляли всей периферией, в частности устройствами ввода/вывода, избавляли от вспомогательной работы центральный процессор. Одновременно совершенствовались и ОС. Это позволило на ЭВМ второго поколения реализовать режим пакетной обработки программ, а также режим разделенного времени, необходимый для параллельного решения нескольких задач управления производством. На машинах второго поколения были впервые опробованы ОП на ферритовых кольцах (так называемые кубы памяти). Все это позволило поднять производство ЭВМ и привлечь к ней массу новых пользователей.
Третье поколение (1965-1970 гг.)
В качестве элементной базы использовались интегральные схемы малой интеграции с десятками активных элементов на кристалл, а также гибридные микросхемы из дискретных элементов. Это позволило сократить габариты и мощность, повысить быстродействие, снизить стоимость универсальных (больших) ЭВМ. Но самое главное - появилась возможность создания малогабаритных, надежных, дешевых машин - мини-ЭВМ. Мини-ЭВМ первоначально предназначались для замены аппаратно-реализуемых контроллеров в контурах управления (в том числе ЭВМ), различных объектов и процессов. Появление мини-ЭВМ позволило сократить сроки разработки контроллеров, поскольку вместо разработки оригинальных сложных логических схем требовалось купить мини-ЭВМ и запрограммировать ее надлежащим образом. Универсальное устройство обладало избыточностью, однако, малая цена и универсальность периферии оказались очень большим плюсом, обеспечившим высокую экономическую эффективность.
Но вскоре потребители обнаружили, что после небольшой доработки можно решать и вычислительные задачи. Простота обслуживания новых машин и их низкая стоимость позволили снабдить подобными вычислительными машинами небольшие коллективы исследователей, разработчиков, учебных заведений и т.д. В начале 70-х гг. с термином мини-ЭВМ уже связывали два существенно различных типа вычислительной техники:
контроллер - универсальный блок обработки данных и выдачи управляющих сигналов, серийно выпускаемый для использования в различных специализированных системах контроля и управления;
небольших габаритов универсальная ЭВМ, проблемно-ориентированная пользователем на ограниченный круг задач в рамках одной лаборатории, технологического участка и т.д.
Четвертое поколение (с 1970 г.)
Успехи микроэлектроники позволили создать БИС и СБИС, содержащие десятки тысяч активных элементов. Это позволило разработать более дешевые ЭВМ с большой ОП. Стоимость одного байта памяти и одной машинной операции резко снизилась. Но затраты на программирование почти не сократились. Поэтому на первый план вышла задача экономии человеческих, а не машинных ресурсов.
Для этого разрабатывались новые ОС, позволяющие пользователю вести диалог с ЭВМ. Это облегчало работу пользователя и ускоряло разработку программ. Это потребовало, в свою очередь, организовать одновременный доступ к ЭВМ целого ряда пользователей, работающих с терминалов.
Совершенствование БИС и СБИС привело в начале 70-х гг. к появлению новых типов микросхем – микропроцессоров (в 1968 г. фирма Intel по заказу Дейта-Дженерал разработала и изготовила первые БИС микропроцессоров, которые первоначально предполагалось использовать как составные части больших процессоров).
Первоначально под микропроцессором понималась БИС, в которой полностью размещен процессор простой архитектуры, т.е. АЛУ и УУ. В результате были созданы дешевые микрокалькуляторы и микроконтроллеры - управляющие - устройства, построенные на одной или нескольких БИС, содержащие процессор, память и устройства сопряжения с датчиками и исполнительными механизмами. С совершенствованием их технологического производства и, следовательно, падением цен микрокалькуляторы начали внедряться даже в бытовые приборы и автомашины.
В 70-е же годы появились первые микро-ЭВМ - универсальные вычислительные системы, состоящие из процессора, памяти, схем сопряжения с устройствами ввода/вывода и тактового генератора, размещенные в одной БИС (однокристальная ЭВМ) или в нескольких БИС, установленных на одной печатной плате (одноплатные ЭВМ).
Совершенствование технологии позволило изготовить СБИС, содержащие сотни тысяч активных элементов, и сделать их достаточно дешевыми. Это привело к созданию небольшого настольного прибора, в котором размещалась микро-ЭВМ, клавиатура, экран, магнитный накопитель (кассетный или дисковый), а также схема сопряжения с малогабаритным печатающим устройством, измерительной аппаратурой, другими ЭВМ и т.д. Этот прибор получил название персональный компьютер.
В 1976г. была зарегистрирована компания Apple Comp (Стив Джекоб и Стефан Возняк), которая и начала выпуск первых в мире персональных компьютеров "Макинтош".
Благодаря ОС, обеспечивающей простоту общения с этой ЭВМ больших библиотечных прикладных программ, а также низкой стоимости, персональный компьютер начал стремительно внедрятся в различные сферы человеческой деятельности во всем мире. Об областях и целях его использования можно прочитать в многочисленных литературных источниках. По данным на 1985 год общий объем мирового производства уже составил 200(106 микропроцессоров и 10(106 персональных компьютеров в год.
Что касается больших ЭВМ этого поколения, то происходит дальнейшее упрощение контакта человек-машина. Использование в больших ЭВМ микропроцессоров и СБИС позволило резко увеличить объем памяти и реализовать некоторые функции программ ОС аппаратными методами.
Например, аппаратная реализация транслятора с языка высокого уровня и т.п. Это сильно увеличило производительность ЭВМ, хотя несколько возросла и цена.
Характерным для крупных ЭВМ 4-го поколения является наличие нескольких процессоров, ориентированных на выполнение определенных операций, процедур или решение определенных классов задач. В рамках этого поколения создаются многопроцессорные вычислительные системы с быстродействием в несколько десятков или сотен миллионов оп/сек и многопроцессорные управляющие комплексы повышенной надежности с автоматическим изменением структуры.
Примером вычислительной системы 4-го поколения является многопроцессорный комплекс "Эльбрус-2" с суммарным быстродействием 100(106 оп/сек или вычислительная система ПС-2000, содержащая до 64 процессоров, управляемых общим потоком команд. При распараллеливании вычислительного процесса суммарная скорость достигает 200(106 оп/сек. Следует иметь в виду, что подобные супер-ЭВМ развивают максимальную производительность только при решении определенных типов задач (под которые они и строились). Это задачи сплошных сред, связанные с аэродинамическими расчетами, прогнозами погоды, силовыми энергетическими полями и т.д. Производство супер-ЭВМ во всем мире составляет в настоящее время десятки штук в год и строятся они, как правило, «под заказ».
Пятое поколение
Характерной особенностью пятого поколения ЭВМ является то, что основные концепции этого поколения были заранее формулированы в явном виде. Задача разработки принципиально новых компьютеров впервые поставлена в 1979 году японскими специалистами, объединившими свои усилия под эгидой научно-исследовательского центра по обработке информации - JIPDEC. В 1981 г. JIPDEC опубликовал предварительный отчет, содержащий детальный многостадийный план развертывания научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с целью создания к 1991 г. прототипа ЭВМ нового поколения.
Указанная программа произвела довольно сильное впечатление сначала в Великобритании, а затем и в США. Под эгидой JIPDEC прошли ряд международных конференций, в частности - "Международная конференция по компьютерным системам пятого поколения" (1981 г.), на которых полностью оформился "образ компьютера пятого поколения". Были разработаны концепции создания не только поколения ЭВМ в целом, но и вопросы архитектуры основных типов ЭВМ этого поколения, структуры программных средств и языков программирования, разработки наиболее перспективной элементной базы и способов хранения информации.
Следует отметить, однако, что оптимистические прогнозы японских специалистов не сбылись. До сих пор не создан компьютер в полной мере удовлетворяющий требованиям, предъявляемым к компьютерам пятого поколения.
Прежде чем перейти к изучению дальнейшего материала, следует сделать некоторые замечания. Дело в том, что, несмотря на общие принципы функционирования всех ЦВМ, их конкретные реализации существенно различаются. Особенно это касается супер-ЭВМ, решающих весьма специфические задачи. Да и обычные серийные большие ЭВМ общего назначения работают, как правило, в составе вычислительных центров и доступ к ним возможен только через терминалы. Кроме того, их архитектура, аппаратное и программное обеспечение достаточно сложны для первоначального изучения. Поэтому в дальнейшем основное внимание в курсе будет уделено ЭВМ, построенным на базе микропроцессоров, т.е. персональным компьютерам. Это имеет смысл еще и потому, что ЭВМ, построенные на базе микропроцессорных комплектов, представляют наибольший интерес для современного инженера, поскольку непосредственно участвуют в работе систем автоматизации производственных процессов, обрабатывают данные научных экспериментов, принимают и обрабатывают потоки информации в каналах связи, решают небольшие расчетные инженерные задачи и т.д. В ряде случаев для решения конкретных задач пользователь сам на базе микропроцессорных комплектов создает специализированные контроллеры и ЭВМ.

Представление информации в ЭВМ
Информация - это сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессах, воспринимаемые человеком или специализированным устройством, например ЭВМ, для обеспечения целенаправленной деятельности.
Информация может быть по своей физической природе: числовой, текстовой, графической, звуковой, видео и др. Она также может быть постоянной (неменяющейся), переменной, случайной, вероятностной. Наибольший интерес представляет переменная информация, так как она позволяет выявлять причинно-следственные связи в процессах и явлениях. Существуют различные способы оценки количества информации. Классическим является подход, использующий формулу К. Шеннона. Применительно к двоичной системе она имеет вид:
H=log2N,
где H - количество информации, несущей представление о состоянии, в котором находится объект; N - количество равновероятных альтернативных состояний объекта.
Любая информация, обрабатываемая в ЭВМ, должна быть представлена двоичными цифрами {0,1}, т.е. должна быть закодирована комбинацией этих цифр. Различные виды информации (числа, тексты, графика, звук) имеют свой правила кодирования. Коды отдельных значений, относящиеся к различным! видам информации, могут совпадать. Поэтому расшифровка кодированных! данных осуществляется по контексту при выполнении команд программы.
2.2.2. Представление других видов информации
Различные виды информации могут быть разделены на две группы: статические и динамические. Так, числовая, логическая и символьная информация является статической - ее значение не связано со временем. В отличие от перечисленных типов вся аудиоинформация имеет динамический характер. Она существует только в режиме реального времени, ее нельзя остановить для более подробного изучения. Если изменить масштаб времени (увеличить или уменьшить), аудиоинформация искажается. Это свойство иногда используется для получения звуковых эффектов.
Видеоинформация может быть как статической, так и динамической. Статическая видеоинформация включает текст, рисунки, графики, чертежи, таблицы и др. Рисунки делятся также на плоские - двухмерные и объемные - трехмерные.
Динамическая видеоинформация - это видео-, мульт- и слайд- фильмы. В их основе лежит последовательное экспонирование на экране в реальном масштабе времени отдельных кадров в соответствии со сценарием.
Динамическая видеоинформация используется либо для передачи движущихся изображений (анимация), либо для последовательной демонстрации отдельных кадров вывода (слайд-фильмы).
Для демонстрации анимационных и слайд-фильмов используются различные принципы. Анимационные фильмы демонстрируются так, чтобы зрительный аппарат человека не мог зафиксировать отдельных кадров. В современных высококачественных мониторах и в телевизорах с цифровым управлением электронно-лучевой трубкой кадры сменяются до 70 раз в секунду, что позволяет высококачественно передавать движение объектов.
При демонстрации слайд-фильмов каждый кадр экспонируется на экране столько времени, сколько необходимо для восприятия его человеком (обычно от 30 с до 1 мин). Слайд-фильмы можно отнести к статической видеоинформации.
По способу формирования видеоизображения бывают растровые, матричные и векторные.
Растровые видеоизображения используются в телевидении, а в ЭВМ практически не применяются.
Матричные изображения получили в ЭВМ наиболее широкое распространение. Изображение на экране рисуется электронным лучом точками.
Информация представляется в виде характеристик значений каждой точки - пиксела (picture element), рассматриваемого как наименьшей структурной единицей изображения. Количество высвечиваемых одновременно пикселов на экране дисплея определяется его разрешающей способностью. В качестве характеристик графической информации выступают: координаты точки (пиксела) на экране, цвет пиксела, цвет фона (градация яркости). Вся эта информация хранится в видеопамяти дисплея. При выводе графической информации на печать изображение также воспроизводится по точкам.
Изображение может быть и в векторной форме. Тогда оно составляется из отрезков линий ( в простейшем случае - прямых), для которых задаются:
начальные координаты, угол наклона и длина отрезка (может указываться и код используемой линии). Векторный способ имеет ряд преимуществ перед матричным: изображение легко масштабируется с сохранением формы, является
·прозрачным
· может быть наложено на любой фон и т.д.
Способы представления информации в ЭВМ, кодирование и преобразование кодов в значительной степени зависят от принципа действия устройств, в которых эта информация формируется, накапливается, обрабатывается и отображается.
Для кодирования символьной или текстовой информации применяются различные системы: при вводе информации с клавиатуры кодирование происходит при нажатии клавиши, на которой изображен требуемый символ, при этом в клавиатуре вырабатывается так называемый scan-код, представляющий собой двоичное число, равное порядковому номеру клавиши.
Номер нажатой клавиши никак не связан с формой символа, нанесенного на клавише. Опознание символа и присвоение ему внутреннего кода ЭВМ производятся специальной программой по специальным таблицам: ДКОИ, КОИ-7, ASCII (Американский стандартный код передачи информации).
Всего с помощью таблицы кодирования ASCII (табл. 2.1) можно закодировать 256 различных символов. Эта таблица разделена на две части: основную (с кодами от OOh до 7Fh) и дополнительную (от 80h до FFh, где буква h обозначает принадлежность кода к шестнадцатеричной системе счисления).
Таблица 2.1
Таблица кодирования текстовой информации ASCII
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Первая половина таблицы стандартизована. Она содержит управляющие коды (от 00h до 20h и 77h). Эти коды из таблицы изъяты, так как они не относятся к текстовым элементам. Здесь же размещаются знаки пунктуации и математические знаки: 2 lh - !, 26h - &, 28h - (, 2Bh -+,..., большие и малые латинские буквы: 41h - A, 61h - а,...
Вторая половина таблицы содержит национальные шрифты, символы псевдографики, из которых могут быть построены таблицы, специальные математические знаки. Нижнюю часть таблицы кодировок можно заменять, используя соответствующие драйверы - управляющие вспомогательные программы. Этот прием позволяет применять несколько шрифтов и их гарнитур.
Дисплей по каждому коду символа должен вывести на экран изображение символа - не просто цифровой код, а соответствующую ему картинку, так как каждый символ имеет свою форму.
Описание формы каждого символа хранится в специальной памяти дисплея - знакогенераторе.
Высвечивание символа на экране дисплея IBМ PC осуществляется с помощью точек, образующих символьную матрицу.
Каждый пиксел в такой матрице является элементом изображения и может быть ярким или темным. Темная точка кодируется цифрой 0, светлая (яркая)- 1.
Если изображать в матричном поле знака темные пикселы точкой, а светлые - звездочкой, то можно графически изобразить форму символа.
Кодирование аудиоинформации - процесс более сложный. Аудиоинформация является аналоговой. Для преобразования ее в цифровую форму используют аппаратурные средства: аналого-цифровые преобразователи (АЦП), в результате работы которых аналоговый сигнал оцифровывается
· представляете ся в виде числовой последовательности. Для вывода оцифрованного звука на аудиоустройства необходимо проводить обратное преобразование, которое осуществляется с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).
2.1. Системы счисления
Системой счисления называется способ изображения чисел с помощью ограниченного набора символов, имеющих определенные количественные значения. Систему счисления образует совокупность правил и приемов представления чисел с помощью набора знаков (цифр).
Различают позиционные и непозиционные системы счисления. В позиционных системах каждая цифра числа имеет определенный вес, зависящий от позиции цифры в последовательности, изображающей число. Позиция цифры называется разрядом. В позиционной системе счисления любое число можно представить в виде:
An=am-1am-2aia0*a-1a-2a-k=am-1*Nm-1+am-2*Nm-2+a-k*N-k
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ], (2.1)
где ai – i-я цифра числа; k – количество цифр в дробной части числа; m - количество цифр в целой части числа; N – основание системы счисления.
Основание системы счисления N показывает, во сколько раз “вес” г-го разряда больше (i-1) разряда. Целая часть числа отделяется от дробной части точкой (запятой).
Пример 2.1. А10=37.25.
В соответствии с формулой (2.1)это число формируется из цифр с весами рядов:
А10=3*101+7*100+2*10-1+5*10-2.
Теоретически наиболее экономичной системой счисления является система с основанием е=2,71828..., находящимся между числами 2 и 3.
Во всех современных ЭВМ для представления числовой информации используется двоичная система счисления. Это обусловлено:
более простой реализацией алгоритмов выполнения арифметических и логических операций;
более надежной физической реализацией основных функций, так как они имеют всего два состояния (0 и 1);
экономичностью аппаратурной реализации всех схем ЭВМ.
При N=2 число различных цифр, используемых для записи чисел, ограничено множеством из двух цифр (нуль и единица). Кроме двоичной системы счисления широкое распространение получили и производные системы:

·          двоичная- {0,1};

·          десятичная, точнее двоично-десятичное представление десятичных чисел, - {0, 1,...,9};

·          шестнадцатеричная - {0,1,2, ...9, А, В, С, D, Е, F}. Здесь шестнадцатеричная цифра А обозначает число 10,В-число 11, ...,F-число 15;

·          восьмеричная (от слова восьмерик) - {0,1,2,3,4,5, б, 7}. Она широко используется во многих специализированных ЭВМ.
Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления являются производными от двоичной, так как 16 = 24 и 8 = 23. Они используются в основном для более компактного изображения двоичной информации, так как запись значения чисел производится существенно меньшим числом знаков.
Пример 2.2. Число в двоичной, восьмеричной и шестнадцатеричной системах счисления имеет следующее представление:
А2=1100100,101;
Аg=144.5;
A16=64.A;
A2=1*26+1*25+0*24+0*23+1*22+0*21+1*20+1*2-1+0*2-2+1*2-3;
A8=1*82+4*81+4*80+5*8-1;
A16=6*161+4*160+10*16-1.
Представление чисел в различных системах счисления допускает однозначное преобразование их из одной системы в другую. В ЭВМ перевод из одной системы в другую осуществляется автоматически по специальным программам. Правила перевода целых и дробных чисел отличаются.
2.1.1. Перевод целых чисел
Целое число с основанием N1 переводится в систему счисления с основанием N2 путем последовательного деления числа An1, на основание N2 , записанного в виде числа с основанием N1, до получения остатка. Полученное частное следует вновь делить на основание N2, и этот процесс надо повторять до тех пор, пока частное не станет меньше делителя. Полученные остатки от деления и последнее частное записываются в порядке, обратном полученному при делении. Сформированное число и будет являться числом с основанием N2.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
2.1.2. Перевод дробных чисел
Дробное число с основанием N1 переводится в систему счисления с основанием N2 путем последовательного умножения An1 на основание N2, записанное в виде числа с основанием N1. При каждом умножении целая часть произведения берется в виде очередной цифры соответствующего разряда, а оставшаяся дробная часть принимается за новое множимое. Число умножений определяет разрядность полученного результата, представляющего число An1 в системе счисления N2.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Так как двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы связаны через степени числа 2, то преобразования между ними можно выполнять другим более простым способом. Для перевода из шестнадцатеричной (восьмеричной) системы счисления в двоичную достаточно двоичным кодом записать шестнадцатеричные коды цифр тетрадами (по 4 двоичных разряда) и триадами (по 3 двоичных разряда) - для восьмеричных цифр. Обратный перевод из двоичного кода производится в обратном порядке: двоичное число разбивается влево и вправо от границы целой и дробной частей на тетрады - для последующей записи цифр в шестнадцатеричном представлении, на триады - для записи их значений восьмеричными цифрами.
2.6. Прямой, обратный и дополнительный коды
В ЭВМ в целях упрощения выполнения арифметических операций применяют специальные коды для представления чисел. При помощи этих кодов упрощается определение знака результата операции. Операция вычитания (или алгебраического сложения) чисел сводится к арифметическому сложению кодов, облегчается выработка признаков переполнения разрядной сетки. В результате упрощаются устройства ЭВМ, выполняющие арифметические операции.
Для представления чисел со знаком в ЭВМ применяют прямой, обратный и дополнительный коды.
Общая идея построения кодов такова. Код трактуется как число без знака, а диапазон представляемых кодами чисел без знака разбивается на два поддиапазона. Один из них представляет положительные числа, другой - отрицательные. Разбиение выполняется таким образом, чтобы принадлежность к поддиапазону определялась максимально просто.
Наиболее распространенным и удобным является формирование кодов таким образом, чтобы значение старшего разряда указывало на знак представляемых чисел, т.е. использование такого кодирования позволяет говорить о старшем разряде как о знаковом (бит знака) и об остальных как о цифровых разрядах кода.
2.6.1. Прямой код
Это обычный двоичный код, рассмотренный в разделе двоичной системы счисления. Если двоичное число является положительным, то бит знака равен 0, если двоичное число - отрицательное, то бит знака равен 1. Цифровые разряды прямого кода содержат модуль представляемого числа, что обеспечивает наглядность представления чисел в прямом коде (ПК).
Рассмотрим однобайтовое представление двоичного числа. Пусть это будет 28(10). В двоичном формате - 0011100(2) (при однобайтовом формате под величину числа отведено 7 разрядов). Двоичное число со знаком будет выглядеть так, как показано на рис. 2.1.
13 EMBED Word.Picture.6 1415
Рис. 2.1. Формат двоичного числа со знаком в прямом коде
а - положительное число; б - отрицательное

Сложение в прямом коде чисел, имеющих одинаковые знаки, достаточно просто: числа складываются, и сумме присваивается знак слагаемых. Значительно более сложным является алгебраическое сложение в прямом коде чисел с разными знаками. В этом случае приходится определять большее по модулю число, производить вычитание модулей и присваивать разности знак большего по модулю числа. Такую операцию значительно проще выполнять, используя обратный и дополнительный коды.
2.6.2. Обратный код
В обратном коде (ОК), также как и в прямом коде, для обозначения знака положительного числа используется бит, равный нулю, и знака отрицательного - единице. Обратный код отрицательного двоичного числа формируется дополнением модуля исходного числа нулями до самого старшего разряда модуля, а затем поразрядной заменой всех нулей числа на единицу и всех единиц на нули. В знаковом разряде обратного кода у положительных чисел будет 0, а у отрицательных - 1.
На рис. 2.2 приведен формат однобайтового двоичного числа в обратном коде.
13 EMBED Word.Picture.6 1415
Рис. 2.2. Формат двоичного числа со знаком в обратном коде
а - положительное число; б – отрицательное

В общем случае ОК является дополнением модуля исходного числа до наибольшего числа без знака, помещенного в разрядную сетку.
Алгоритм формирования ОК очень прост, при этом ОК позволяет унифицировать операции сложения и вычитания в АЛУ, которые в прямом коде выполняются по-разному. Однако работа с ОК вызывает ряд трудностей. В частности, возникают два нуля: +0 и -0, т.е. в прямом коде (в котором представлены положительные числа) имеет место (+0) = 000...0, а в обратном коде (в котором представлены отрицательные числа): (-0) = 111...1.
Кроме того, в операциях сложения и вычитания требуется дополнительная операция по прибавлению бита переноса в младший разряд суммы. Рассмотрим правила алгебраического сложения в ОК (поскольку А-В=А+(-В)). Алгоритм сложения в ОК включает в себя:
сложение кодов, включая знаковый разряд;
прибавление переноса к МЗР (младшему значащему разряду) суммы.

Пример:
Вычислить выражение -3(10) -2(10).
13 EMBED Word.Picture.6 1415

Пример:
Вычислить 7(10) -3(10).
13 EMBED Word.Picture.6 1415
Указанные трудности привели к тому, что в современных ЭВМ абсолютное большинство операций выполняется в дополнительном коде.
2.6.3. Дополнительный код
Дополнительный код (ДК) строится следующим образом. Сначала формируется обратный код (ОК), а затем к младшему разряду (МЗР) добавляют 1. При выполнении арифметических операций положительные числа представляются в прямом коде (ПК), а отрицательные числа - в ДК, причем обратный перевод ДК в ПК осуществляется аналогичными операциями в той же последовательности. На рис. 2.3 рассмотрена цепь преобразований числа из ПК в ДК и обратно в двух вариантах.
13 EMBED Word.Picture.6 1415
Рис. 2.3. Два варианта преобразования чисел из ПК в ДК и обратно

Пример:
Число -5(10) перевести в ДК и обратно (первый вариант).
13 EMBED Word.Picture.6 1415

Пример:
Число -5(10) перевести в ДК и обратно (второй вариант).
13 EMBED Word.Picture.6 1415
Использование ДК для представления отрицательных чисел устраняет двусмысленное представление нулевого результата (возникновение двух нулей: +0 и -0), так как -0 исчезает.
В общем случае использованием ДК для записи отрицательных чисел можно перекрыть диапазон десятичных чисел от –2k-1 до +2k-1-1, где k - число используемых двоичных разрядов, включая знаковый. Так, с помощью одного байта можно представить десятичные числа от -128 до +127, либо только положительные числа от 0 до 255 (здесь под положительными числами понимаются числа без знака). В табл.1 приведены 4-разрядные двоичные числа от 0000 до 1111 и десятичные числа в случае представления их со знаком и без знака. Из этой таблицы следует, что в формате 4-разрядного двоичного числа могут быть представлены десятичные числа со знаком в диапазоне от -8 до +7 или десятичные числа без знака в диапазоне от 0 до +15.
Оба этих способа представления чисел (со знаком и без знака) широко используются в ЭВМ.

Таблица 1
Представление десятичных чисел одним полубайтом
4-х разрядное
двоичное число
десятичные эквиваленты двоичного числа со знаком
десятичные эквиваленты двоичного числа без знака

0000
+0
0

0001
+1
1

. . . . ПК
. . .
. . .

0110
+6
6

0111
+7
7

1000
-8
8

1001
-7
9

1010
-6
10

. . . . ДК
. . .
. . .

1110
-2
14

1111
-1
15


В ЭВМ используется быстрый способ формирования ДК. Его суть заключается в следующем. Двоичное число в ПК просматривается от МЗР к СЗР. Пока встречаются нули, их копируют в одноименные разряды результата. Первая встретившаяся единица также копируется в соответствующий разряд, а каждый последующий бит исходного числа заменяется на противоположный (0 - на 1, 1 - на 0).
Пример:
Число –44(10) (10101100 (2)) перевести в ДК и обратно.
Проверка:
13 EMBED Word.Picture.6 1415

Пример:
Перевести в ДК модуль числа -44.
13 EMBED Word.Picture.6 1415

Как видно из примеров, результаты, полученные при преобразовании обоими методами, совпадают.
2.6.8. Модифицированные коды
Эти коды отличаются от прямого, обратного и дополнительного кодов тем, что на изображение знака отводится два разряда: если число положительное - 00, если число отрицательное - 11. Такие коды оказались удобны (с точки зрения построения АЛУ) для выявления переполнения разрядной сетки. Если знаковые разряды результата принимают значение 00 и 11, то переполнения разрядной сетки не было, а если 01 или 10 - то было переполнение. Вернемся к примерам в п.п. 2.6.5.
13 EMBED Word.Picture.6 1415
























Лекция 2. Основные логические элементы ЭВМ. Основы алгебры логики. Синтез логических схем.

2.4.1.Основные сведения из алгебры логики
Теоретической основой построения ЭВМ являются специальные математические дисциплины. Одной из них является алгебра логика или булева алгебра (Дж. Буль - английский математик прошлого столетия, основоположник этой дисциплины). Ее аппарат широко используют для описания схем ЭВМ, их оптимизации и проектирования.
Вся информация в ЭВМ представляется в двоичной системе счисления. Поставим в соответствие входным сигналам отдельных устройств ЭВМ соответствующие значения хi(i=1,n), а выходным сигналам - значения функций yj(j=1,m) (рис.2.1).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 2.1. Представление схемы ЭВМ
В этом случае зависимостями
yj=f(x1,x2,
·,xi,
·,xn), (2.2)
где xi
· i-й вход; n
· число входов; yi
· i-й выход; m
· число выходов в устройстве,
можно описывать алгоритм работы любого устройства ЭВМ. Каждая такая зависимость у , является
·булевой функцией, у которой число возможных состояний и каждой ее независимой переменной равно двум
· (стандарт ISO 2382/2-76), т.е. функцией алгебры логики, а ее аргументы определены на множестве {0,1}. Алгебра логика устанавливает основные законы формирования и преобразования логических функций. Она позволяет представить любую сложную функцию в виде композиции простейших функций. Рассмотрим наиболее употребительные из них.
Известно, что количество всевозможных функций N от п аргументов выражается зависимостью
N=22n. (2.3)
При n=0 можно определить две основные функции (N=2), не зависящие от каких-либо переменных: у0 , тождественно равную нулю (у0=0), и у1 , тождественно равную единице ( у1=1). Технической интерпретацией функции у1=1 может быть генератор импульсов. При отсутствии входных сигналов на выходе этого устройства всегда имеются импульсы (единицы). Функция у0=0 может быть интерпретирована отключенной схемой, сигналы от которой не поступают ни к каким устройствам.
При п=1 зависимость (2.3) дает N=4. Представим зависимость значений этих функций от значения аргумента х в виде специальной таблицы истинности (табл. 2.4).
Таблица 2.4
Таблица функций от одной переменной
Yj
Y0
Y1
Y2
Y3

x





0
0
1
0
1

1
0
1
1
0

 Таблицы истинности получили такое название, потому что они определяют значение функции в зависимости от комбинации входных сигналов. В этой таблице, как и ранее, у0=0 и y1=1. Функция y2=х, а функция у3=x- (инверсия x).
Этим функциям соответствуют определенные технические аналоги. Схема, реализующая зависимость у2=х, называется повторителем, а схема y3=х - инвертором.
При п=2, N=l6, т.е. от двух переменных, можно построить шестнадцать различных функций. В табл. 2.5 представлена часть из них, имеющая фундаментальное значение при построении основных схем ЭВМ.
Таблица 2.5
Таблица функций от двух переменных
Yi
Y0
Y1
Y2
Y3
...
Y4
Y5
Y6
Y7
Y8
Y9
...
Y15

X1 X2














00
0
1
0
1
 
0
1
0
1
1
0
 
 

01
0
1
0
1
...
1
0
0
1
0
1
...
 

10
0
1
1
0
 
1
0
0
1
0
1
 
 

11
0
1
1
0
 
1
0
1
0
1
0
 
 

Заметим, что в левой части таблицы перечислены всевозможные комбинации входных переменных (наборы значений), а в правой - возможные реакции выходных сигналов. В табл. 2.5 представлены функции у4-у9, полностью соответствующие функциям табл. 2.4, а также новые, часто используемые и интересные функции у4-у9. При этом местоположение функций и их нумерация в таблице особого значения не имеют. По данной таблице нетрудно составить аналитическое выражение (зависимость) для каждой функции от двух аргументов вида (2.2). Для этого наборы переменных, на которых функция принимает значение единицы, записываются как конъюнкции (логическое умножение) и связываются знаками логического сложения. Такие формы функций получили название дизъюнктивных нормальных форм (ДНФ). Если в этих функциях конъюнкции содержат все без исключения переменные в прямом или инверсном значениях, то такая форма функций называется совершенной.
Функция у4представляет собой функцию логического сложения, дизъюнкцию. Она принимает значение единицы, если значение единицы имеет хотя бы одна переменная х1 или х2:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Тождественность приведенных аналитических зависимостей можно установить, пользуясь законами алгебры логики, приведенными ниже.
Функция y5 является инверсной функцией по отношению к y4:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Она имеет название
· отрицание дизъюнкции
·. Иногда в литературе встречается ее специальное название
·стрелка Пирса
·, по фамилии математика, исследовавшего ее свойства.
Функция у6 является функцией логического умножения. Она очень похожа на операцию обычного умножения и принимает значение единицы в тех случаях, когда все ее переменные равны единице:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Функция y7 является инверсной функцией по отношению к у6:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Она называется
·отрицание конъюнкции
· или
· штрих Шеффера
·. Функция к называется логической равнозначностью, она принимает значение единицы, если все ее переменные имеют одинаковое значение (или 0 или 1):
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Функция y9 является инверсной по отношению к y8:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Она принимает значение единицы, если ее переменные имеют противоположные значения. Ниже будет показано, что функции у8 и у9 являются основой для построения сумматоров, так как они соответствуют правилам формирования цифр двоичных чисел при сложении (вычитании).
Из перечисленных функций двух переменных можно строить сколь угодно сложные зависимости, отражающие алгоритмы преобразования информации, представленной в двоичной системе счисления. Алгебра логики устанавливает правила [6] формирования логически полного базиса простейших функций, из которых могут строиться любые более сложные. Наиболее привычным базисом является набор трех функций {инверсия -
· , дизъюнкция - v, конъюнкция -
· или &}. Работа с функциями, представленными в этом базисе, очень похожа на использование операций обычной алгебры.
Алгебра логики устанавливает, что существуют и другие комбинации простейших логических функций, обладающих свойством логической полноты. Например, наборы логических функций {инверсия, дизъюнкция} и {инверсия, конъюнкция} также являются логически полными. Наиболее интересны минимальные базисы, включающие по одной операции {
·отрицание дизъюнкции (
·
· )
·} и {
·отрицание конъюнкции (
·
· )
·}. Однако работа с функциями, представленными в указанных базисах, требует от специалистов по проектированию ЭВМ определенных навыков.
2.4.3. Понятие о минимизации логических функций
Проблема минимизации логических функций решается на основе применения законов склеивания и поглощения с последующим перебором получаемых дизъюнктивных форм и выбором из них оптимальной (минимальной). Существует большое количество методов минимизации ЛФ. Все они отличаются друг от друга спецификой применения операций склеивания и поглощения, а также различными способами сокращения переборов. Среди аналитических методов наиболее известным является метод Квайна-Маккласки, среди табличных - метод с применением диаграмм Вейча [6]. Графические методы минимизации отличаются большей наглядностью и меньшей трудоемкостью. Однако их применение эффективно при малом числе переменных п<5.
Рассмотрим последовательность действий минимизации ЛФ на примере.
Пример2.15. Найти минимальную дизъюнктивную форму функции, заданной таблицей истинности (табл. 2.6).
Таблица 2.6
Таблица истинности функции Y=f(X1,X2,X3)
X1
Х2
Х3
Y

0
0
0
1

0
0
1
0

0
1
0
1

0
1
1
1

1
0
0
1

1
0
1
1

1
1
0
0

1
1
1
1

Эта функция интересна тем, что имеет несколько минимальных форм. По данным таблицы запишем аналитическое выражение:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Штриховыми линиями в этом выражении отмечены пары конъюнкций, к которым можно применить операцию склеивания типа [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]. Особенно это видно при использовании диаграммы Вейча, в которой
·склеиваемые
· конъюнкции находятся по соседству друг с другом. Диаграмма Вейча просто по-другому интерпретирует таблицу истинности (табл. 2.7).
Таблица 2.7
Диаграмма Вейча функции Y
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
 
После выделения конъюнкций (они отмечены звездочкой), видно, какие конъюнкции могут образовывать пары для склеивания.
В результате применения операций склеивания и поглощения можно получить другое аналитическое выражение:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
в котором отсутствуют возможности дальнейших склеивании и поглощений. Однако последнее выражение является избыточным, так как отдельные конъюнкции могут быть
·липшими
·, т.е. их
·составные части
· могут включаться в другие конъюнкции. У данной функции существует пять безызбыточных дизъюнктивных форм, из которых только две являются минимальными:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Из приведенных зависимостей видно, что только функции у1 и у4 являются минимальными формами функций, так как они содержат наименьшее число конъюнкций и имеют минимальный ранг этих конъюнкций.
Минимизация
·вручную
· возможна только для функций, зависящих от 4-5 переменных, так как трудоемкость переборов растет в квадратичной зависимости от числа переменных. Применение мощных ЭВМ для этих Целей позволяет расширить границы до п= 12-15. Если при этом учесть, что функции могут быть частично определены (значения функций на некоторых наборах переменных можно определять произвольно), а также что иногда приходится решать задачи совместной минимизации систем ЛФ, то минимизация ЛФ становится сложной инженерной, практической и научной проблемой.
2.4.4. Техническая интерпретация логических функций
По логическим выражениям проектируются схемы ЭВМ. При этом следует придерживаться следующей последовательности действий.
1. Словесное описание работы схемы.
2. Формализация словесного описания.
3. Запись функций в дизъюнктивной (конъюнктивной) совершенной нормальной форме по таблицам истинности.
4. Минимизация логических зависимостей с целью их упрощения.
5. Представление полученных выражений в выбранном логически полном базисе элементарных функций.
6. Построение схемы устройства.
7. Проверка работоспособности полученной схемы. Покажем взаимосвязь перечисленных этапов на примере.
Пример2.16. Спроектировать схему, фиксирующую появление
·неправильной
· тетрады в двоично-десятичном представлении чисел.
1. Каждая тетрада двоично-десятичного представления числа содержит десятичные цифры 0-9, что соответствует двоичным числам 0000-1001. Значения тетрады, соответствующие двоичным числам 1010-1111 (шестнадцатеричные цифры A-F), не должны появляться при представлении десятичных чисел.
2. Составим таблицу истинности функции (табл. 2.8), которая принимает значения, равные единице, при появлении
·неправильных
· тетрад. Разряды тетрады обозначим переменнымих, у, z, u.
Т а б л и ц а 2.8
Таблица истинности функции F
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
3. Исходная совершенная дизъюнктивная нормальная форма записывается
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
4. Эта форма функции допускает упрощение, что видно по диаграмме Вейча (табл.2.9). Этот же результат может быть получен аналитически.
Т а б л и ц а 2.9
Диаграмма Вейча для функции F
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
5. Минимальная форма функции F в логически полном базисе {&, v,
· } будет иметь вид:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Для представления этой же схемы в другом полном базисе, например {&}, воспользуемся правилом де Моргана:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
6. По полученным зависимостям можно построить схемы фиксации
·неправильных
· тетрад (рис.2.2).
7. Проверить работоспособность построенных схем можно путем задания различных комбинаций переменных х, у, z, и и определения реакции на выходе схемы F.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 2.2. Схема фиксации неправильных тетрад: а - схема в базисе (Г, &, V), б - схема в базисе (&).
Классификация элементов и узлов ЭВМ
При рассмотрении структуры любой ЭВМ обычно проводят ее детализацию. Как правило, в структуре ЭВМ выделяют следующие структурные единицы: устройства, узлы, блоки и элементы. Такая детализация соответствует вполне определенным операциям преобразования информации, заложенным в программах пользователей.
Нижний уровень обработки реализуют элементы. Каждый элемент предназначается для обработки единичных электрических сигналов, соответствующих битам информации. Узлы обеспечивают одновременную обработку группы сигналов - информационных слов. Блоки реализуют некоторую последовательность в обработке информационных слов - функционально обособленную часть машинных операций (блок выборки команд, блок записи-чтения и др.). Устройства предназначаются для выполнения отдельных машинных операций и их последовательностей.
В общем случае любая структурная единица ЭВМ обеспечивает преобразование входной информации Х в выходную У (см. рис. 2.1).
Все современные вычислительные машины строятся на комплексах системах интегральных микросхем (ИС). Электронная микросхема называется интегральной, если ее компоненты и соединения между ними выполнены в едином технологическом цикле, на едином основании и имеют общую герметизацию и защиту от механических воздействий. Каждая микросхема представляет собой миниатюрную электронную схему, сформированную послойно в кристалле полупроводника: кремния, германия и т.д. В состав микропроцессорных наборов включаются различные типы микросхем, но все они должны иметь единый тип межмодульных связей, основанный на стандартизации параметров сигналов взаимодействия (амплитуда, полярность, длительность импульсов и т.п.). Основу набора обычно составляют большие БИС и даже сверхбольшие интегральные схемы. На очереди следует ожидать появления ультра больших ИС (УБИС). Кроме них обычно используются микросхемы с малой и средней степенью интеграции (СИС). Функционально микросхемы могут соответствовать устройству, узлу или блоку, но каждая из них состоит из комбинации простейших логических элементов, реализующих функции формирования, преобразования, запоминания сигналов и т.д.
Элементы ЭВМ можно классифицировать по различным признакам. Наиболее часто такими признаками являются: тип сигналов, назначение элементов, технология их изготовления и т.д.
В ЭВМ широко применяют два способа физического представления сигналов: импульсный и потенциальный. При импульсном способе представления сигналов единичному значению некоторой двоичной переменной ставится в соответствие наличие импульса (тока или напряжения), нулевому значению - отсутствие импульса (рис. 3.1, а). Длительность импульсного сигнала не превышает один такт синхроимпульсов.
При потенциальном или статическом представлении сигналов единично значение двоичной переменной отображается высоким уровнем напряжения, а нулевое значение - низким уровнем (рис. 3.1, б).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 3.1. Представление информации в ЭВМ: а - импульсные сигналы; б - потенциальные сигналы
Независимо от вида сигналов различают последовательный и параллельный коды передачи и представления информации в ЭВМ.
При последовательном коде представления данных используются одиночные шины или линии передачи, в которых сигналы, соответствующие отдельным разрядам данных, разнесены во времени. Обработка такой информации производится последовательно разряд за разрядом. Такой вид представления и передачи данных требует весьма экономичных по аппаратурным затратам схем обработки данных. Время же обработки Определяется числом обрабатываемых сигналов (разрядов).
Параллельный код отображения и передачи информации предполагает параллельную и одновременную фиксацию всех разрядов данных на различных шинах, т.е. параллельный код данных развернут в пространстве. Это дает возможность ускорить обработку во времени, но затраты на аппаратурные средства при этом возрастают пропорционально числу обрабатываемых разрядов.
Во всех вычислительных машинах используются и параллельно-последовательные коды представления информации. При этом информация отображается частями. Части поступают на обработку последовательно, а каждая часть данных представляется параллельным кодом.
По своему назначению элементы делятся на формирующие, логические и запоминающие.
К формирующим элементам относятся различные формирователи, усилители, усилители-формирователи и т.п. Данные элементы служат для выработки определенных электрических сигналов, восстановления их параметров (амплитуды, полярности, мощности, длительности).
В каждой ЭВМ имеются специальные блоки, формирующие сигналы тактовой частоты, серии синхронизирующих и управляющих сигналов, координирующих работу всех схем ЭВМ. Интервал времени между импульсами основной частоты называется тактом. Длительность такта является важной характеристикой ЭВМ, определяющей ее потенциальную производительность. Время выполнения любой операции ЭВМ связано с определенным числом тактов.
Простейшие логические элементы преобразуют входные сигналы в соответствии с элементарными логическими функциями, рассмотренными в п.2.4. В свою очередь, полученные сигналы могут формировать следующий уровень сигналов и т. д. Сложные преобразования в соответствии с требуемыми логическими зависимостями могут приводить к построению многоуровневых схем. Каждая такая схема представляет собой композицию простейших логических схем.
Запоминающим элементом называется элемент, который способен принимать и хранить код двоичной цифры (единицы или нуля). Элементы памяти могут запоминать и сохранять исходные значения некоторых величин, промежуточные значения обработки и окончательные результаты вычислений. Только запоминающие элементы в схемах ЭВМ позволяют проводить обработку информации с учетом ее развития.
3.3. Схемы с памятью
Более сложным преобразователем информации являются схемы с памятью. Наличие памяти в схеме позволяет запоминать промежуточные состояния обработки и учитывать их значения в дальнейших преобразованиях. Выходные сигналы Y = (y1, y2, ..., уm) в схемах данного типа формируются не только по совокупности входных сигналов Х = (х1, х2, ..., хn), но и по совокупности состояний схем памяти Q = (q1, q2, ..., qk). При этом различают текущий дискретный момент времени t и последующий (t+1) момент времени (рис. 3.8).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 3.8. Обобщенная структура схемы с памятью
Передача значения Q между моментами времени t и (t+1) осуществляется обычно с применением двухступенчатой памяти и синхронизирующих импульсов (СИ).
В качестве простейшего запоминающего элемента (ЗЭ) в современных ЭВМ используют триггеры. В связи с успешным применением микроэлектроники в схемах основных устройств ЭВМ (процессоров и оперативной памяти) исчезли в качестве запоминающихся элементов схемы, использующие остаточную намагниченность - ферритовые сердечники. Самая простейшая схема триггера может быть синтезирована по общим правилам (п.2.4.4).
Пример3.1. Построить автомат намят - триггер, имеющий вход R (Reset - сброс), Для установки элемента в "нулевое состояние" и вход S (Sеt - установка) - для установки элемента в "единичное" состояние. При отсутствии сигналов R=S=0 элемент должен сохранять свое состояние до тех пор, пока не будут получены новые сигналы на входе К или 8.
Условия работы триггера могут быть представлены в виде таблицы переходов (табл. 3.5), представляющей собой модификацию таблицы истинности.
Таблица 3.5
Условия работы триггера
Входы
Состояние qt+1

R
S
0
1
Режим

0
0
0
1
Хранение

1
0
0
0
Установка 0

0
1
1
1
Установка 1

l
l
?
?
Запрещенное состояние

Содержание таблицы расшифровывается следующим образом. Элемент памяти может сохранять значение qt=0 или qt=1 в зависимости от установки ранее установленного состояния. При отсутствии входных сигналов на входах R и S (R =0 и S =0) значения qt+1 первой строке таблицы в точности повторяют значения qt. При поступлении сигнала R=l (сигнала установки "нуля") элемент независимо от своего состояния принимает значение, равное нулю, qt+1=0. Если же на вход S поступает сигнал установки "единицы" (S=1), то qt+1=1 независимо от предыдущего состояния qt. Одновременное поступление сигналов на входы R и S является запрещенной ситуацией, так как она может привести к непредсказуемому состоянию. В схемах формирования сигналов R и S должны быть предусмотрены блокировки, исключающие их совпадения, S=R=1.
Для таблицы переходов (табл.3.5) может быть построена диаграмма Вейча (табл.3.6).
Таблица 3.6
Диаграмма Вейча для таблицы переходов триггера
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
В этой таблице знаком "~"отмечены запрещенные комбинации входных сигналов. Эти комбинации могут быть использованы для упрощения логических зависимостей. Логическая зависимость, описывающая работу элемента памяти, принимает вид:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] (3.4)
Уравнение (3.4) получено путем эквивалентных преобразований. Добавление в него комбинаций, соответствующих запрещенным ситуациям и помеченных знаком "~", т.е.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
позволяет еще больше упростить уравнение триггера:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] (3.5)
Для реализации полученной зависимости в базисе И - НЕ применим правило де Моргана и получим функцию
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
По данной зависимости можно построить схему элемента памяти - асинхронного RS-тригера. В этой схеме следует только соединить выход qt+1со входом qt. На рис.3.9 эта связь отмечена штриховой линией.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 3.9. Схема асинхронного RS-триггера: а- схема; б - обозначение на принципиальных электрических схемах; в - временная диаграмма
RS-триггер нашел широкое распространение в схемах ЭВМ. Одиночные триггеры этого типа часто используются в различных блоках управления. В асинхронных RS-триггерах имеется один существенный недостаток, обусловленный самой логикой их построения (см. табл. 3.5), т.е. в них сигналы R и S должны быть разнесены во времени. Дополнение этого триггера комбинационными схемами синхронизации на входе и выходе позволяет получить триггеры с более сложной логикой работы: синхронные RS-триггеры, Т-, JK-, D- триггеры и целый ряд комбинированных RST-, JKRS-, DRS-трштеров [ 4].
Прописные буквы в названиях триггеров обозначают:

· R (Reset - сброс) - вход установки триггера в нулевое состояние Q=0;

· S (Set - установка) - вход установки триггера в единичное состояние 0=1;

· Т (Toggle - релаксатор) - счетный вход триггера;

· J (Jerk - внезапное включение) - вход установки ЛС-триггера в единичное состояние Q=1;

· К (Kill - внезапное выключение) - Q=0;

· D (Delay - задержка) - вход установки триггера в единичное или нулевое состояние на время, равное одному такту;

· С (Clock - часы) - вход синхронизирующих тактовых импульсов. На рис. 3.10 показаны схемы синхронного однотактного (а) и двухтактного (б) RS-триггеров.
Двухкаскадная схема RS-триггера (рис.3.10, б) нашла наиболее широкое применение для построения n-разрядных схем запоминания - всевозможных регистровых схем. Штриховыми линиями на схеме указаны дополнительные точки подключения сигналов установки и сброса.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 3.10. Электрическая и функциональная схемы синхронных RS-тригтеров: а, б - варианты
На рис. 3.11 приведена схема Т-триггера или иначе - триггера со счетным входом. При значении 7=0 триггер сохраняет свое ранее установленное состояние - режим хранения состояния, при T=1 триггер переходит в противоположное состояние. Таблица переходов (табл. 3.7) и диаграмма работы (рис. 3.11, б) отражают динамику работы этого элемента.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 3.11. Схема триггера со счетным входом: а- функциональная; б - условное обозначение; в - временная диаграмма
Таблица 3.7
Таблица переходов Т-триггера
Входные сигналы
Состояние qt
Режим

Xt
0
1


0
l
0
1
1
0
Хранение
Инверсия

По таблице переходов можно получить логическую функцию, реализуемую Т-триггером:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] (3.7)
Нетрудно видеть, что зависимость (3.7) очень похожа на функцию (3.2), выведенную для одноразрядного комбинационного полусумматора. На рис. 3.11, а показано, как двухтактный RS-триггер преобразуется в Т-триггер.
Наиболее сложным типом триггера является JK-тригтер. Он, по существу, является объединением двухтактного RS- и Т-триггеров. Этому соответствует его таблица переходов (табл.3.8).
Таблица 3.8
Таблица переходов JK-триггера
Входные сигналы
Состояние q
Режим

J
K
0
1
 

0
0
0
l
l
0
l
l
0
l
0
0
1
0
l
0
Хранение
Установка 0
Установка l
Инверсия

Если первые три строки таблицы переходов полностью повторяют соответствующие строки табл. 3.5, то последняя строка, с запрещенной комбинацией для RS-триггера, соответствует режиму переключения Т-триггера (см. табл.3.7). Схема JK-триггера изображена на рис. 3.12.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 3.12. JK-триггер: а - функциональная схема; б - условное обозначение
D-триггер обычно строится на основе двухтактного RS- или JK-тригера. Он предназначается для хранения состояния (1 или 0) на один период тактовых импульсов (с задержкой на 1 такт). Таблица его переходов отражена в табл. 3.9. На рис.3.13, а и б представлены варианты его построения, а на рис.3.13, в - его условное обозначение.
Таблица 3.9
Таблица переходов D-триггера
Входные сигналы
Состояния q
Режим

D
0
l


0
l
0
1
0
1
Установка 0
Установка l

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 3.13. D-триггер: a- функциональная схема на основе RS-триггера; б- функциональная схема на основе JK-трштера; в - условное обозначение
Все перечисленные элементы памяти позволяют хранить одну единицу информации - бит или одну двоичную цифру.
При построении ЭВМ широко используются функциональные схемы, обеспечивающие операции хранения и преобразования информации над группами битов (машинными словами). Такие сложные схемы называются узлами. К типовым узлам относят: регистры, счетчики, сумматоры. Все они также принадлежат к регулярным структурам, состоящим из одинаковых параллельно работающих одноразрядных схем.
Регистром называется узел, предназначенный для приема, временного хранения и выдачи машинного слова. Регистры могут также использоваться для некоторых операций преобразования данных: для сдвига кода числа (слова) на определенное число разрядов влево или вправо, для преобразования последовательного кода числа в параллельный и наоборот и т.д. Эти дополнительные функции регистров обеспечиваются путем усложнения схем хранения, выбора более сложных триггеров и подключения дополнительных логических схем на их входах и выходах.
Таким образом, регистры представляют собой совокупность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове, и вспомогательных схем, обеспечивающих выполнение различных операций над словом.
На рис.3.14 показана функциональная схема n-разрядного регистра, построенного на RS-триггерах. Информация в регистр записывается под действием сигнала "Запись". Предварительно перед установкой кода на регистр обычно на все разряды R подается сигнал сброса. На рисунке показано, что подключение к входам R дополнительных инверторов позволяет избежать этой предварительной операции. Здесь на вход каждого разряда поступает парафазный код двоичной цифры (xi - на вход Si и хi - на вход Ri), т.е. прямое и инверсное значения кода подаются в противофазе.
На рис.3.15 изображена функциональная схема того же регистра, дополненная логическими элементами для преобразования хранящегося на регистре кода. По сигналу "Прямой код" с регистра считывается прямой код хранящихся данных, а по сигналу "Обратный код" - инверсное значение каждого разряда слова. Если оба эти сигнала поступают одновременно, то считывается парафазный код хранящейся информации. Более сложная логика на входе и выходе запоминающих элементов позволяет строить сдвигающие регистры.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 3.14. Схема регистра на RS-триггерах: а - функциональная схема; б - условное обозначение регистра
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 3.15. Схема выдачи информации из регистра
Счетчик - узел ЭВМ, позволяющий осуществлять подсчет поступающих на его вход сигналов и фиксацию результата в виде многоразрядного двоичного числа. Счетчик, состоящий из n-триггеров, дает возможность подсчитывать до N сигналов, связанных зависимостью:
n = log2 NилиN = 2".
В ЭВМ счетчики используются для подсчета импульсов, сдвигов, формирования адресов и т.д. Функционально различают суммирующие, вычитающие, реверсивные счетчики. Они также отличаются друг от друга логикой работы дополнительных логических элементов, подключаемых к триггерам.
В основу построения любого счетчика положено свойство Т-триггеров изменять свое состояние при подаче очередного сигнала на счетный вход Т. На рис.3.16 показана схема трех разрядов суммирующего счетчика, построенного на Т-триггерах. Логика его работы представлена в табл. 3.10.
Таблица 3.10
Таблица переходов трехразрядного счетчика
Вход
х
Состояние


000
001
010
011
100
101
110
111
Режим

0
1
000
001
001
010
010
011
011
100
100
101
101
110
110
111
111
000
Хранение
Счет

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 3.16. Организация счетчика на Т-триггерах: а - функциональная схема; б - временная диаграмма
Сумматор - узел ЭВМ, в котором суммируются коды чисел. Как правило, любой сумматор представляет собой комбинацию одноразрядных сумматоров. Сумматоры различают по принципам построения: накапливающего типа и комбинационного типа. Сумматоры накапливающего типа строят на сложных JKRS-триггерах, дополняя их выходы достаточно сложными схемами формирования и распространения переносов. Процесс сложения при этом осуществляется поэтапно. Сначала на триггерах сумматора фиксируется код первого операнда, затем на счетные коды разрядов подается код второго операнда. По зависимостям (3.3) на каждом триггере формируются одноразрядные суммы и значения переносов между разрядами. Учет возникающих переносов задерживает формирование окончательного результата суммы и может требовать дополнительных тактов сложения. Из-за этого многоразрядные схемы сумматора накапливающего типа используются достаточно редко.
Более часто для построения сумматоров используются сумматоры комбинационного типа. Логика работы такого сумматора была представлена данными табл. 2.2. Обычно у такого сумматора на входе и выходе имеются регистры для хранения и преобразования кодов операндов и результата (рис.3.17).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 3.17. Упрощенная схема сумматора ЭВМ
Регистр Рг1 предназначается для хранения кода первого операнда, регистр Рг2 - для хранения кода второго операнда. Сумматор по сигналам из устройства управления настраивается на выполнение определенной машинной операции, соответствующей коду операции, находящемуся в коде команды. Результат выполняемой операции фиксируется в регистре РгЗ . При необходимости этот результат может использоваться для продолжения вычислений. Для этого предусматривается возможность перезаписи содержимого регистра РгЗ на Рг1 в качестве значения одного из операндов при выполнении очередной операции.



















Лекция 3. Структура ЭВМ и назначение ее элементов.
Элементы архитектуры вычислительных систем. Принцип хранимой в памяти программы. Общие принципы построения современных ЭВМ. Архитектура системы команд.



Элементы архитектуры вычислительных систем.
Упрощенная структура ЭВМ представлена на рис. 1.1 ЭВМ содержит следующие основные устройства: арифметико-логическое устройство, память, управляющее устройство, устройство ввода данных в машину, устройство вывода из нее результатов расчета и пульт ручного управления.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) производит арифметические и логические преобразования над поступающими в него машинными словами, т. е. кодами определенной длины, представляющими собой числа или другой вид информации.
Память хранит информацию, передаваемую из других устройств, в том числе поступающую в машину извне через устройство ввода, и выдает во все другие устройства информацию, необходимую для протекания вычислительного процесса. Память машины в большинстве случаев состоит из двух существенно отличающихся по своим характеристикам частей: быстродействующей основной или оперативной (внутренней) памяти (ОП) и сравнительно медленно действующей, но способной хранить значительно больший объем информации внешней памяти (ВнП).
Оперативная память содержит некоторое число ячеек, каждая из которых служит для хранения машинного слова или его части. Ячейки нумеруются, номер ячейки называется адресом.
В запоминающих устройствах, реализующих в ЭВМ функцию памяти, выполняются операции считывания хранимой информации для передачи в другие устройства и записи информации, поступающей из других устройств. При считывании слова из ячейки содержимое последней не меняется и при необходимости слово может быть снова взято из той же ячейки. При записи хранившееся в ячейке слово стирается и его место занимает новое.
Непосредственно в вычислительном процессе участвует только ОП, и лишь после окончания отдельных этапов вычислений из ВнП в ОП передается информация, необходимая для следующего этапа решения задачи.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 1.1 Структура ЭВМ
Управляющее устройство (УУ) автоматически без участия человека управляет вычислительным процессом, посылая всем другим устройствам сигналы, предписывающие им те или иные действия, в частности включает АЛУ на выполнение нужной операции.
Автоматическое управление процессом решения задачи достигается на основе принципа программного управления, являющегося основной особенностью ЭВМ.
Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу команды программы, закодированные в цифровом виде, хранятся в памяти наравне с числами. В команде указываются не сами участвующие в операциях числа, а адреса ячеек ОП, в которых они находятся, и адрес ячейки, куда помещается результат операции.
Поскольку программа хранится в памяти, одни и те же команды могут нужное число раз извлекаться из памяти и выполняться. Более того, так как команды представляются в машине в форме чисел, то над командами как над числами машина может производить операции (“модификации команд”).
Команды выполняются в порядке, соответствующем их расположению в последовательных ячейках памяти, кроме команд безусловного и условного переходов, изменяющих этот порядок соответственно безусловно или только при выполнении некоторого условия, обычно задаваемого в виде равенства нулю, положительного или отрицательного результата предыдущей команды или отношения типа >, =, < для указываемых командой чисел. Именно благодаря наличию команд условного перехода ЭВМ может автоматически изменять соответствующим образом ход вычислительного процесса, решать сложные логические задачи.
Перед решением задачи на ЭВМ программа и исходные данные должны быть помещены в ее память. Предварительно эта информация обычно заносится во внешнюю память. Затем при помощи устройства ввода программа и исходные данные считываются в ОП.
Устройство вывода служит для выдачи из машины результатов расчета, например, путем печатания их на печатных устройствах или отображения на экране дисплея. При помощи пульта управления оператор пускает и останавливает машину, а при необходимости может вмешиваться в процесс решения задачи.
Представленная на рис. 1.1 структура (модель) вычислительной машины, получившая название фоннеймановской, благодаря ее изящной простоте и большой гибкости при управлении вычислительным процессом с самых первых шагов электронной вычислительной техники и по сей день доминирует при построении различных ЭВМ.
Однако в последние годы конструкторы ЭВМ, стремясь достигнуть существенного повышения их производительности, в ряде случаев отходят от модели фон Неймана.
Приведем один из примеров. В фоннеймановской машине с общей памятью для данных и команд имеется всего одна шина (магистраль) для передачи из памяти в другие устройства команд и данных, что ведет к снижению скорости работы ЭВМ.
Возможно построение машины с отдельными памятями и шинами для хранения и передачи команд и данных, допускающей параллельное во времени извлечение их из памяти и передачу по шинам. Такая структура (модель) получила название гарвардской, так как была реализована впервые в 1944 г. в Гарвардском университете (США) в ранней релейной вычислительной машине, предшествовавшей появлению электронных вычислительных машин. Гарвардская модель реализована, в частности, в некоторых микропроцессорах.


Понятие о системе программного обеспечения ЭВМ. Понятие об архитектуре ЭВМ.

Для придания ЭВМ определенных свойств используют средства двух видов: аппаратурные и программные. Последние называются также средствами программного (математического) обеспечения.
Часть свойств ЭВМ приобретает благодаря наличию в ее составе электронного или электромеханического оборудования, специально предназначенного для реализации этих свойств. Арифметико - логическое устройство машины является примером аппаратурных средств.
Ряд других свойств реализуется без специальных аппаратурных средств программным путем, при, этом используются имеющиеся аппаратурные средства машины, работающие в предписанном порядке в соответствии с программой, обеспечивающей выполнение машиной данной функции.
Заметим, что при помощи аппаратурных средств соответствующие функции выполняются значительно быстрее, чем программным путем.
Таким образом, средства программного обеспечения и аппаратурные средства являются двумя взаимосвязанными компонентами современной вычислительной техники.
Система программного (математического) обеспечения ЭВМ представляет собой комплекс программных средств, в котором можно выделить операционную систему, комплект программ технического обслуживания и пакеты прикладных программ. Первые два класса ПО принято также называть системным программным обеспечением.
Машинная зависимость является одной из характеристик, которая обычно отличает системное ПО от прикладного. Прикладная программа интересует нас главным образом с точки зрения решения некоторой задачи. При этом ЭВМ используется как инструмент, и основное внимание сосредоточено на предметной стороне дела, а не на вычислительной системе. С другой стороны, системные программы предназначены скорее для обеспечения управления собственно ЭВМ, чем для решения какой-то конкретной задачи. Вследствие этого они обычно тесно связаны со структурой машины, для которой созданы.
Операционные системы являются важнейшей и центральной частью программного обеспечения ЭВМ, предназначенной для эффективного управления вычислительным процессом, планирования работы и распределения ресурсов ЭВМ, автоматизации процесса подготовки программ и организации их выполнения при различных режимах работы машины, облегчения общения оператора с машиной.
Пользователи и операторы не имеют прямого доступа к устройствам ЭВМ. Связь пользователей и операторов с ЭВМ (точнее, с ее аппаратурными средствами) производится при помощи операционной системы, обеспечивающей определенный уровень общения человека с машиной.
Уровень общения в первую очередь определяется уровнем языка, на котором оно происходит, или, иными словами, уровнем пользовательского интерфейса системы.
Комплект программ технического обслуживания, предназначенный для уменьшения трудоемкости эксплуатации ЭВМ, содержит программы проверки работоспособности ЭВМ и отдельных ее устройств, определения (диагностирования) мест неисправностей.
Пакеты прикладных программ (ППП) представляют собой структурированные комплексы программ (часто со специализированными языковыми средствами), предназначенные для решения определенных достаточно широких классов задач (научно-технических, планово-экономических и др.), а также для расширения функций операционных систем (управление базами данных, реализация режимов телеобработки данных, реального времени и др.).
Аппаратурные средства ЭВМ и система ее программного обеспечения в совокупности образуют вычислительную систему.
Сложность современных вычислительных машин закономерно привела к понятию архитектуры вычислительной машины, охватывающей комплекс общих вопросов ее построения, существенных в первую очередь для прикладного или системного программиста, интересующегося главным образом возможностями машины, а не деталями ее технического исполнения.
Круг вопросов, подлежащих решению при разработке архитектуры ЭВМ, можно условно разделить на вопросы общей структуры, организации вычислительного процесса и общения пользователя с машиной, вопросы логической организации представления, хранения и преобразования информации и вопросы логической организации совместной работы различных устройств, а также аппаратурных и программных средств машины.

Общие принципы построения современных ЭВМ
Основным принципом построения всех современных ЭВМ является программное управление. В основе его лежит представление алгоритма решения любой задачи в виде программы вычислений.
“Алгоритм - конечный набор предписаний, определяющий решение задачи посредством конечного количества операций”. “Программа ( для ЭВМ) - упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке” (стандарт ISO 2382/1-84). Следует заметить, что строгого, однозначного определения алгоритма, равно как и однозначных методов его преобразования в программу вычислений, не существует. Принцип программного управления может быть осуществлен различными способами. Стандартом для построения практически всех ЭВМ стал способ, описанный Дж. фон Нейманом в 1945 г. при построении еще первых образцов ЭВМ. Суть его заключается в следующем.
Все вычисления, предписанные алгоритмом решения задачи, должны быть представлены в виде программы, состоящей из последовательности управляющих слов-команд. Каждая команда содержит указания на конкретную выполняемую операцию, место нахождения (адреса) операндов и ряд служебных признаков. Операнды - переменные, значения которых участвуют в операциях преобразования данных. Список (массив) всех переменных (входных данных, промежуточных значений и результатов вычислений) является еще одним неотъемлемым элементом любой программы.
Для доступа к программам, командам и операндам используются их адреса. В качестве адресов выступают номера ячеек памяти ЭВМ, предназначенных для хранения объектов. Информация ( командная и данные: числовая, текстовая, графическая и т.п.) кодируется двоичными цифрами 0 и 1. Поэтому различные типы информации, размещенные в памяти ЭВМ, практически неразличимы, идентификация их возможна лишь при выполнении программы, согласно ее логике, по контексту.
Каждый тип информации имеет форматы - структурные единицы информации, закодированные двоичными цифрами 0 и 1. Обычно все форматы данных, используемые в ЭВМ, кратны байту, т.е. состоят из целого числа байтов.
Последовательность битов в формате, имеющая определенный смысл, называется полем. Например, в каждой команде программы различают поле кода операций, поле адресов операндов. Применительно к числовой информации выделяют знаковые разряды, поле значащих разрядов чисел, старшие и младшие разряды.
Последовательность, состоящая из определенного принятого для данной ЭВМ числа байтов, называется словом. Для больших ЭВМ размер слова составляет четыре байта, для ПЭВМ - два байта. В качестве структурных элементов информации различают также полуслово, двойное слово и др.
Схема ЭВМ, отвечающая программному принципу управления, логично вытекает из последовательного характера преобразований, выполняемых человеком по некоторому алгоритму (программе). Обобщенная структурная схема ЭВМ первых поколений представлена на рис. 1.1.
В любой ЭВМ имеются устройства ввода информации (УВв), с помощью которых пользователи вводят в ЭВМ программы решаемых задач и данные к ним. Введенная информация полностью или частично сначала запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ), а затем переносится во внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), предназначенное для длительного хранения информации, где преобразуется в специальный программный объект - файл. “Файл - идентифицированная совокупность экземпляров полностью описанного в конкретной программе типа данных, находящихся вне программы во внешней памяти и доступных программе посредством специальных операций (ГОСТ 20866 - 85)”.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 1.1. Структурная схема ЭВМ первого и второго поколений
При использовании файла в вычислительном процессе его содержимое переносится в ОЗУ. Затем программная информация команда за командой считывается в устройство управления (УУ).
Устройство управления предназначается для автоматического выполнения программ путем принудительной координации всех остальных устройств ЭВМ. Цепи сигналов управления показаны на рис. 1.1 штриховыми линиями. Вызываемые из ОЗУ команды дешифрируются устройством управления:
определяются код операции, которую необходимо выполнить следующей, и адреса операндов, принимающих участие в данной операции.
В зависимости от количества используемых в команде операндов различаются одно-, двух-, трехадресные и безадресные команды. В одноадресных командах указывается, где находится один из двух обрабатываемых операндов. Второй операнд должен быть помещен заранее в арифметическое устройство (для этого в систему команд вводятся специальные команды пересылки данных между устройствами).
Двухадресные команды содержат указания о двух операндах, размещаемых в памяти (или в регистрах и памяти). После выполнения команды в один из этих адресов засылается результат, а находившийся там операнд теряется.
В трехадресных командах обычно два адреса указывают, где находятся исходные операнды, а третий - куда необходимо поместить результат.
В безадресных командах обычно обрабатывается один операнд, который до и после операции находится на одном из регистров арифметико-логического устройства (АЛУ). Кроме того, безадресные команды используются для выполнения служебных операций (очистить экран, заблокировать клавиатуру, снять блокировку и др.).
Все команды программы выполняются последовательно, команда за командой, в том порядке, как они записаны в памяти ЭВМ (естественный порядок следования команд). Этот порядок характерен для линейных программ, т.е. программ, не содержащих разветвлений. Для организации ветвлений используются команды, нарушающие естественный порядок следования команд. Отдельные признаки результатов r(r = 0, r < 0, r > 0 и др.) устройство управления использует для изменения порядка выполнения команд программы.
АЛУ выполняет арифметические и логические операции над данными. Основной частью АЛУ является операционный автомат, в состав которого входят сумматоры, счетчики, регистры, логические преобразователи и др. Оно каждый раз перенастраивается на выполнение очередной операции. Результаты выполнения отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Результаты, полученные после выполнения всей программы вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв могут использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.
Современные ЭВМ имеют достаточно развитые системы машинных операций. Например, ЭВМ типа IBM PC имеют около 200 различных операций (170 - 230 в зависимости от типа микропроцессора). Любая операция в ЭВМ выполняется по определенной микропрограмме, реализуемой в схемах АЛУ соответствующей последовательностью сигналов управления (микрокоманд). Каждая отдельная микрокоманда- это простейшее элементарное преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т.п.
Уже в первых ЭВМ для увеличения их производительности широко применялось совмещение операций. При этом последовательные фазы выполнения отдельных команд программы (формирование адресов операндов, выборка операндов, выполнение операции, отсылка результата) выполнялись отдельными функциональными блоками. В своей работе они образовывали своеобразный конвейер, а их параллельная работа позволяла обрабатывать различные фазы целого блока команд. Этот принцип получил дальнейшее развитие в ЭВМ следующих поколений. Но все же первые ЭВМ имели очень сильную централизацию управления, единые стандарты форматов команд и данных, “жесткое” построение циклов выполнения отдельных операций, что во многом объясняется ограниченными возможностями используемой в них элементной базы. Центральное УУ обслуживало не только вычислительные операции, но и операции ввода-вывода, пересылок данных между ЗУ и др. Все это позволяло в какой-то степени упростить аппаратуру ЭВМ, но сильно сдерживало рост их производительности.
В ЭВМ третьего поколения произошло усложнение структуры за счет разделения процессов ввода-вывода информации и ее обработки (рис. 1.2).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 1.2. Структурная схема ЭВМ третьего поколения
Сильносвязанные устройства АЛУ и УУ получили название процессор, т.е. устройство, предназначенное для обработки данных. В схеме ЭВМ появились также дополнительные устройства, которые имели названия: процессоры ввода-вывода, устройства управления обменом информацией, каналы ввода-вывода (КВВ). Последнее название получило наибольшее распространение применительно к большим ЭВМ. Здесь наметилась тенденция к децентрализации управления и параллельной работе отдельных устройств, что позволило резко повысить быстродействие ЭВМ в целом.
Среди каналов ввода-вывода выделяли мультиплексные каналы, способные обслуживать большое количество медленно работающих устройств ввода-вывода (УВВ), и селекторные каналы, обслуживающие в многоканальных режимах скоростные внешние запоминающие устройства (ВЗУ).
В персональных ЭВМ, относящихся к ЭВМ четвертого поколения, произошло дальнейшее изменение структуры (рис. 1.3). Они унаследовали ее от мини-ЭВМ.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 1.3. Структурная схема ПЭВМ
Соединение всех устройств в единую машину обеспечивается с помощью общей шины, представляющей собой линии передачи данных, адресов, сигналов управления и питания. Единая система аппаратурных соединений значительно упростила структуру, сделав ее еще более децентрализованной. Все передачи данных по шине осуществляются под управлением сервисных программ.
Ядро ПЭВМ образуют процессор и основная память (ОП), состоящая из оперативной памяти и постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). ПЗУ предназначается для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), дисплея, клавиатуры, внешних ЗУ и других обеспечивается через соответствующие адаптеры - согласователи скоростей работы сопрягаемых устройств или контроллеры - специальные устройства управления периферийной аппаратурой. Контроллеры в ПЭВМ играют роль каналов ввода-вывода. В качестве особых устройств следует выделить таймер - устройство измерения времени и контроллер прямого доступа к памяти (КПД) - устройство, обеспечивающее доступ к ОП, минуя процессор.
Способ формирования структуры ПЭВМ является достаточно логичным и естественным стандартом для данного класса ЭВМ.
Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ:
Модульность построения, магистральность, иерархия управления.
Модульность построения предполагает выделение в структуре ЭВМ достаточно автономных, функционально и конструктивно законченных устройств (процессор, модуль памяти, накопитель на жестком или гибком магнитном диске).
Модульная конструкция ЭВМ делает ее открытой системой, способной к адаптации и совершенствованию. К ЭВМ можно подключать дополнительные устройства, улучшая ее технические и экономические показатели. Появляется возможность увеличения вычислительной мощности, улучшения структуры путем замены отдельных устройств на более совершенные, изменения и управления конфигурацией системы, приспособления ее к конкретным условиям применения в соответствии с требованиями пользователей.
В современных ЭВМ принцип децентрализации и параллельной работы распространен как на периферийные устройства, так и на сами ЭВМ (процессоры). Появились вычислительные системы, содержащие несколько вычислителей (ЭВМ или процессоры), работающие согласованно и параллельно. Внутри самой ЭВМ произошло еще более резкое разделение функций между средствами обработки. Появились отдельные специализированные процессоры, например сопроцессоры, выполняющие обработку чисел с плавающей точкой, матричные процессоры и др.
Все существующие типы ЭВМ выпускаются семействами, в которых различают старшие и младшие модели. Всегда имеется возможность замены более слабой модели на более мощную. Это обеспечивается информационной, аппаратурной и программной совместимостью. Программная совместимость в семействах устанавливается по принципу снизу-вверх, т.е. программы, разработанные для ранних и младших моделей, могут обрабатываться и на старших, но не обязательно наоборот.
Модульность структуры ЭВМ требует стандартизации и унификации оборудования, номенклатуры технических и программных средств, средств сопряжения - интерфейсов, конструктивных решений, унификации типовых элементов замены, элементной базы и нормативно-технической документации. Все это способствует улучшению технических и эксплуатационных характеристик ЭВМ, росту технологичности их производства.
Децентрализация управления предполагает иерархическую организацию структуры ЭВМ. Централизованное управление осуществляет устройство управления главного, или центрального, процессора. Подключаемые к центральному процессору модули (контроллеры и КВВ) могут, в свою очередь, использовать специальные шины или магистрали для обмена управляющими сигналами, адресами и данными. Инициализация работы модулей обеспечивается по командам центральных устройств, после чего они продолжают работу по собственным программам управления. Результаты выполнения требуемых операций представляются ими “вверх по иерархии” для правильной координации всех работ.
Иерархический принцип построения и управления характерен не только для структуры ЭВМ в целом, но и для отдельных ее подсистем. Например, по этому же принципу строится система памяти ЭВМ.
Так, с точки зрения пользователя желательно иметь в ЭВМ оперативную память большой информационной емкости и высокого быстродействия. Однако одноуровневое построение памяти не позволяет одновременно удовлетворять этим двум противоречивым требованиям. Поэтому память современных ЭВМ строится по многоуровневому, пирамидальному принципу.
В состав процессоров может входить сверхоперативное запоминающее устройство небольшой емкости, образованное несколькими десятками регистров с быстрым временем доступа (единицы нс). Здесь обычно хранятся данные, непосредственно используемые в обработке.
Следующий уровень образует кэш-память или память блокнотного типа. Она представляет собой буферное запоминающее устройство, предназначенное для хранения активных страниц объемом десятки и сотни Кбайтов. Время обращения к данным составляет 10-20 нс, при этом может использоваться ассоциативная выборка данных. Кэш-память, как более быстродействующая ЗУ, предназначается для ускорения выборки команд программы и обрабатываемых данных. Сами же программы пользователей и данные к ним размещаются в оперативном запоминающем устройстве (емкость - миллионы машинных слов, время выборки - до 100 нс).
Часть машинных программ, обеспечивающих автоматическое управление вычислениями и используемых наиболее часто, может размещаться в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ). На более низких уровнях иерархии находятся внешние запоминающие устройства на магнитных носителях:
на жестких и гибких магнитных дисках, магнитных лентах, магнитооптических дисках и др. Их отличает более низкое быстродействие и очень большая емкость.
Организация заблаговременного обмена информационными потоками между ЗУ различных уровней при децентрализованном управлении ими позволяет рассматривать иерархию памяти как единую абстрактную кажущуюся (виртуальную) память. Согласованная работа всех уровней обеспечивается под управлением программ операционной системы. Пользователь имеет возможность работать с памятью, намного превышающей емкость ОЗУ. ,
Децентрализация управления и структуры ЭВМ позволила перейти к более сложным многопрограммным (мультипрограммным) режимам. При этом в ЭВМ одновременно может обрабатываться несколько программ пользователей.
В ЭВМ, имеющих один процессор, многопрограммная обработка является кажущейся. Она предполагает параллельную работу отдельных устройств, задействованных в вычислениях по различным задачам пользователей. Например, компьютер может производить распечатку каких-либо документов и принимать сообщения, поступающие по каналам связи. Процессор при этом может производить обработку данных по третьей программе, а пользователь - вводить данные или программу для новой задачи, слушать музыку и т.п.
В ЭВМ или вычислительных системах, имеющих несколько процессоров обработки, многопрограммная работа может быть более глубокой. Автоматическое управление вычислениями предполагает усложнение структуры за счет включения в ее состав систем и блоков, разделяющих различные вычислительные процессы друг от друга, исключающие возможность возникновения взаимных помех и ошибок (системы прерываний и приоритетов, защиты памяти). Самостоятельного значения в вычислениях они не имеют, но являются необходимым элементом структуры для обеспечения этих вычислений.
Как видно, полувековая история развития ЭВТ дала не очень широкий спектр основных структур ЭВМ. Все приведенные структуры не выходят за пределы классической структуры фон Неймана. Их объединяют следующие Традиционные признаки [53]:

·          ядро ЭВМ образует процессор - единственный вычислитель в структуре, дополненный каналами обмена информацией и памятью;

·          линейная организация ячеек всех видов памяти фиксированного размера;

·          одноуровневая адресация ячеек памяти, стирающая различия между всеми типами информации;

·          внутренний машинный язык низкого уровня, при котором команды содержат элементарные операции преобразования простых операндов;

·          последовательное централизованное управление вычислениями;

·          достаточно примитивные возможности устройств ввода-вывода. Несмотря на все достигнутые успехи, классическая структура ЭВМ не обеспечивает возможностей дальнейшего увеличения производительности. Наметился кризис, обусловленный рядом существенных недостатков:

·          плохо развитые средства обработки нечисловых данных (структуры, символы, предложения, графические образы, звук, очень большие массивы данных и др.);

·          несоответствие машинных операций операторам языков высокого уровня;

·          примитивная организация памяти ЭВМ;

·          низкая эффективность ЭВМ при решении задач, допускающих параллельную обработку и т.п.
Все эти недостатки приводят к чрезмерному усложнению комплекса программных средств, используемого для подготовки и решения задач пользователей.
В ЭВМ будущих поколений, с использованием в них “встроенного искусственного интеллекта”, предполагается дальнейшее усложнение структуры; В-первую очередь это касается совершенствования процессов общения пользователей с ЭВМ (использование аудио-, видеоинформации, систем мультимедиа и др.) , обеспечения доступа к базам данных и базам знаний, организации параллельных вычислений. Несомненно, что этому должны соответствовать новые параллельные структуры с новыми принципами их построения. В качестве примера укажем, что самая быстрая ЭВМ фирмы IBM в настоящее время обеспечивает быстродействие 600 MIPS (миллионов команд в секунду), самая же большая гиперкубическая система nCube дает быстродействие 123.103 MBPS. Расчеты показывают, что стоимость одной машинной операции в гиперсисте-ме примерно в тысячу раз меньше. Вероятно, подобными системами будут обслуживаться большие информационные хранилища.

Архитектура системы команд. Классификация процессоров (CISC и RISC)
Как уже было отмечено, архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов.
Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000.
Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.
Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer). Зачатки этой архитектуры уходят своими корнями к компьютерам CDC6600, разработчики которых (Торнтон, Крэй и др.) осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Эту традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research. Однако окончательно понятие RISC в современном его понимании сформировалось на базе трех исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.
Разработка экспериментального проекта компании IBM началась еще в конце 70-х годов, но его результаты никогда не публиковались и компьютер на его основе в промышленных масштабах не изготавливался. В 1980 году Д.Паттерсон со своими коллегами из Беркли начали свой проект и изготовили две машины, которые получили названия RISC-I и RISC-II. Главными идеями этих машин было отделение медленной памяти от высокоскоростных регистров и использование регистровых окон. В 1981году Дж.Хеннесси со своими коллегами опубликовал описание стенфордской машины MIPS, основным аспектом разработки которой была эффективная реализация конвейерной обработки посредством тщательного планирования компилятором его загрузки.
Эти три машины имели много общего. Все они придерживались архитектуры, отделяющей команды обработки от команд работы с памятью, и делали упор на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата.
Среди других особенностей RISC-архитектур следует отметить наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 - 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.
Ко времени завершения университетских проектов (1983-1984 гг.) обозначился также прорыв в технологии изготовления сверхбольших интегральных схем. Простота архитектуры и ее эффективность, подтвержденная этими проектами, вызвали большой интерес в компьютерной индустрии и с 1986 года началась активная промышленная реализация архитектуры RISC. К настоящему времени эта архитектура прочно занимает лидирующие позиции на мировом компьютерном рынке рабочих станций и серверов.
Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд. Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники для повышения производительности, обычно применяемой в процессорах RISC: реализацию задержанных переходов и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.
Следует отметить, что в последних разработках компании Intel (имеется в виду Pentium P54C и процессор следующего поколения P6), а также ее последователей-конкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются. Однако сложность архитектуры и системы команд x86 остается и является главным фактором, ограничивающим производительность процессоров на ее основе.
Методы адресации и типы данных
Методы адресации
В машинах к регистрами общего назначения метод (или режим) адресации объектов, с которыми манипулирует команда, может задавать константу, регистр или ячейку памяти. Для обращения к ячейке памяти процессор прежде всего должен вычислить действительный или эффективный адрес памяти, который определяется заданным в команде методом адресации.
На рис. 4.1 представлены все основные методы адресации операндов, которые реализованы в компьютерах, рассмотренных в настоящем обзоре. Адресация непосредственных данных и литеральных констант обычно рассматривается как один из методов адресации памяти (хотя значения данных, к которым в этом случае производятся обращения, являются частью самой команды и обрабатываются в общем потоке команд). Адресация регистров, как правило, рассматривается отдельно. В данном разделе методы адресации, связанные со счетчиком команд (адресация относительно счетчика команд) рассматриваются отдельно. Этот вид адресации используется главным образом для определения программных адресов в командах передачи управления.
На рисунке на примере команды сложения (Add) приведены наиболее употребительные названия методов адресации, хотя при описании архитектуры в документации разные производители используют разные названия для этих методов. На этом рисунке знак "(" используется для обозначения оператора присваивания, а буква М обозначает память (Memory). Таким образом, M[R1] обозначает содержимое ячейки памяти, адрес которой определяется содержимым регистра R1.
Использование сложных методов адресации позволяет существенно сократить количество команд в программе, но при этом значительно увеличивается сложность аппаратуры. Возникает вопрос, а как часто эти методы адресации используются в реальных программах? На рис. 4.2 представлены результаты измерений частоты использования различных методов адресации на примере трех популярных программ (компилятора с языка Си GCC, текстового редактора TeX и САПР Spice), выполненных на компьютере VAX.
Метод адресации
Пример команды
Смысл команды метода Использование

Регистровая
Add R4,R3
R4(R4+R5 Требуемое значение в регистре

Непосредственная или литеральная
Add R4,#3
R4(R4+3 Для задания констант

Базовая со смещением
Add R4,100(R1)
R4(R4+M[100+R1] Для обращения к локальным переменным

Косвенная регистровая
Add R4,(R1)
R4(R4+M[R1] Для обращения по указателю или вычисленному адресу

Индексная
Add R3,(R1+R2)
R3(R3+M[R1+R2] Иногда полезна при работе с массивами: R1 - база, R3 - индекс

Прямая или абсолютная
Add R1,(1000)
R1(R1+M[1000] Иногда полезна для обращения к статическим данным

Косвенная
Add R1,@(R3)
R1(R1+M[M[R3]] Если R3-адрес указателя p, то выбирается значение по этому указателю

Автоинкрементная
Add R1,(R2)+
R1(R1+M[R2] R2(R2+d Полезна для прохода в цикле по массиву с шагом: R2 - начало массива В каждом цикле R2 получает приращение d

Автодекрементная
Add R1,(R2)-
R2(R2-d R1(R1+M[R2] Аналогична предыдущей Обе могут использоваться для реализации стека

Базовая индексная со смещением и масштабированием
Add R1,100(R2)[R3]
R1( R1+M[100]+R2+R3*d Для индексации массивов

Рис. 4.1. Методы адресации
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 4.2. Частота использования различных методов адресации на программах TeX, Spice, GCC
Из этого рисунка видно, что непосредственная адресация и базовая со смещением доминируют.
При этом основной вопрос, который возникает для метода базовой адресации со смещением, связан с длиной (разрядностью) смещения. Выбор длины смещения в конечном счете определяет длину команды. Результаты измерений показали, что в подавляющем большинстве случаев длина смещения не превышает16 разрядов.
Этот же вопрос важен и для непосредственной адресации. Непосредственная адресация используется при выполнении арифметических операций, операций сравнения, а также для загрузки констант в регистры. Результаты анализа статистики показывают, что в подавляющем числе случаев 16 разрядов оказывается вполне достаточно (хотя для вычисления адресов намного реже используются и более длинные константы).
Важным вопросом построения любой системы команд является оптимальное кодирование команд. Оно определяется количеством регистров и применяемых методов адресации, а также сложностью аппаратуры, необходимой для декодирования. Именно поэтому в современных RISC-архитектурах используются достаточно простые методы адресации, позволяющие резко упростить декодирование команд. Более сложные и редко встречающиеся в реальных программах методы адресации реализуются с помощью дополнительных команд, что вообще говоря приводит к увеличению размера программного кода. Однако такое увеличение длины программы с лихвой окупается возможностью простого увеличения тактовой частоты RISC-процессоров. Этот процесс мы можем наблюдать сегодня, когда максимальные тактовые частоты практически всех RISC-процессоров (Alpha, R4400, Hyper SPARC и Power2) превышают тактовую частоту, достигнутую процессором Pentium.
Типы команд
Команды традиционного машинного уровня можно разделить на несколько типов, которые показаны на рис. 4.3.
Тип операции
Примеры

Арифметические и логические
Целочисленные арифметические и логические операции: сложение, вычитание, логическое сложение, логическое умножение и т.д.

Пересылки данных
Операции загрузки/записи

Управление потоком команд
Безусловные и условные переходы, вызовы процедур и возвраты

Системные операции
Системные вызовы, команды управления виртуальной памятью и т.д.

Операции с плавающей точкой
Операции сложения, вычитания, умножения и деления над вещественными числами

Десятичные операции
Десятичное сложение, умножение, преобразование форматов и т.д.

Операции над строками
Пересылки, сравнения и поиск строк

Рис. 4.3. Основные типы команд
Команды управления потоком команд
В английском языке для указания команд безусловного перехода, как правило, используется термин jump, а для команд условного перехода - термин branch, хотя разные поставщики необязательно придерживаются этой терминологии. Например компания Intel использует термин jump и для условных, и для безусловных переходов. Можно выделить четыре основных типа команд для управления потоком команд: условные переходы, безусловные переходы, вызовы процедур и возвраты из процедур.
Частота использования этих команд по статистике примерно следующая. В программах доминируют команды условного перехода. Среди указанных команд управления на разных программах частота их использования колеблется от 66 до 78%. Следующие по частоте использования - команды безусловного перехода (от 12 до 18%). Частота переходов на выполнение процедур и возврата из них составляет от 10 до 16%.
При этом примерно 90% команд безусловного перехода выполняются относительно счетчика команд. Для команд перехода адрес перехода должен быть всегда заранее известным. Это не относится к адресам возврата, которые не известны во время компиляции программы и должны определяться во время ее работы. Наиболее простой способ определения адреса перехода заключается в указании его положения относительно текущего значения счетчика команд (с помощью смещения в команде), и такие переходы называются переходами относительно счетчика команд. Преимуществом такого метода адресации является то, что адреса переходов, как правило, расположены недалеко от текущего адреса выполняемой команды и указание относительно текущего значения счетчика команд требует небольшого количества бит в смещении. Кроме того, использование адресации относительно счетчика команд позволяет программе выполняться в любом месте памяти, независимо от того, куда она была загружена. То есть этот метод адресации позволяет автоматически создавать перемещаемые программы.
Реализация возвратов и переходов по косвенному адресу, в которых адрес не известен во время компиляции программы, требует методов адресации, отличных от адресации относительно счетчика команд. В этом случае адрес перехода должен определяться динамически во время работы программы. Наиболее простой способ заключается в указании регистра для хранения адреса возврата, либо для перехода может разрешаться любой метод адресации для вычисления адреса перехода.
Одним из ключевых вопросов реализации команд перехода состоит в том, насколько далеко целевой адрес перехода находится от самой команды перехода? И на этот вопрос статистика использования команд дает ответ: в подавляющем большинстве случаев переход идет в пределах 3 - 7 команд относительно команды перехода, причем в 75% случаев выполняются переходы в направлении увеличения адреса, т.е. вперед по программе.
Поскольку большинство команд управления потоком команд составляют команды условного перехода, важным вопросом реализации архитектуры является определение условий перехода. Для этого используются три различных подхода. При первом из них в архитектуре процессора предусматривается специальный регистр, разряды которого соответствуют определенным кодам условий. Команды условного перехода проверяют эти условия в процессе своего выполнения. Преимуществом такого подхода является то, что иногда установка кода условия и переход по нему могут быть выполнены без дополнительных потерь времени, что, впрочем, бывает достаточно редко. А недостатками такого подхода является то, что, во-первых, появляются новые состояния машины, за которыми необходимо следить (упрятывать при прерывании и восстанавливать при возврате из него). Во-вторых, и что очень важно для современных высокоскоростных конвейерных архитектур, коды условий ограничивают порядок выполнения команд в потоке, поскольку их основное назначение заключается в передаче кода условия команде условного перехода.
Второй метод заключается в простом использовании произвольного регистра (возможно одного выделенного) общего назначения. В этом случае выполняется проверка состояния этого регистра, в который предварительно помещается результат операции сравнения. Недостатком этого подхода является необходимость выделения в программе для анализа кодов условий специального регистра.
Третий метод предполагает объединение команды сравнения и перехода в одной команде. Недостатком такого подхода является то, что эта объединенная команда довольно сложна для реализации (в одной команде надо указать и тип условия, и константу для сравнения и адрес перехода). Поэтому в таких машинах часто используется компромиссный вариант, когда для некоторых кодов условий используются такие команды, например, для сравнения с нулем, а для более сложных условий используется регистр условий. Часто для анализа результатов команд сравнения для целочисленных операций и для операций с плавающей точкой используется разная техника, хотя это можно объяснить и тем, что в программах количество переходов по условиям выполнения операций с плавающей точкой значительно меньше общего количества переходов, определяемых результатами работы целочисленной арифметики.
Одним из наиболее заметных свойств большинства программ является преобладание в них сравнений на условие равно/неравно и сравнений с нулем. Поэтому в ряде архитектур такие команды выделяются в отдельный поднабор, особенно при использовании команд типа "сравнить и перейти".
Говорят, что переход выполняется, если истинным является условие, которое проверяет команда условного перехода. В этом случае выполняется переход на адрес, заданный командой перехода. Поэтому все команды безусловного перехода всегда выполняемые. По статистике оказывается, что переходы назад по программе в большинстве случаев используются для организации циклов, причем примерно 60% из них составляют выполняемые переходы. В общем случае поведение команд условного перехода зависит от конкретной прикладной программы, однако иногда сказывается и зависимость от компилятора. Такие зависимости от компилятора возникают вследствие изменений потока управления, выполняемого оптимизирующими компиляторами для ускорения выполнения циклов.
Вызовы процедур и возвраты предполагают передачу управления и возможно сохранение некоторого состояния. Как минимум, необходимо уметь где-то сохранять адрес возврата. Некоторые архитектуры предлагают аппаратные механизмы для сохранения состояния регистров, в других случаях предполагается вставка в программу команд самим компилятором. Имеются два основных вида соглашений относительно сохранения состояния регистров. Сохранение вызывающей (caller saving) программой означает, что вызывающая процедура должна сохранять свои регистры, которые она хочет использовать после возврата в нее. Сохранение вызванной процедурой предполагает, что вызванная процедура должна сохранить регистры, которые она собирается использовать. Имеются случаи, когда должно использоваться сохранение вызывающей процедурой для обеспечения доступа к глобальным переменным, которые должны быть доступны для обеих процедур.
Типы и размеры операндов
Имеется два альтернативных метода определения типа операнда. В первом из них тип операнда может задаваться кодом операции в команде. Это наиболее употребительный способ задания типа операнда. Второй метод предполагает указание типа операнда с помощью тега, который хранится вместе с данными и интерпретируется аппаратурой во время выполнения операций над данными. Этот метод использовался, например, в машинах фирмы Burroughs, но в настоящее время он практически не применяется и все современные процессоры пользуются первым методом.
Обычно тип операнда (например, целый, вещественный с одинарной точностью или символ) определяет и его размер. Однако часто процессоры работают с целыми числами длиною 8, 16, 32 или 64 бит. Как правило целые числа представляются в дополнительном коде. Для задания символов (1 байт = 8 бит) в машинах компании IBM используется код EBCDIC, но в машинах других производителей почти повсеместно применяется кодировка ASCII. Еще до сравнительно недавнего времени каждый производитель процессоров пользовался своим собственным представлением вещественных чисел (чисел с плавающей точкой). Однако за последние несколько лет ситуация изменилась. Большинство поставщиков процессоров в настоящее время для представления вещественных чисел с одинарной и двойной точностью придерживаются стандарта IEEE 754.
В некоторых процессорах используются двоично кодированные десятичные числа, которые представляются в в упакованном и неупакованном форматах. Упакованный формат предполагает, что для кодирования цифр 0-9 используются 4 разряда и что две десятичные цифры упаковываются в каждый байт. В неупакованном формате байт содержит одну десятичную цифру, которая обычно изображается в символьном коде ASCII.
В большинстве процессоров, кроме того, реализуются операции над цепочками (строками) бит, байт, слов и двойных слов.


























Лекция 4. Центральный процессор ЭВМ
Принципы построения элементарного процессора. Операционные устройства. Управляющие устройства. Структура базового микропроцессора. Взаимодействие элементов при работе микропроцессора.

Принципы построения элементарного процессора
Ранее, при рассмотрении обобщенной структуры ЭВМ, отмечалось, что основным устройством, непосредственно осуществляющим переработку поступающей в ЭВМ информации, является процессор (в больших ЭВМ – центральный процессор). Естественно, что конкретные типы ЭВМ содержат в своем составе процессоры, построенные по различным схемам, и процессоры больших ЭВМ существенно отличаются от процессоров мини- и микроЭВМ (о суперЭВМ и говорить не приходится). Однако основные принципы построения процессоров, в общем-то, одинаковые, причем наиболее наглядно их можно продемонстрировать на примере простейшего микропроцессора. Это оправдано и с той точки зрения, что инженер-разработчик радиоэлектронной аппаратуры или аппаратов автоматического управления имеет дело не с большими ЭВМ, а с микропроцессорными комплектами и построенными на их базе мини- и микроЭВМ. Ввиду этого рассмотрев общие вопросы построения ЭВМ, более подробно остановимся на обобщенной структуре гипотетического микропроцессора.
Ранее рассматривались действия над числами (сложение, вычитание, умножение), представленными в различной форме. Было подчеркнуто, что все эти действия осуществляются с помощью элементарных операций, выполняемых в определенной последовательности.
К таким элементарным операциям относятся:
запись числа в регистр;
инвертирование содержимого разрядов регистра;
пересылка содержимого регистров;
сдвиг содержимого регистра;
сложение кодов;
поразрядные логические операции или анализ разрядов;
операция счета с+1 или с-1 (инкремент или декремент).

Пример.
Операция умножения реализуется с помощью:
анализа разряда множителя;
суммирования;
сдвига.
Все эти действия выполняются в устройстве, называемом процессором, которое состоит из двух устройств – операционного (ОУ) и управляющего (УУ).
ОУ – выполняет указанные элементарные операции.
УУ – управляет ОУ, задавая необходимую последовательность выполнения этих операций.
Это соответствует принципу В.М. Глушкова, что в любом устройстве обработки цифровой информации можно выделить операционный и управляющий блоки.
В качестве узлов УУ и ОУ включают в себя регистры, счетчики, сумматоры, мультиплексоры, дешифраторы и т.д., т.е. устройства импульсной цифровой техники. Кроме того, нормальное функционирование процессора и всей ЭВМ возможно только при наличии высокостабильных импульсных последовательностей, формируемых, как правило, из одной импульсной последовательности, вырабатываемой кварцевым генератором. Эти тактовые импульсные последовательности синхронизируют работу узлов процессора, а иногда и всей ЭВМ.
Обобщенная структура любого процессора изображена на рис. 3.1.
Каждая элементарная операция, выполняемая в одном из узлов ОУ в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.
В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций, например: R2 ( 0, Сч ( (Сч) – 1 и т.д. Такая совокупность непротиворечивых микроопераций называется микрокомандой, а набор микрокоманд, предназначенный для решения задачи, называется микропрограммой.
Если в ОУ предусмотрена возможность выполнения n различных микроопераций, то из УУ должно выходить n управляющих цепей S1,...,Sn, каждая из которых соответствует своей микрооперации. В силу того что УУ определяет микропрограмму, т.е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммного автомата. Соответственно ОУ часто называют операционным автоматом.




















Формирование управляющих сигналов S1,...,Sn может зависеть как от внешних сигналов КОП (команды ассемблера), так и от состояния узлов ОУ, определяемого известительными сигналами признаков состояния P1,...,Pm, поступающими с выхода ОУ на соответствующие входы УУ.
Как уже отмечалось, ОУ выполняет над исходными данными различные арифметические и логические операции, поэтому ОУ наиболее часто называют арифметико-логическим устройством, или АЛУ.
Деление любого процессора на программный и операционный автоматы достаточно очевидно и не вызывает особых трудностей в понимании. Однако структурные схемы даже простейших реальных процессоров, помимо АЛУ и УУ, содержат еще ряд узлов (регистров, счетчиков, дешифраторов), которые вроде бы не относятся ни к АЛУ, ни к УУ. Для устранения путаницы в дальнейшем материале необходимо сделать ряд замечаний:
В абсолютном большинстве случаев устройства обработки цифровой информации имеют многоуровневую структуру, т.е. построены по принципу "матрешки". Это означает, что УУ и ОУ могут сами распадаться на пары УУ' и ОУ', которые, в свою очередь, также могут распадаться на соответствующие УУ и ОУ. Все зависит от степени детализации рассмотрения данного цифрового устройства. Этот принцип многоуровневости справедлив для всех устройств ЭВМ.
Действительно, если рассматривать процессор в целом и делить его на УУ и ОУ, то совершенно безразлично, как выполняются арифметико-логические операции в ОУ – с помощью очень сложных логических схем или с помощью простой логики, работающей под управлением какого-либо вспомогательного УУ. Аналогичные рассуждения справедливы и для УУ.
Так, например, центральный процессор больших ЭВМ общего назначения середины 70-х годов разбивался на 4-5 уровней, на каждом из которых можно выделить свое УУ и ОУ. Современные процессоры имеют еще более сложную структуру.
Более того, эти рассуждения справедливы в целом для ЭВМ, которую можно разложить на ряд виртуальных (кажущихся) машин и с каждой работать на соответствующем уровне. В общем случае современные универсальные ЭВМ имеют шесть уровней:
уровень проблемно-ориентированного языка;
процедурно-ориентированный язык;
ассемблерный уровень (язык ассемблера);
уровень операционной системы (язык операционной системы);
традиционный машинный уровень (язык машинных команд);
микропрограммный уровень (язык микрокоманд).
Машинные языки двух нижних уровней являются цифровыми, и программы на них состоят из длинных числовых последовательностей, очень неудобных для человека, но понятных машине. Все более высокие уровни содержат слова и аббревиатуру, что более удобно для человека.
Из сказанного следует, что только самые простейшие процессоры имеют один уровень и могут быть в чистом виде разложены на УУ и ОУ, состоящие из комбинационных логических схем, способных выполнять элементарные арифметико-логические операции.
В настоящее время нет строгого определения АЛУ, что вызывает некоторую путаницу при пользовании различной литературой. АЛУ обычно обозначают так, как показано на рис. 3.2. При этом одни авторы подразумевают под АЛУ только комбинационные логические схемы, способные выполнять операции двоичного суммирования (т.е. фактически двоичный сумматор), другие – целый комплекс схем для выполнения арифметико-логических операций, который сам может быть разложен на УУ и ОУ.












Из сказанного следует вывод, что в общем случае понятия микрооперации и микропрограммы относительны и требуют конкретизации уровня рассмотрения процессора, поскольку один такт верхнего уровня может включать в себя несколько тактов нижнего уровня.
Для устранения путаницы при изучении основных принципов построения элементарных процессоров будем считать:
процессор имеет один уровень;
процессор пользуется одной тактовой последовательностью;
значок АЛУ (см. рис. 3.2) обозначает комплекс комбинационных схем, способных выполнять двоичное суммирование, сдвиг двоичного числа, простейшие поразрядные логические операции;
узлы микропроцессора, не относящиеся непосредственно к схеме управления, будем считать вспомогательными узлами АЛУ, или, точнее, узлами, обеспечивающими нормальное функционирование АЛУ.
3.1. Операционные устройства (АЛУ)
В разделе "Представление информации в ЭВМ" было показано, что различные арифметические операции над числами (представленными, кроме, того в различной кодировке) требуют существенно различных последовательностей микроопераций. Кроме того, очевидно, что чем многофункциональнее электронное устройство, тем сложнее его структура (больше элементов) и тем медленнее оно работает. С другой стороны, функции такого сложного устройства может выполнить набор более простых и быстродействующих устройств, однако аппаратурные затраты и цена будут выше.
В общем случае операции, выполняемые в АЛУ, можно разделить на следующие группы:
операции двоичной арифметики для ЧФЗ;
операции двоичной (шестнадцатеричной) арифметики для ЧПЗ;
операции десятичной арифметики;
логические операции;
операции индексной арифметики (при модификации адресов команд);
операции специальной арифметики:нормализация чисел, арифметический сдвиг (сдвигаются только цифровые разряды без знакового), логический сдвиг (сдвигаются все разряды) и т.д..
ЭВМ общего назначения обычно реализуют операции приведенных выше групп, но делают это по-разному, в зависимости от типа АЛУ, используемого в процессоре.
АЛУ подразделяется на блочные и многофункциональные.
В блочных АЛУ (рис. 3.3) перечисленные группы операций выполняются в отдельных электронных блоках, при этом повышается скорость работы, так как блоки могут параллельно выполнять соответствующие операции. Кроме того, специализированный блок всегда выполняет операции быстрее, чем универсальный перенастраиваемый блок.












Блочные АЛУ характерны для больших ЭВМ, где главным является максимальное быстродействие, а не аппаратные затраты и стоимость. Простейшие сопроцессоры в микроЭВМ, выполняющие операции с ЧПЗ, также можно рассматривать как специализированные блоки, поэтому АЛУ микроЭВМ с сопроцессорами можно иногда рассматривать как блочные.
В многофункциональных АЛУ перечисленные группы операций выполняются одними и теми же схемами, которые коммутируются нужным образом в зависимости от требуемого режима работы. Такие АЛУ характерны для мини- и микроЭВМ, построенных на простых процессорах.
Существуют и другие структуры АЛУ (смешанные), находящиеся где-то между блочными и многофункциональными.
Следует иметь в виду, что часто ЭВМ, построенные на базе простейших микропроцессоров, имеют АЛУ, позволяющие выполнять только операции двоичной арифметики над ЧФЗ и некоторые логические операции. В этом случае остальные группы операций выполняются специальными подпрограммами, что сильно понижает скорость их выполнения.
Рассмотрим несколько подробнее структуру АЛУ простейшего процессора и определим минимально необходимый набор входящих в него устройств. Из изложенного выше следует, что в состав такого АЛУ должно входить устройство, выполняющее операции двоичного суммирования (сумматор). Кроме того, для хранения операндов и результата необходимо иметь, по крайней мере, три буферных регистра (регистры временного хранения). Однако в простейшем случае результат операции можно записывать в один из регистров временного хранения на место одного из операндов. Этот регистр принято называть аккумулятором, а процессор в целом – процессором аккумуляторного типа. Аккумулятор должен обязательно иметь двунаправленную связь с внутренней шиной данных процессора. (В более сложных АЛУ результат операции может быть записан по желанию программиста в любой из специально выделенных для этой цели регистр). Для выполнения арифметико-логических операций необходимо устройство, выполняющее сдвиги двоичных чисел (сдвигатель). И, наконец, необходим регистр, в котором хранятся некоторые признаки результата выполненной операции, необходимые для функционирования УУ (регистр признаков).
Структурная схема АЛУ простейшего микропроцессора аккумуляторного типа изображена на рис. 3.4.
Уже отмечалось, что АЛУ в целом и двоичный сумматор имеют одно обозначение. В соответствии со сделанными ранее замечаниями регистр временного хранения и аккумулятор можно считать вспомогательными узлами АЛУ.



















3.2. Управляющие устройства
Выше отмечалось, что УУ (рис. 3.5) управляет работой АЛУ путем выработки последовательности микрокоманд, необходимых для выполнения той или иной операции (+, -, /, * и т.д.). Порядок выполнения микрокоманд определен микропрограммой реализации операции, но может изменяться в зависимости от признаков операции, вырабатываемых в АЛУ (P1,...,Pm) и подаваемых на вход УУ.

















Микропрограммы могут иметь как линейную структуру, так и быть разветвленными, причем условные переходы осуществляются в соответствии с признаками P.
Технические реализации УУ даже простейших процессоров разнообразны. Однако в самом общем случае их различают по способу хранения микропрограмм. По этому критерию УУ подразделяются на УУ с жесткой (схемной) логикой и УУ с хранимой в специальной памяти микропрограммой. Если микропроцессорная память доступна программисту, то УУ являются микропрограммируемыми и позволяют изменить систему команд процессора. Если микропрограммная память не доступна, то процессор имеет неизменную систему команд, как и в случае УУ с жесткой логикой.
Данные варианты отличаются друг от друга принципами построения, аппаратными затратами, временем реализации микропрограмм, возможностью изменения последовательности микрокоманд, а следовательно, и системы команд процессора.
УУ современных процессоров во многих случаях комбинированные. Выполнением простых команд управляет быстродействующее УУ на жесткой логике, а выполнением сложных команд – более медленное УУ с микропрограммной памятью.
Ниже будут рассмотрены общие принципы построения обоих типов УУ.
3.2.1. УУ с жесткой логикой
УУ, построенные на жесткой логике (рис. 3.6), исторически появились первыми. Основным преимуществом таких УУ является их быстродействие. Именно поэтому абсолютное большинство специализированных процессоров, особенно предназначенных для обработки информации в режиме реального времени, имеют УУ на жесткой логике. Под специализированными понимаются процессоры, предназначенные для выполнения узкого набора специальных функций (обработка сигналов радиолокационных станций, преобразование Фурье, матричные операции, обработка сигналов в скоростных линиях связи и т.д.) с максимальной скоростью.
Однако и в процессорах общего назначения с универсальными наборами команд УУ на жесткой логике также используются очень широко, особенно, как уже отмечалось, для управления выполнением простых команд. Системы команд таких процессоров всегда фиксированные и не могут быть изменены пользователем. Подобные УУ иногда называют специализированными.
Специализированные УУ формируют неизменные последовательности сигналов управления (СУ).
Блок логических схем состоит из комбинационных схем, регистров, счетчиков, дешифраторов и других устройств, выполняющих функции запоминания текущего состояния автомата, определяющего СУ, и формирования следующего состояния в соответствии с входными признаками.
Микропрограмма в таком автомате хранится за счет системы жестких связей между узлами УУ. Для изменения микропрограммы требуется демонтаж жестких связей и создание новой схемы.




















Одним из недостатков УУ на жесткой логике является то, что любые изменения или модификации команд универсального процессора, требующие изменения микропрограмм, приведут к изменению структуры управляющего автомата, а следовательно, и топологии его внутренних связей. При производстве специализированных процессоров требуется весьма широкая номенклатура УУ (по числу решаемых задач) при относительно небольшой потребности в каждом конкретном типе. С точки зрения технологии микроэлектронного производства процессоров в виде БИС и СБИС указанный недостаток является весьма существенным. Увеличивается цена каждого выпущенного кристалла процессора за счет увеличения расходов на разработку новых топологий УУ и отладку технологии их производства.
Оптимальным решением этой проблемы явилось построение УУ на специализированных логических структурах с фиксированной топологией – программируемых логических матрицах (ПЛМ). ПЛМ является слоистой структурой, в каждом слое которой сосредоточены однотипные логические элементы. Топология связей построена таким образом, что на входы каждого элемента последующего слоя подаются выходные сигналы всех элементов предыдущего слоя. ПЛМ может выполняться как отдельная БИС, так и формироваться внутри кристалла процессора, являясь весьма удобным элементом для создания управляющих автоматов.
Обобщенная функциональная схема простейшей ПЛМ представлена на рис. 3.7.































При изготовлении ПЛМ образуется схема, допускающая множество вариантов обработки входных сигналов. Входные элементы позволяют иметь все входные переменные как в прямой, так и в инверсной форме. На входы любого элемента "И" поданы все входные переменные и их инверсии. Ко входам каждого элемента "ИЛИ" подключены выходы всех элементов "И". Наконец, выходные элементы позволяют получить любую из выходных функций в прямом или инверсном виде.
Программирование матрицы состоит в устранении ненужных связей с помощью фотошаблонов или выжиганием (подобно тому, как это делается в ПЗУ).
Программируя ПЛМ, можно реализовать нужные системы булевых функций. Это позволяет строить управляющие автоматы весьма сложной структуры. В силу своей сложности УУ, как правило, описывается большим количеством булевых функций многих переменных. Эти переменные, в свою очередь, часто бывают зависимыми, поэтому оказывается необходимой совместная минимизация системы булевых функций, реализуемой ПЛМ.
Рассмотренная выше функциональная схема иллюстрирует только саму идею построения ПЛМ. Структура же реально выпускаемых БИС достаточно разнообразна. Для построения управляющих автоматов наиболее удобны БИС, содержащие наряду с ПЛМ набор выходных триггеров.
Следующим поколением устройств типа ПЛМ являются ПЛИС – программируемые логические интегральные схемы, позволяющие программно скомпоновать в одном корпусе электронную схему, эквивалентную схеме, включающей от нескольких десятков до нескольких сотен ИС стандартной логики.
В настоящее время на мировом рынке доминируют несколько производителей ПЛИС – XILINX, ALTERA, LATTICE, AT&T, INTEL. Выпускаемые ими ПЛИС весьма разнообразны по сложности, назначению, многофункциональности и т.д., однако все они делятся на две большие группы – EPLD и FPGA.
EPLD – многократно программируемые для сохранения конфигурации используется ППЗУ с ультрафиолетовым стиранием).
FPGA – многократно реконфигурируемые для сохранения конфигурации используется статическое ОЗУ).
Фирмы-производители поставляют также полное инструментальное обеспечение для разработки и применения устройств на базе EPLD и FPGA с помощью персональных компьютеров.
3.2.2. УУ с хранимой в памяти логикой
Идея создания микропрограммного УУ возникла давно, в 1951г., но реализовать ее в полном объеме удалось сравнительно недавно – с появлением компактных устройств памяти на БИС. Обобщенная структурная схема микропрограммного УУ изображена на рис. 3.8.
В общем случае МК может задавать одну или несколько МО. Микропрограмма хранится в ПМК. Адрес МК формируется контроллером КПМК и запоминается в регистре адреса МК (РгАМК). МК считывается из памяти в регистр микрокоманды (РгМК). МК, в общем случае, имеет три поля – АСМК, КМО, КПР.
В последнее заносят признак разветвления в микропрограмме, который необходимо анализировать в КПМК. Адрес первой МК определяет КОП, т.е. происходит вызов соответствующей микроподпрограммы. АСМК может указываться в МК явным образом или формироваться естественным путем (при последовательной выборке МК). После выдачи СУ на ОУ происходит выполнение МК, после чего цикл (выборка-реализация) повторяется.

3.2.2.1. Выборка и выполнение МК
Возможны три варианта взаимного расположения циклов выборка-реализация.
Последовательный способ (рис. 3.9, а).
В этом случае выборка следующей МКi+1 не инициируется до момента окончания предыдущей МКi. Достоинством метода является прежде всего простота организации МК-цикла.
Параллельный способ (конвейер МК) –рис. 3.9, б.
Имеет место совмещение этапов выборки МКi+1 и реализации МКi. При равенстве периодов выборки и реализации достигается сокращение МК-цикла теоретически в 2 раза.
Параллельно-последовательный способ (рис. 3.9, в).
Используется при наличии МК условной передачи управления, когда адрес следующей МК зависит от результата предыдущей МК. Выборка МКi+2, стоящей после МКi+1 условного перехода, возможна только после завершения МКi+1.


























Используются два основных способа адресации – принудительная и естественная.
Принудительная адресация сводится к тому, что в каждой микрокоманде, включая операционные, указывается адрес следующей за ней микрокоманды (рис. 3.10, а).
Естественная адресация характерна тем, что адрес следующей микрокоманды образуется путем увеличения адреса предыдущей микрокоманды на 1. Это позволяет исключить поле адреса из операционных микрокоманд и уменьшить разрядность ПМК.
Для выполнения условных и безусловных переходов в микропрограмме используются управляющие микрокоманды, содержащие адрес перехода и поле признаков (КПР) при обоих типах адресации. Таким образом, операционные и управляющие микрокоманды должны различаться некоторым признаком (рис. 3.10, б и в). Признак ( определяет тип МК (например, ( = 1 – операционная).
Коротко остановимся на формировании адреса при естественной адресации. В КПМК есть специальный счетчик адреса микрокоманд (СчА), в котором в конечном итоге формируется адрес следующей микрокоманды. Алгоритм формирования адреса следующей МК зависит от ее типа, а именно:
операционная МК – после выборки МК СчА := СчА + 1;
управляющая МК – после выборки происходит проверка условия, заложенного в МК. Если условие выполняется, то СчА := АСМК, а если условие не выполняется, то СчА := СчА + 1.













3.2.2.3. Кодирование МК
Выбор способа кодирования микрокоманд представляет собой достаточно сложную задачу и зависит от структуры процессора и его целевого назначения, системы команд, быстродействия и т.д. Рассмотрим только основные способы кодирования микрокоманд.
Горизонтальное кодирование (рис. 3.11, а). Это простейший вариант кодирования микрокоманд, при котором каждый разряд поля кода микроопераций однозначно определяет управляющий сигнал для выполнения микрооперации.
Достоинство данного способа состоит в том, что он допускает работу нескольких устройств, т.е. параллельное выполнение ряда МО, что повышает быстродействие.
Недостаток способа – при большом наборе МО (от нескольких десятков до нескольких сотен) возрастает разрядность МК и, следовательно, разрядность ПМК.
Вертикальное кодирование (рис. 3.11, б). Это другой подход к кодированию МК с целью максимального сокращения разрядности поля КМО. В этом случае требуется дешифратор МО, который увеличивает временные задержки и, следовательно, время выполнения МО.

























Помимо увеличения времени на МО к недостаткам следует отнести невозможность параллельного выполнения МО.
Смешанное кодирование (рис. 3.11, в). Это кодирование устраняет основные недостатки, присущие горизонтальному и вертикальному кодированиям.
При таком кодировании в отдельных полях кода МО объединяют взаимоисключающие наборы для обеспечения параллельного выполнения МО с разных полей. Данный способ кодирования находит широкое применение в микропрограммных УУ.
Способы 1, 2, 3 – это прямые способы кодирования. Здесь каждое поле КМО формирует определенный набор управляющих сигналов, интерпретируемых всегда одинаковым образом.
Косвенное кодирование (рис. 3.11, г). Этот способ кодирования позволяет еще больше уменьшить разрядность МК. Здесь одно и то же поле можно использовать для формирования СУ для различных блоков, при этом его функции определяются другим полем.
На рис. 3.11 КМО1 кодирует одну из четырех групп МО, поле КМО2 определяет реализуемую в данной группе операцию.
Пример
00 – микрооперации в АЛУ;
01 – МО в памяти и регистрах контроллеров периферийных устройств;
10 – МО безусловного и условного переходов;
11 – константы для загрузки регистров и счетчиков.
КМО2 позволяет выполнить 64 МО в любой из указанных групп оборудования.
Недостатком такого способа кодирования является увеличение объема оборудования и, следовательно, дополнительных задержек при исполнении МО.
Рассмотренные способы кодирования являются одноуровневыми. На практике используют и многоуровневое кодирование (микрокоманды, нанокоманды и т. д.).
3.2.2.4. Синхронизация МК
С этой точки зрения МК делятся на однофазные и многофазные. При этом в МК может быть включен дополнительный разряд, определяющий тип синхронизации.
Достоинством однофазных МК (рис. 3.12, а) является простота технической реализации.
Многофазные МК (рис. 3.12, б) позволяют минимизировать число МК в памяти, упрощают выполнение сложных МК и связь между приемником и источником информации. Недостатком является увеличение объема оборудования для формирования многофазных синхросигналов.














Время выполнения некоторых МО бывает существенно меньше рабочего такта процессора (время выполнения одной МК), что позволяет при горизонтальном кодировании в одном такте выполнять не только совместимые, но и ряд несовместимых МО. Для этого рабочий такт процессора делят на подтакты (фазы), в каждом из которых выполняется одно или несколько элементарных действий (МО) по реализации МК.


5.2.1. Структура базового микропроцессора
Основу центрального процессора ПЭВМ составляет микропроцессор -обрабатывающее устройство, служащее для арифметических и логических преобразований данных, для организации обращения к ОП и ВнУ и для управления ходом вычислительного процесса. В настоящее время существует большое число разновидностей микропроцессоров, различающихся назначении, функциональными возможностями, структурой, исполнением. Чаще всего наиболее существенным, классификационным различием между ними является количество разрядов в обрабатываемой информационной единице:8-битовые, 16-битовые, 32-битовые и др.
К группе 8-битовых микропроцессоров относятся i8080, i8085 (с буквы i начинаются названия МП, выпускаемых фирмой Intel - INTegrated Electronics), Z80 (с буквы Z начинаются названия МП фирмы Zilog) и др. Наиболыпее распространение среди 16-битовых микропроцессоров поли i8086, i8088, 32-битовых - i80386, i80486, которые совместимы по идам и форматам данных снизу вверх. Эти микропроцессоры используются в различных модификациях ЮМ PC. Два из этих микропроцессоров: i8086 и i8088 по назначению и функционым возможностям одинаковы. Различаются они только разрядностью шины данных системной магистрали: МП i8086 имеет 16-битовую шину даных, а i8088 - 8-битовую. В связи с этим выборка команд и операндов из оперативной памяти производится за разное число машинных циклов. С точки зрения функциональных возможностей существенного значения эти различия не имеют, поэтому и упоминают о них, как правило, вместе: 8086/8088. Этот тип МП является базовым для IBM совместимых машин. Все последующие типы МП основываются на нем и лишь развивают его архитектуру.
МП 8086/8088 имеет базовую систему команд. В следующей модификации МП фирмы Intel - 80186 реализована расширенная система команд. Расширение системы команд продолжается во всех новых моделях, но кроме этого в каждой новой модели вводятся дополнительные архитектурные решения: в 80286 введены встроенный блок управления ОП, работающий в виртуальном режиме (что позволило увеличить предельно допустимый объем виртуальной памяти до 4 Гбайт при 16 Мбайт физической), и блоки, позволяющие реализовать мультизадачность: блок защиты ОП и блок проверки уровня привилегий, присваиваемых каждой задаче. Кроме того, во всех последующих моделях вводятся и совершенствуются средства, позволяющие повысить производительность МП: совершенствуются конвейер команд и встроенный блок управления ОП, вводятся микропрограммное управление операциями, прогнозирование переходов по командам условной передачи управления, скалярная архитектура ЦП (арифметический конвейер) и мультискалярная архитектура (несколько параллельно работающих арифметических конвейеров, одновременно выполняющих несколько машинных операций, благодаря чему появляется возможность за один такт МП выполнять более одной машинной операции). Начиная с 80486, в кристалле МП размещается арифметический сопроцессор для операций с плавающей точкой. Фирма Intel разработала специальный микропроцессор Over Drive, который предназначен для параллельной работы с основным микропроцессором (для этого на системной плате предусматривается специальное гнездо).
Все эти усовершенствования позволяют сделать персональную ЭВМ IBM PC мультипрограммной, многопользовательской (МП 80286 позволял работать с 10 терминалами; 80386 - с 60) и многозадачной. С помощью операционной системы стало возможным реализовать работу в режиме SVM (системы виртуальных машин), т.е. на одной ПЭВМ реализовать множество независимых виртуальных машин (МП 803 86 позволял в этом режиме реализовать работу до 60 пользователей, каждому из которых предоставлялась отдельная виртуальная ПЭВМ IBM PC на МП 8086).
Некоторые характеристики МП фирмы intel приведены в табл 5.1. В обозначениях микропроцессоров появились дополнительные элементы: буквы SL, SX, DX и цифры. Буквы обозначают:
SL - микропроцессор изготовлен для работы с пониженным потреблением энергии (питание на те или иные блоки МП подается только в те моменты, когда они включаются в работу, в результате снижается потребление энергии и увеличивается срок службы источников питания, сокращается выделение энергии в кристалле МП и снижается его температура, благодаря чему увеличивается срок службы микропроцессора);
SX - данный микропроцессор является переходным - длина машинного слова в нем осталась без изменения от предыдущей модели;
DX - длина машинного слова увеличена вдвое по сравнению с МП предыдущей модели.
Цифры обозначают, во сколько раз изменилась тактовая частота по сравнению с МП предыдущей модели. Иногда (при наличии модификаций) дополнительно указывается тактовая частота МП.
Разработан новый микропроцессор - Реntiun ММХ (MultiMedia Extention), в котором реализована архитектура вычислительных систем класса SIMD, введено 57 новых команд, необходимых для обработки аудио-, видео- и телекоммуникационной информации.
Таблица 5.1
Наименование МП
Тактовая частота, Мгц
Индекс iCOMP
Разрядность ШД (внутренняя/ внешняя)
Адресуемая память/ разрядность ША
Сопроцессор
Снижение потребления энергии
Примечание

8086
 
 
16/16
1 Мб/20
 
 
40000 транз

8088
 
 
16/8
l Мб/20
 
 
 

80286
 
 
16/16
16 Мб/24
 
 
130000 трата

80386SL
 
 
16/16
16 Мб/24
 
Есть
 

80386SX
 
 
32/32
16 Мб/24
 
 
 

80386DX
 
 
32/32
4 Г6/32
 
 
 

80486SL
 
 
32/32 .
4 Г6/32
Нет
Есть
 

80486SX
25
100
32/32
4 Г6/32
Нет
 
 

80486SX2
40
-
32/32
4 Г6/32
 
 
 

80486SX2
50
180
32/32
4 Г6/32
 
 
 

80486DX
 
 
32/32
4 Г6/32
Встр.
 
 

80486DX2
50
231
32/32
4 Г6/32
Встр.
 
1,2 млн транз.

80486DX2
66
297
32/32
4 Г6/32
Встр.
 
 

80486DX4
75
319
32/32
4 Г6/32
Встр.
 
 

80486DX4
100
435
32/32
4 Г6/32
Встр.
 
 

Over Drive
 
 
32/32
4 Г6/32
Встр.
 
Аналог 486DX2

Pentium
60
510
64,32/64
4 Г6/32
Встр.
 
6,7 млн транз.

Pentium
66
567
64,32/64
4 Г6/32
Встр.
 
 

Pentium
90
735
64,32/64
4 Г6/32
Встр.
 
 

Pentium
100
815
64,32/64
4 Г6/32
Встр.
 
 

Pentium
133
-
64,32/64
4 Г6/32
Встр.
 
 

Pentium
166
 
64,32/64
4 Г6/32
Встр.
 
 

Pentium Pro
о 150
 
 
 
 
 
 

Pentium Pro
о 200
 
 
 
 
 
 

Характеристики микропроцессоров фирмы Intel
В персональных ЭВМ нашли применение не только микропроцессоры фирмы Intel. Крупнейшими производителями аналогов микропроцессорам Intel (клонов) являются фирмы Cyrix и AMD.
Фирма Cyrix выпускает микропроцессоры М-1 и М-2, аналогичные Pentium, но превосходящие его по производительности. Так, М-1 с тактовой частотой 150 МГц по производительности эквивалентен МП Pentium с тактовой частотой 200 МГц.
Фирма AMD, завоевавшая около 30% рынка МП в России, выпускает микропроцессоры К-5 и К-6, являющиеся соответственно аналогами Pentium и Pentium Pro.
Структурная схема базовой модели МП фирмы Intel приведена на рис.5.5.


   Центральный процессор (CPU, от англ Central Processing Unit) это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.
Центральный процессор в общем случае содержит в себе
арифметико-логическое устройство;
шины данных и шины адресов;
регистры;
счетчики команд;
кэш очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);
математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.
Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.
В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.
Первый микропроцессор был выпущен в 1971 г фирмой Intel (США) - МП 4004 В настоящее время выпускается несколько сотен различных микропроцессоров, но наиболее популярными и распространенными являются микропроцессоры фирмы Intel и AMD.
Структура микропроцессора
   Устройство управления
Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством ПК. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины. Оно содержит:
Регистр команд - запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части МП, в блоке регистров команд
Дешифратор операций - логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов
Постоянное запоминающее устройство микропрограмм - хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операций в соответствии с кодом операции считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.
Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части МП)- устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров МПП.
Кодовые шины данных, адреса и инструкций - часть внутренней шины микропроцессора. В общем случае УУ формирует управляющие сигналы для выполнения следующих основных процедур:
выборки из регистра-счетчика адреса команды МПП адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;
выборки ИЗ ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;
расшифровки кода операции и признаков выбранной команды;
считывания из соответствующих расшифрованному коду операции ячеек ПЗУ микропрограмм управляющих сигналов (импульсов), определяющих во всех блоках машины процедуры выполнения заданной операции, и пересылки управляющих сигналов в эти блоки;
считывания из регистра команд и регистров МПП отдельных составляющих адресов операндов (чисел), участвующих в вычислениях, и формирования полных адресов операндов;
выборки операндов (по сформированным адресам ) и выполнения заданной операции обработки этих операндов;
записи результатов операции в память;
формирования адреса следующей команды программы.
   Арифметико-логическое устройство
Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.
Функционально АЛУ (рис 2) состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления (местного устройства управления).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. Функциональная схема АЛУ
Сумматор - вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.
Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр 1 (Pг1) имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Рг2)-разрядность слова.
При выполнении операции в Pгl помещается первое число, участвующее в операции, и по завершении операции - результат; в Рг2- второе число, участвующее в операции (по завершении операции информация в нем не изменяется). Регистр 1 может принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию с этих шин.
Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.
АЛУ выполняет арифметические операции (+,-,*, :)только над двоичной информацией с запятой, фиксированной после последнего разряда, т.е. только над целыми двоичными числами.
Выполнение операций над двоичными числами с плавающей запятой и над двоично-кодированными десятичными числами осуществляется или с привлечением математического сопроцессора, или по специально составленным программам.
   Микропроцессорная память
Микропроцессорная кэш-память - память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т.е. время, необходимое на поиск, запись или считывание информации из этой памяти, измеряется наносекундами).
Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно в ближайшие такты работы машины участвующей в вычислениях; МПП используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо основная не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания информации, необходимую для эффективной работы быстродействующего микропроцессора.
Микропроцессорная память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не менее машинного слова. Количество и разрядность регистров в разных микропроцессорах различны.
Регистры микропроцессора делятся на регистры общего назначения и специальные:
Специальные регистры применяются для хранения различных адресов (адреса команды, например), признаков результатов выполнения операций и режимов работы ПК (регистр флагов, например) и др.
Регистры общего назначения являются универсальными и могут использоваться для хранения любой информации, но некоторые из них тоже должны быть обязательно задействованы при выполнении ряда процедур.
   Интерфейсная часть микропроцессора
Интерфейсная часть МП предназначена для связи и согласования МП системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд.
Интерфейсная часть включает в свой состав адресные регистры МПП, узел формирования адреса, блок регистров команд, являющийся буфером команд в МП, внутреннюю интерфейсную шину МП и схемы управления шиной и портами ввода-вывода.
Порты ввода-вывода - это пункты системного интерфейса ПК, через которые МП обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у МП может быть 65536. Каждый порт имеет адрес - номер порча, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера.
Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти - для обмена данными и обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства (НЖМД, НГМД, клавиатура, принтер, сопроцессор и др.) имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.
Схема управления шиной и портами выполняет следующие функции:
формирование адреса порта и управляющей информации для него (переключение порта на прием пли передачу и др.),
прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии;
организацию сквозного канала в системном интерфейсе для данных между портом устройства ввода-вывода и МП.
Схема управления шиной и портами использует для связи с портами кодовые шины инструкций, адреса и данных системной шины: при доступе к порту МП посылает сигнал по ЮПИ, которым оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на КША является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. То устройство, адрес порта которого совпадает, дает ответ о готовности, после чего по КШД осуществляется обмен данными.



[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.5.5. Структурная схема микропроцессора
Условно микропроцессор можно разделить на две части: исполнительный блок (Execution Unit - EU) и устройство сопряжения с системной магистралью (Bus Interface Unit - ВШ).
В исполнительном блоке находятся: арифметический блок и регистры общего назначения (РОН). Арифметический блок включает арифметико-логическое устройство, вспомогательные регистры для хранения операндов и регистр флагов.
Восемь регистров исполнительного блока МП (АХ, ВХ, СХ, DX, SP, ВР, SI, DI), имеющих длину, равную машинному слову, делятся на две группы. Первую группу составляют регистры общего назначения: АХ, ВХ, СХ и DX, каждый из которых представляет собой регистровую пару, составленную из двух регистров длиной в 0.5 машинного слова: аккумулятор, или регистр АХ состоит из регистров АН и AL. Регистр базы (Base Register) ВХ состоит из регистров ВН и BL. Счетчик (Count Register) СХ включает регистры СН и CL. Регистр данных (Data Register) DX содержит регистры DH и DL. Каждый из коротких регистров может использоваться самостоятельно или в составе регистровой пары. Условные названия (аккумулятор, регистр базы, счетчик, регистр данных) не ограничивают применения этих регистров - эти названия говорят о наиболее частом использовании их или об особенности использования того или иного регистра в той иди иной команде.
Вторую группу составляют адресные регистры SP, BP, SI и DI (в старших моделях количество адресных регистров увеличено). Эти регистры активно используются по функциональному назначению и в других целях их применятъ не рекомендуется. В качестве адресного регистра часто используется РОН ВХ. Программно допускается использование регистров BP, DI и SI в качестве регистров для хранения операндов, но отдельные байты в этих регистрах недоступны. Основное их назначение - хранить числовые значения, реализуемые при формировании адресов операндов.
Устройство сопряжения с системной магистралью содержит управляющие регистры, конвейер команд, АЛУ команд, устройство управления исполнительным блоком МП и интерфейс памяти (соединяющий внутреннюю магистраль МП с системной магистралью ПЭВМ).
Управляющие регистры BIU: CS (указатель командного сегмента), DS указатель сегмента данных), SS (указатель сегмента стека), ES (указатель дополнительного сегмента) и др. служат для определения физических адресов ОП - операндов и команд. Регистр IP (Instruction Pointer) является указателем адреса команды, которая будет выбираться в конвейер команд в качестве очередной команды (в отечественной литературе такое устройство называется счетчик команд). Конвейер команд МП хранит несколько команд, что позволяет при выполнении линейных программ совместить подготовку очередной команды с выполнением текущей.
К управляющим регистрам МП относится и регистр флагов, каждый разряд которого имеет строго определенное назначение. Обычно разряды регистра флагов устанавливаются аппаратно при выполнении очередной операции в зависимости от получаемого в АЛУ результата. При этом фиксируются такие свойства получаемого результата, как нулевой результат, отрицательное число, переполнение разрядной сетки АЛУ и т.д. Но некоторые разряды регистра флагов могут устанавливаться по специальным командам. Некоторые разряды имеют чисто служебное назначение (например, хранят разряд, (выпавший” из АЛУ во время сдвига) или являются резервными (т.е. не используются).
Все флаги младшего байта регистра устанавливаются арифметическими или логическими операциями МП. Все флаги старших байтов, за исключением флага переполнения, устанавливаются программным путем, для этого в МП имеются команды установки флагов (STC, STD, STI), сброса (CLC CLD, CLI), инвертирования (CMC).
5.2.3. Взаимодействие элементов при работе микропроцессора
Работой МП управляет программа, записанная в ОП ЭВМ. Адрес очередной команды хранится в счетчике команд IP (Instruction Pointer) и в одном из сегментных регистров, чаще всего в CS. Каждый из них в реальном режиме имеет длину 16 бит, тогда как физический адрес ОП должен иметь длину 20 бит. Несогласованность длины машинного слова (16 бит) и длины физического адреса ОП (20 бит) приводит к тому, что в командах невозможно указать физический адрес ОП - его приходится формировать, собирать из разных регистров МП в процессе работы.
В реальном режиме вся ОП делится на сегменты (длина сегмента - 64 Кбайта). Адрес ОП разделяется на две части: номер сегмента в ОП (база сегмента) и номер ячейки внутри данного сегмента (смещение относительно начала сегмента). Базовый адрес сегмента образуется добавлением к номеру сегмента справа четырех нулей. Поскольку последние четыре разряда абсолютного (физического) адреса сегмента всегда нулевые, сегмент может начинаться не с любой ячейки ОП, а только с “параграфа” - начала 16-байтного блока ОП. В структуре микропроцессора имеется несколько регистров сегментов, например в i8086 - четыре:
С S - программный сегмент;
DS - сегмент данных (информационный сегмент);
SS - стековый сегмент;
ES - расширенный сегмент (дополнительный сегмент данных).
Номер ячейки внутри сегмента (смещение) называется также исполнительным адресом. В большинстве случаев в адресной части команды указывается именно исполнительный адрес - номер сегмента чаще всего подразумевается по умолчанию. Однако допускается указание и полного адреса ОП в виде префиксной структуры: “сегмент: смещение”. Если сегмент в команде не указывается, значит, работа ведется внутри текущего сегмента (характер выполняемой работы и какой из сегментных регистров определяет текущую базу сегмента, зависят от вида выполняемой команды).
Номер сегмента так же, как и смещение, имеет длину 2 байта. При вычислении физического адреса ОП сегмент и смещение суммируются, но сегмент перед суммированием сдвигается влево на 4 бита. В результате суммирования образуется физический адрес ОП длиной 20 бит.
В защищенном режиме базовые адреса сегментов хранятся в дескрипторных таблицах и имеют длину 24 или 32 бита (в зависимости от типа МП). В сегментных же регистрах хранится селектор, содержащий номер дескрипторной таблицы и дескрипторное смещение, т.е. порядковый номер дескриптора (в котором и хранится базовый адрес сегмента) в данной дескрипторной таблице (рис.5.6).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 5.6. Формирование физического адреса ОП в защищенном режиме
Физический адрес очередной команды через внутреннюю магистраль МП и интерфейс памяти поступает на шину адреса системной магистрали. Одновременно из устройства управления (УУ) исполнительного блока на шину управления выдается команда (управляющий сигнал) в ОП, предписывающая выбрать число, находящееся по адресу, указанному в системной магистрали. Выбранное число, являющееся очередной командой, поступает из ОП через шину данных системной магистрали, интерфейс памяти, внутреннюю магистраль МП на регистр команд (INST).
Из команды в регистре команд выделяется код операции, который поступает в УУ исполнительного блока для выработки управляющих сигналов, настраивающих микропроцессор на выполнение требуемой операции.
В зависимости от используемого в команде режима адресации организуется выборка необходимых исходных данных.











































Лекция 5. Организация и структура памяти.
Структура памяти ЭВМ. Способы организации памяти. Размещение информации в основной памяти IBM PC.
СТРУКТУРА ПАМЯТИ ЭВМ
Классическая пятиблочная структура Неймана, рассмотренная ранее, предполагала наличие только одного устройства памяти – ОП. Однако современные ЭВМ имеют иерархическую структуру памяти, каждый уровень которой характерен различным быстродействием и емкостью. Появление многочисленных иерархически расположенных уровней памяти связано, прежде всего, с постоянным увеличением разрыва в быстродействии процессора и ОП, которое необходимо скомпенсировать для повышения производительности ЭВМ в целом.
Кроме того, развитие программного обеспечения и расширение круга задач, решаемых на ЭВМ, требовали постоянного увеличения объема ОП. Между тем известно, что на всем протяжении развития ЭВМ требования к емкости и быстродействию ЗУ были противоречивы – чем выше быстродействие, тем технически труднее и дороже обходится увеличение емкости. Необходимость поддержания стоимости памяти ЭВМ на приемлемом уровне, а также множество технических проблем, связанных с построением быстродействующих ЗУ большого объема, и привели в процессе эволюции к созданию иерархической структуры памяти современной ЭВМ.
Несмотря на существенные различия в принципах функционирования и технической реализации различных уровней памяти, существуют общие принципы построения всей иерархии:
чем ближе уровень памяти к процессору, тем выше его быстродействие и меньше емкость;
алгоритмы взаимодействия всех уровней памяти построены так, что количество обращений верхнего, более быстродействующего уровня к нижележащему, менее быстродействующему, соседнему уровню является минимальным;
обмен информацией между соседними иерархическими уровнями памяти в большинстве случаев осуществляется блоками фиксированной длины, что позволяет ускорить обмен за счет аппаратной реализации алгоритмов.
В общем случае память современной ЭВМ включает в себя следующие иерархические уровни:
Сверхоперативная память (СОП), которая называется еще местной памятью.
Кэш-память, которая обычно отсутствует в простейших процессорных устройствах. В более сложных ЭВМ кэш имеет несколько уровней, причем кэш верхнего уровня всегда находится в кристалле процессора.
Оперативная (основная) память (ОП) или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), а также системное ПЗУ, объединенное с ОЗУ общим полем адресов.
Память с прямым доступом на магнитных дисках.
Память с последовательным доступом на магнитных лентах.
Устройства перечислены в порядке убывания быстродействия и увеличения объема.
Рассмотрим в самых общих чертах функциональное назначение устройств памяти, изображенных на рис. 4.1.

Оперативная (основная) память, системное ПЗУ. Название этого устройства памяти (ОП) отражает тот факт, что процессор может работать только с программами, которые загружены в ОП. Этот принцип был положен в основу функционирования первых однозадачных ЭВМ. По этому же принципу функционируют современные многозадачные однопроцессорные системы (многопроцессорные системы рассмотрены в последней части настоящего курса). При отсутствии кэш ОП служит для хранения информации, непосредственно используемой в вычислительном процессе. Из ОП в процессор поступают операнды и команды, а обратно – результаты выполненных операций.
Характеристики ОП непосредственно влияют на характеристики ЭВМ в целом и прежде всего на производительность (даже при наличии кэш).
Объем ОП зависит от целевого назначения ЭВМ и колеблется в очень широком диапазоне – от десятков Кбайт в простейших контроллерах до сотен Мбайт. В современных ЭВМ ОП всегда выполняется на полупроводниковых ЗУ и имеет длительность цикла обращения не более 1-2 мкс. (В ЭВМ первого поколения ОП строилась сначала на электронных лампах, а затем на ферритовых кольцах).








































Системное ПЗУ имеет с ОП (ОЗУ) общее адресное пространство. Его объем и заполнение существенно зависят от целевого назначения ЭВМ.
Системное ПЗУ может хранить ядро операционной системы, утилиты, драйверы, служебные и прикладные программы и т.д. При включении ЭВМ или ее работе программы, записанные в системном ПЗУ, в большинстве случаев загружаются в ОП (ОЗУ) и только после этого обрабатываются процессором.

Сверхоперативная память. Необходимость в СОП возникла уже в первых ЭВМ, когда скорость работы процессора превысила скорость работы ОП. Современные СОП всегда строятся на полупроводниках и представляют собой наборы регистров, находящихся внутри кристалла процессора в непосредственной близости от АЛУ и УУ. Быстродействие СОП должно соответствовать быстродействию АЛУ и УУ процессора. Цикл обращения к СОП составляет 1-2 такта. Объем СОП очень небольшой. Во многих случаях СОП называют также внутренней регистровой памятью процессора. Регистры СОП используют для временного хранения результатов операции в АЛУ, операндов, служебных констант, очень коротких наборов команд обрабатываемой программы и т.д.
По своей сути СОП является буферной памятью, которая в какой-то степени сглаживает разрыв в быстродействии процессора и ОП. Однако ее незначительный объем не позволяет получить приемлемое решение проблемы, поэтому в процессе эволюции ЭВМ возник другой иерархический уровень буферной памяти, быстродействие которого несколько ниже СОП, а емкость существенно больше.

Кэш-память. Память этого типа является быстродействующим буфером достаточно большого объема между процессором (его внутренней памятью) и сравнительно медленно действующей ОП. Ее объем (одноуровневая кэш) составляет около 16-256 Кбайт на 4-8 Мбайт ОП. Эта память недоступна программисту (cash в переводе означает тайник). Кэш-память, как уже отмечалось, располагается в непосредственной близости от процессора, а кэш верхних уровней – непосредственно в кристалле процессора. В настоящее время кэш верхнего уровня и СОП стали фактически единым иерархическим уровнем внутренней памяти процессора. В IBM PC БИС нижнего уровня кэш располагается на процессорной шине. Информация в кэш-память закачивается из ОП небольшими блоками, при этом ненужные блоки удаляются из кэш обратно в ОП. Алгоритмы обмена кэш-памяти и ОП весьма строги и будут рассмотрены далее. Наличие кэш-памяти позволяет сгладить различие в быстродействии процессора и ОП. Кроме того, кэш-память дает возможность в ряде случаев не прерывать работу процессора при обмене внешних устройств с ОП в режиме прямого доступа (DMA).

Внешняя память. Потребность в памяти, объем которой существенно превосходил бы размер существующих ОП, возникла в процессе эксплуатации уже первых ЭВМ. Такая память могла решить многие проблемы, связанные с вводом в ЭВМ больших программ, которые было невозможно разместить в ОП, и особенно с хранением больших наборов данных. Первоначально в качестве внешней памяти ЭВМ использовались накопители на магнитных барабанах (НМБ) и магнитных лентах (НМЛ). Затем были разработаны и созданы накопители на жестких и гибких магнитных дисках (НМД), которые стали интенсивно вытеснять более медленные НМЛ. Впоследствии были созданы накопители на оптических и магнитооптических дисках.
В настоящее время основным типом устройства внешней памяти является НМД. Внешнюю память на НМД иногда называют оперативным внешним запоминающим устройством (ВЗУ). НМЛ стали использоваться как архивные ВЗУ (стримеры), предназначенные для резервного хранения информации. К этому же классу ВЗУ относятся накопители на оптических и магнитооптических дисках. Все перечисленные ВЗУ имеют быстродействие во много раз меньше, чем ОП, и информация, хранимая на них, не может непосредственно перерабатываться процессором. Перед обработкой в процессоре информация с ВЗУ должна быть обязательно помещена в ОП. Емкость ВЗУ в ряде случаев для конкретной ЭВМ и конкретной задачи можно считать бесконечной.
Ниже рассматриваются принципы построения только внутренней памяти ЭВМ.
4.2. СПОСОБЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПАМЯТИ
Функционально ЗУ любого типа всегда состоят из запоминающего массива, хранящего информацию, и вспомогательных, весьма сложных блоков, служащих для поиска в массиве, записи и считывания (и, если требуется, для регенерации).
Запоминающий массив (ЗМ) состоит из множества одинаковых запоминающих элементов (ЗЭ). Все ЗЭ организованы в ячейки, каждая из которых предназначена для хранения единицы информации в виде двоичного кода, число разрядов которого определяется шириной выборки. Способ организации памяти зависит от методов размещения и поиска информации в ЗМ. По этому признаку различают адресную, ассоциативную и стековую память.
4.2.1. АДРЕСНАЯ ПАМЯТЬ
В памяти с адресной организацией размещение и поиск информации в ЗМ основаны на использовании адреса хранения единицы информации, которую в дальнейшем для краткости будем называть словом. Адресом служит номер ячейки ЗМ, в которой это слово размещается. При записи (считывании) слова в ЗМ инициирующая эту операцию команда должна указывать адрес (номер) ячейки, по которому надо произвести запись (считывание).
На рис. 4.2 изображена обобщенная структура адресной памяти.


































Цикл обращения к памяти инициализируется поступающим в БУП сигналом "Обращение". Общая часть цикла обращения включает в себя прием в РгА с шины адреса (ША) адреса обращения и прием в БУП управляющего сигнала "Операция", указывающего вид запрашиваемой операции (считывание или запись).

Считывание. БАВ дешифрирует адрес и посылает сигнал, выделяющий заданную адресом ячейку ЗМ. В общем случае БАВ может также посылать в выделенную ячейку памяти сигналы, настраивающие ЗЭ ячейки на запись или считывание. После этого записанное в ячейку слово считывается усилителями БУС и передается в РгИ. Затем в памяти с разрушающим считыванием происходит регенерация информации путем записи слова из РгИ через БУЗ в ту же ячейку ЗМ. Операция считывания завершается выдачей слова из РгИ на выходную информационную шину ШИвых.

Запись. Помимо указанной выше общей части цикла обращения происходит прием записываемого слова с входной шины ШИвх в РгИ. Сама запись в общем случае состоит из двух операций – очистки ячейки и собственно записи. Для этого БАВ сначала производит выборку и очистку ячейки, заданной адресом в РгА. Очистка ячейки ЗМ (приведение в исходное состояние) может осуществляться по-разному. В частности, в памяти с разрушающим считыванием очистку можно производить сигналом считывания слова в ячейке при блокировке БУС (чтобы в РгИ не поступила информация). Затем в выбранную ячейку записывается новое слово.
Необходимость в операции очистки ячейки перед записью, так же как и в операции регенерации информации при считывании, определяется типом используемых ЗЭ, способами управления, особенностями электронной структуры БИС памяти, поэтому в полупроводниковых памятях эти операции могут отсутствовать.
БУП генерирует необходимые последовательности управляющих сигналов, инициирующих работу отдельных узлов памяти. Следует иметь в виду, что БУП может быть весьма сложным устройством (своеобразным управляющим контроллером, имеющим собственную кэш-память), придающим БИСу памяти в целом специальные потребительские свойства, такие как многопортовость, конвейерная выдача информации и т.п.
4.2.2. АССОЦИАТИВНАЯ ПАМЯТЬ
В памяти этого типа поиск информации происходит не по адресу, а по ее содержанию. Под содержанием информации в данном случае понимается не смысловая нагрузка лежащего на хранении в ячейке памяти слова, а содержание ЗЭ ячейки памяти, т.е. побитовый состав записанного двоичного слова. При этом ассоциативный запрос (признак) также представляет собой двоичный код с определенным побитовым составом. Поиск по ассоциативному признаку происходит параллельно во времени для всех ячеек ЗМ и представляет собой операцию сравнения содержимого разрядов регистра признака с содержимым соответствующих разрядов ячеек памяти. Для организации такого поиска все ЗЭ ЗМ снабжены однобитовыми процессорами, поэтому в ряде случаев память такого типа рассматривают как многопроцессорную систему.
Полностью ассоциативная память большого объема является очень дорогостоящим устройством, поэтому для ее удешевления уменьшают число однобитовых процессоров до одного на ячейку памяти. В этом случае сравнение ассоциативного запроса с содержимым ячеек памяти идет последовательно для отдельных разрядов, параллельно во времени для всех ячеек ЗМ.
При очень больших объемах памяти на определенных классах задач ассоциативный поиск существенно ускоряет обработку данных и уменьшает вероятность сбоя в ЭВМ. Кроме того, ассоциативные ЗУ с блоками соответствующих комбинационных схем позволяют выполнить в памяти достаточно сложные логические операции: поиск максимального или минимального числа в массиве, поиск слов, заключенных в определенные границы, сортировку массива и т.д.
Следует отметить, что ассоциативный поиск можно реализовать и в компьютере с обычной адресной памятью, последовательно вызывая записанные в ячейки памяти слова в процессор и сравнивая их с некоторым ассоциативным признаком (шаблоном). Однако при больших объемах памяти на это будет затрачено много времени. При использовании ассоциативной памяти можно, не считывая слов из ОП в процессор, за одно обращение определить количество слов, отвечающих тому или иному ассоциативному запросу. Это позволяет в больших базах данных очень оперативно реализовать запрос типа: сколько жителей области не представило декларацию о доходах и т.п.
В некоторых специализированных ЭВМ ОП или его часть строится таким образом, что позволяет реализовать как ассоциативный, так и адресный поиск информации.

Упрощенная структурная схема ассоциативной памяти, в которой все ЗЭ ЗМ снабжены однобитовыми процессорами, приведена на рис. 4.3.
Первоначально рассмотрим операцию, называющуюся контроль ассоциации. Эта операция является общей для операции считывания и записи, а также имеет самостоятельное значение.
По входной информационной шине в РгАП поступает n-разрядный ассоциативный запрос, т.е. заполняются разряды от 0 до n-1. Одновременно в РгМ поступает код маски поиска, при этом n-й разряд РгМ устанавливается в 0. Ассоциативный поиск производится лишь для совокупности разрядов РгАП, которым соответствуют 1 в РгМ (незамаскированные разряды РгАП). Для слов, в которых цифры в разрядах совпали с незамаскированными разрядами РгАП, КС устанавливает 1 в соответствующие разряды РгСв и 0 в остальные разряды.
Комбинационная схема формирования результата ассоциативного обращения ФС формирует из слова, образовавшегося в РгСв, как минимум три сигнала:
(0 – отсутствие в ЗМ слов, удовлетворяющих ассоциативному признаку;
(1 – наличие одного такого слова;
(2 – наличие более чем одного слова.
Возможны и другие операции над содержимым РгСв, например подсчет количества единиц, т.е. подсчет слов в памяти, удовлетворяющих ассоциативному запросу, и т.п.
Формирование содержимого РгСв и (0, (1, (2 по содержимому РгАП, РгМ, ЗМ и называется операцией контроля ассоциации.

Считывание. Сначала производится контроль ассоциации по признаку в РгАП.
Затем:
(0 = 1 – считывание отменяется из-за отсутствия искомой информации;
(1 = 1 – считывается в РгИ найденное слово, после чего выдается на ШИвых;
(2 = 1 – считывается слово, имеющее, например, наименьший номер среди ячеек, отмеченных 1 в РгСв, после чего выдается на ШИвых.

Запись. Сначала отыскивается свободная ячейка (полагаем, что в разряде занятости свободной ячейки записан 0). Для этого выполняется контроль ассоциации при РгАП=111...10 и РгМ=000...01, т.е. n-й разряд РгАП устанавливается в 0, а n-й разряд РгМ – в 1. При этом свободная ячейка отмечается 1 в РгСв. Для записи выбирают свободную ячейку, например, с наименьшим номером. В нее записывается слово, поступившее с ШИвх в РгИ.
Следует отметить, что на данной схеме не изображены блоки БУП, БУС, БУЗ, которые есть в реальных устройствах. Кроме того, для построения ассоциативной памяти требуются запоминающие элементы, допускающие считывание без разрушения.
4.2.3. СТЕКОВАЯ ПАМЯТЬ (МАГАЗИННАЯ)
Стековая память, так же как и ассоциативная, является безадресной. Стековая память может быть организована как аппаратно, так и на обычном массиве адресной памяти.
В случае аппаратной реализации ячейки стековой памяти образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов (рис. 4.4). При этом возможны два типа устройств (а, б), принципы функционирования которых различны. Рассмотрим первоначально структуру на рис. 4.4, а.


Запись нового слова, поступившего с ШИвх, производится в верхнюю (нулевую) ячейку, при этом все ранее записанные слова (включая слово в ячейке 0) сдвигаются вниз, в соседние ячейки, номера которых на единицу больше. Считывание возможно только из верхней (нулевой) ячейки памяти. Основной режим – это считывание с удалением. При этом все остальные слова в памяти сдвигаются вверх, в соседние ячейки с меньшими номерами. В такой памяти реализуется правило: последний пришел – первый ушел. Стеки подобного типа принято называть стеками LIFO (Last In – First Out).
В ряде случаев устройства стековой памяти предусматривают также операцию простого считывания слова из ячейки 0 без его удаления и сдвига остальных слов. При использовании стека для запоминания параметров инициализации контроллеров каких-либо устройств ЭВМ обычно предусматривается возможность считывания содержимого любой ячейки стека без его удаления, т.е. считывание содержимого не только ячейки 0.
О первом слове, посылаемом в стек, говорят, что оно располагается на дне стека. О последнем посланном (по времени) в стек слове говорят, что оно находится в вершине стека. Таким образом, ячейка N-1 – дно стека, а ячейка 0 – вершина.
Обычно аппаратный стек снабжается счетчиком стека СчСт, показывающим общее количество занесенных в память слов (СчСт = 0 – стек пустой). При заполнении стека полностью он запрещает дальнейшие операции записи.
Стековый принцип организации памяти можно реализовать не только в специально предназначенных для этого устройствах. Стековая организация данных возможна и на обычной адресной памяти с произвольным обращением (программный стек). Для организации стека LIFO в этом случае необходима еще одна ячейка памяти (регистр), в которой всегда хранится адрес вершины стека и которая называется указателем стека. Обычно в качестве указателя стека используют один из внутренних регистров процессора. Кроме этого, требуется соответствующее программное обеспечение. Принципы стековой организации данных на обычной адресной памяти иллюстрируются схемой на рис. 4.5.

В отличие от аппаратного стека данные, размещенные в программном стеке, при записи нового числа или считывании не перемещаются. Запись каждого нового слова осуществляется в ячейку памяти, следующую по порядку за той, адрес которой содержится в указателе стека. После записи нового слова содержимое указателя стека увеличивается на единицу (см. рис. 4.5). Таким образом, в программном стеке перемещаются не данные, а вершина стека. При считывании слова из стека происходит обратный процесс. Слово считывается из ячейки, адрес которой находится в указателе стека, после чего содержимое указателя стека уменьшается на единицу.
Если вновь загружаемые в стек слова размещаются в ячейках памяти с последовательно увеличивающимися адресами, стек называют прямым. Если адреса последовательно убывают, то – перевернутым. В большинстве случаев используется перевернутый стек, что связано с особенностями аппаратной реализации счетчиков внутри процессора.
Чем удобна такая форма организации памяти? Забегая вперед, можно отметить, что любая команда, выполняемая в процессоре, в общем случае должна содержать код операции (КОП), адрес первого и второго операндов и адрес занесения результата. Для экономии памяти и сокращения времени выполнения машинной команды процессором желательно уменьшить длину команды. Пределом такого уменьшения является длина безадресной команды, т.е. просто КОП. Именно такие команды оказываются возможными при стековой организации памяти, так как при правильном расположении операндов в стеке достаточно последовательно их извлекать и выполнять над ними соответствующие операции.
Помимо рассмотренной выше стековой памяти типа LIFO в ЭВМ используются стековые памяти другого типа, реализующие правило: первый пришел – первый ушел. Стеки подобного типа принято называть стеками FIFO (First In – First Out). Такая стековая память широко используется для организации различного рода очередей (команд, данных, запросов и т.д.). Обобщенная структура аппаратного стека типа FIFO представлена на рис. 4.4, б.
Как и в предыдущем случае, ячейки стековой памяти образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов. Запись нового слова, поступившего с ШИвх, осуществляется в верхнюю (нулевую) ячейку, после чего оно сразу перемещается вниз и записывается в последнюю по счету незаполненную ячейку. Если стек перед записью был пустой, слово сразу попадает в ячейку с номером N-1, т.е. на дно стека. Считывание возможно только из нижней ячейки с номером N-1 (дно стека). Основной режим – это считывание с удалением. При этом все последующие (записанные) слова сдвигаются вниз, в соседние ячейки, номера которых на единицу больше. При заполнении стека счетчик (СчСт) запрещает дальнейшие операции записи в стек.
Таким образом, в отличие от стека LIFO, в стеке FIFO перемещается не дно, а вершина. Записываемые в стек FIFO слова постепенно продвигаются от вершины ко дну, откуда и считываются по мере необходимости, причем темп записи и считывания определяются внешними управляющими сигналами и не связаны друг с другом.
Программная реализация стека FIFO в настоящем разделе не рассматривается, поскольку на практике используется достаточно редко.
4.5. ПОСТОЯННЫЕ ЗУ (ПЗУ, ППЗУ)
Постоянные ЗУ в рабочем режиме ЭВМ допускают только считывание хранимой информации. В зависимости от типа ПЗУ занесение в него информации производится или в процессе изготовления, или в эксплуатационных условиях путем настройки, предваряющей использование ПЗУ в вычислительном процессе. В последнем случае ПЗУ называются постоянными запоминающими устройствами с изменяемым в процессе эксплуатации содержимым или программируемыми постоянными запоминающими устройствами (ППЗУ).
Постоянные ЗУ обычно строятся как адресные. Функционирование ПЗУ можно рассматривать как выполнение однозначного преобразования k-разрядного кода адреса ячейки запоминающего массива ЗМ в n-разрядный код хранящегося в ней слова.
По сравнению с ЗУ с произвольным обращением, допускающим как считывание, так и запись информации, конструкции ПЗУ значительно проще, их быстродействие и надежность выше, а стоимость ниже. Это объясняется большей простотой ЗЭ, отсутствием цепей для записи вообще или, по крайней мере, для оперативной записи, реализацией неразрушающего считывания, исключающего процедуру регенерации информации.
Одним из важнейших применений ПЗУ является хранение микропрограмм в микропрограммных управляющих устройствах ЭВМ. Для этой цели необходимы ПЗУ значительно большего, чем в ОП, быстродействия и умеренной емкости (10 000 - 100 000 бит).
Постоянные ЗУ широко используются для хранения программ в специализированных ЭВМ, в том числе в микроЭВМ, предназначенных для решения определенного набора задач, для которых имеются отработанные алгоритмы и программы, например в бортовых ЭВМ самолетов, ракет, космических кораблей, в управляющих вычислительных комплексах, работающих в АСУ технологических процессов. Такое применение ПЗУ позволяет существенно снизить требования к емкости ОП, повысить надежность и уменьшить стоимость вычислительной установки.
Очень широко ПЗУ используются в универсальных ЭВМ всех классов для хранения стандартных процедур начальной инициализации вычислительной системы и внешних устройств, например BIOS в PC фирмы IBM. Программное обеспечение контроллеров интеллектуальных внешних устройств ЭВМ обычно также хранится во встроенных ПЗУ.
На рис. 4.12 приведена схема простейшего ПЗУ со структурой типа 2D. Запоминающий массив образуется системой взаимно перпендикулярных линий, в пересечениях которых устанавливаются ЗЭ, которые либо связывают (состояние 1), либо не связывают (состояние 0) между собой соответствующие горизонтальную и вертикальную линии. Поэтому часто ЗЭ в ПЗУ называют связывающими элементами. Для некоторых типов ЗЭ состояние 0 означает просто отсутствие запоминающего (связывающего) элемента в данной позиции ЗМ.

Дешифратор ДШ по коду адреса в РгА выбирает одну из горизонтальных линий (одну из ячеек ЗМ), в которую подается сигнал выборки. Выходной сигнал (сигнал 1) появляется на тех вертикальных разрядных линиях, которые имеют связь с возбужденной адресной линией. В зависимости от типа запоминающих (связывающих) элементов различают резисторные, емкостные, индуктивные (трансформаторные), полупроводниковые (интегральные) и другие ПЗУ.
В настоящее время наиболее распространенным типом являются полупроводниковые интегральные ПЗУ.
Полупроводниковые интегральные ПЗУ имеют все те же достоинства, что и полупроводниковые ЗУ с произвольным обращением. Более того, в отличие от последних они являются энергонезависимыми. Постоянные ЗУ имеют большую емкость на одном кристалле (в одном корпусе интегральной микросхемы). Положительным свойством интегральных ПЗУ является то, что некоторые типы этих устройств позволяют самому потребителю производить их программирование (занесение информации) в условиях эксплуатации и даже многократное перепрограммирование.
По типу ЗЭ, устанавливающих или разрывающих связь (контакт) между горизонтальными и вертикальными линиями, различают биполярные и МОП-схемы ПЗУ. Биполярные ПЗУ имеют время выборки 3-5 нс. Постоянные ЗУ на МОП-схемах имеют большую емкость в одном кристалле (корпусе), но и меньшее быстродействие: время выборки 10-15 нс.
По важнейшему признаку – способу занесения информации (программированию) различают три типа интегральных полупроводниковых ПЗУ:
Программирование в процессе изготовления путем нанесения при помощи фотошаблонов в нужных потребителю точках контактных перемычек.
Программирование путем выжигания перемычек или пробоя p-n переходов для уничтожения или образования связей между горизонтальными и вертикальными линиями (одноразовое программирование), которое может осуществить сам пользователь с помощью специального программатора.
Электрическое перепрограммирование, при котором информация заносится в ЗМ электрическим путем, а стирание информации, необходимое для изменения содержимого ПЗУ, выполняется воздействием на ЗМ ультрафиолетовым излучением или электрическим путем (многократное программирование). Время программирования для обоих типов ППЗУ примерно одинаково и составляет около 30-100 с на 1 мегабит памяти.
Программируемые фотошаблонами и выжиганием ПЗУ могут строиться на основе как биполярных, так и МОП-схем. Перепрограммируемые ПЗУ используют только МОП-схемы, способные хранить заряды.
Различные типы ЗЭ интегральных ПЗУ представлены на рис. 4.13. На рис. 4.13,а показан биполярный транзисторный ЗЭ с выжигаемой перемычкой, соединяющей горизонтальную и вертикальную линии. При программировании ПЗУ перемычки выжигаются в нужных местах импульсами тока с амплитудой 20-30 мA. При выборе адресным дешифратором горизонтальной линии X на базу транзистора ЗЭ поступает открывающий его сигнал, и при наличии перемычки (состояние 1) на вертикальной линии Y появится потенциал коллектора транзистора +5 B.
На рис. 4.13,б изображен ЗЭ, программируемый пробиванием p-n перехода. В исходном состоянии включенные встречно диоды изолируют линии X и Y (состояние 0). При подаче повышенного напряжения диод Д2 пробивается и закорачивается (состояние 1).
Более просто устроены ПЗУ с транзисторными и диодными запоминающими (связывающими) элементами, программируемые при изготовлении ПЗУ. В этом случае с помощью фотошаблонов в нужных позициях ЗМ наносятся или не наносятся контактные перемычки (вместо плавкой перемычки или вместо диода Д1 на рис. 4.13,а и б соответственно).


На рис. 4.13,в представлен ЗЭ в виде лавинно-инжекционного МОП-транзистора с плавающим и селектирующим затворами. Интегральные ПЗУ на таких элементах допускают многократную замену хранимой информации.
Плавающий (изолированный) затвор не имеет электрического подвода, он предназначен для хранения заряда. Селектирующий затвор подсоединен к одному из выходов дешифратора строк – к горизонтальной линии, а сток – к вертикальной линии. В исходном состоянии отсутствует заряд на плавающем затворе (состояние 1), транзистор имеет очень небольшое пороговое напряжение. Выбор элемента осуществляется путем подачи на селектирующий затвор выходного напряжения адресного дешифратора, при этом включается транзистор и через цепь сток-исток протекает значительный ток. Программирование (занесение 0 в элементы) производится подачей на сток импульса напряжения 25-30B. При этом происходит инжекция электронов, имеющих высокую энергию, через оксид на изолированный затвор, получающий отрицательный заряд (состояние 0). В результате увеличивается пороговое напряжение, и подача на селектирующий затвор выходного напряжения дешифратора не включает этот транзистор. Сообщенное элементу состояние сохраняется сколь угодно долго.
4.6. ФЛЭШ-ПАМЯТЬ
Флэш-память (flash-memory) по типу запоминающих элементов и основным принципам работы подобна памяти типа EEPROM (ППЗУ) с электрическим перепрограммированием. Однако ряд архитектурных и структурных особенностей позволяют выделить ее в отдельный класс. Разработка флэш-памяти считается кульминацией развития схемотехники памяти с электрическим стиранием информации, и стала возможной только после создания технологий сверхтонких пленок. Время электрического перепрограммирования флэш-памяти в отличие от существующих ППЗУ очень мало и составляет сотни наносекунд. Это позволяет использовать их в качестве оперативных внешних запоминающих устройств типа жесткого диска. Однако число циклов перезаписи флэш-памяти ограничено.
В схемах флэш-памяти не предусмотрено стирание отдельных слов, стирание информации осуществляется либо для всей памяти одновременно, либо для достаточно больших блоков. Это позволяет упростить схемы ЗУ, т. е. способствует достижению высокого уровня интеграции и быстродействия при снижении стоимости. Технологически схемы флэш-памяти выполняются с высоким качеством и обладают очень хорошими параметрами.
Термин flash, по одной из версий, связан с характерной особенностью этого вида памяти – возможностью одновременного стирания всего ее объема. Согласно этой версии еще до появления флэш-памяти при хранении секретных данных использовались устройства, которые при попытках несанкционированного доступа к ним автоматически стирали хранимую информацию и назывались устройствами типа flash (вспышка, мгновение). Это название перешло и к памяти, обладавшей свойством быстрого стирания всего массива данных одним сигналом.
Одновременное стирание всей информации ЗУ реализуется наиболее просто, но имеет тот недостаток, что даже замена одного слова в ЗУ требует стирания и новой записи для всего ЗУ в целом. Для многих применений это неудобно, поэтому наряду со схемами с одновременным стиранием всего содержимого имеются схемы с блочной структурой, в которых весь массив памяти делится на блоки, стираемые независимо друг от друга. Объем таких блоков сильно разнится: от 256 байт до 128 Кбайт.
Число циклов перепрограммирования для флэш-памяти хотя и велико, но ограничено, т.е. ячейки при перезаписи "изнашиваются". Для того, чтобы увеличить долговечность памяти, в ее работе используются специальные алгоритмы, способствующие "разравниванию" числа перезаписей по всем блокам микросхемы.
Соответственно областям применения флэш-память имеет архитектурные и схемотехнические разновидности. Двумя основными направлениями эффективного использования флэш-памяти являются хранение не очень часто изменяемых данных (обновляемых программ, в частности) и замена памяти на магнитных дисках.
Для первого направления, в связи с редким обновлением содержимого, параметры циклов стирания и записи не столь существенны, как информационная емкость и скорость считывания информации. Стирание в этих схемах может быть как одновременным для всей памяти, так и блочным. Среди устройств с блочным стиранием выделяют схемы со специализированными блоками – несимметричные блочные структуры – по имени так называемых boot-блоков, в которых информация надежно защищена аппаратными средствами от случайного стирания. Эти ЗУ называют boot block flash memory. Boot-блоки хранят программы инициализации системы, позволяющие ввести ее в рабочее состояние после включения питания.
Микросхемы для замены жестких магнитных дисков (flash-file memory) содержат более развитые средства перезаписи информации и имеют идентичные блоки (симметричные блочные структуры). Накопители подобного типа широко используются фирмой Intel. Имеются мнения о конкурентоспособности этих накопителей в применениях, связанных с заменой жестких магнитных дисков для ЭВМ различных типов.
В заключение следует отметить, что в настоящем разделе рассмотрены только основные типы ЗУ и ЗЭ, которые далеко не исчерпывают все разнообразие современной элементной базы устройств памяти ЭВМ.

5.1.2. Размещение информации в основной памяти IBM PC
Адресуемой единицей информации основной памяти IBM PC является байт. Это означает, что каждый байт, записанный в ОП, имеет уникальный номер (адрес). При использовании 20-битной шины адреса абсолютный (физический) адрес каждого байта является пятиразрядным шестнадцатеричным числом, принимающим значения от 00000 до FFFFF. В младших адресах располагаются блоки операционной системы (векторы прерываний, зарезервированная область памяти BIOS), в этой же части могут размещаться драйверы устройств, дополнительные обработчики прерываний DOS и BIOS, командный процессор операционной системы. Затем располагается область памяти, отведенная пользователю. Область памяти пользователя заканчивается адресом 9FFFF. Этот адрес является физической границей оперативного ЗУ, последним адресом 640-Кбайтной основной памяти. Остальное адресное пространство (128 Кбайт с адреса АОООО по BFFFF) отведено под видеопамять, которая физически размещается не в ОП, а в адаптере дисплея. После видеопамяти расположено адресное пространство (256Кбайт) постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), хранящего программы базовой системы ввода-вывода (BIOS - “Basic Input Output System”). Эта часть ОП еще называется ROM-BIOS. Из отведенных 256 Кбайт непосредственно ПЗУ занимает 64 Кбайта, а остальные 192 Кбайт оставлены для расширения ПЗУ. Поскольку большая часть оставленной для расширения BIOS части адресного пространства не используется, в этих адресах часто располагается информация, необходимая для работы сетевых карт, графических расширителей и др.
Запись в ОП (и чтение из нее) может осуществляться не только байтами, но и машинными словами. При этом машинное слово при размещении в памяти занимает несколько смежных байтов. Каждый байт ОП имеет свой адрес. Но машинное слово характеризуется не всеми адресами занятых байтов, а только одним - адресом младшего байта слова. Обычно графически машинное слово изображается так, что младший байт находится
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.5.3. Стереотипное представление машинного слова
При записи слова младший байт размещается по адресу, который является адресом машинного слова, старший байт машинного слова размещается в следующем по порядку байте ОП, имеющем номер, увеличенный на 1 (здесь действует мнемоническое правило “младший байт - по младшему адресу”).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 5.4. “Вращение” байтов при чтении машинного слова из ОП
При чтении из ОП двух следующих подряд байтов машинного слова их принято размещать слева направо: сначала первый из прочитанных байтов (с меньшим адресом), а затем - следующий. В результате происходит “вращение” байтов (рис.5.4), которое психологически трудно воспринимается. Необходимо помнить, что при записи отдельных байтов каждый байт располагается в ОП по своему адресу, при чтении никакого вращения не происходит. При записи же в ОП единиц информации, имеющих в своем составе больше одного байта, адресом информационной единицы является адрес самого младшего байта, запись в ОП ведется побайтно, начиная с самого младшего байта, каждый последующий байт располагается в ячейке, адрес которой на 1 больше предыдущего. Иными словами, запись машинного или двойного слова производится справа налево, тогда как при чтении считанные байты обычно располагаются слева направо - происходят “вращение” байтов, перестановка их местами, что необходимо учитывать при работе с ОП на физическом уровне.















































Лекция 6. Система прерываний
Назначение, принцип работы и организация системы прерываний ЭВМ. Возможные структуры систем прерывания. Характеристики систем прерывания. Прерывания: семейство процессоров Intel 80x86 и MS-DOS

Назначение, принцип работы и организация системы прерываний ЭВМ
Современная ЭВМ представляет собой комплекс автономных устройств, каждое из которых выполняет свои функции под управлением местного устройства управления независимо от других устройств машины. Включает устройство в работу центральный процессор. Он передает устройству команду и все необходимые для ее исполнения параметры. После начала работы устройства центральный процессор отключается от него и переходит к обслуживанию других устройств или к выполнению других функций.
Можно считать, что центральный процессор переключает свое внимание с устройства на устройство и с функции на функцию. На что именно обращено внимание ЦП в каждый данный момент, определяется выполняемой им программой.
Во время работы в ЦП поступает (и вырабатывается в нем самом) большое количество различных сигналов. Сигналы, которые выполняемая в ЦП программа способна воспринять, обработать и учесть, составляют поле зрения ЦП или другими словами - входят в зону его внимания.
Например, если процессором исполняется программа сложения двух двойных слов, которая анализирует регистр флагов ЦП, то в “поле ее зрения” находятся флаги микропроцессора, определяющие знаки исходных данных и результата, наличие переноса из тетрады или байта, переполнение разрядной сетки и др. Такая программа готова реагировать на любой из сигналов, находящихся в ее зоне внимания (а поскольку именно программа управляет работой ЦП, то она определяет и “зону внимания” центрального процессора). Но ееяи во время выполнения такой программы нажать какую-либо клавишу, то эта программа “не заметит” сигнала от этой клавиши, так как он не входит в ее “поле зрения”.
Для того чтобы ЦП, выполняя свою работу, имел возможность реагировать на события, происходящие вне его зоны внимания, наступления которых он “не ожидает”, существует система прерываний ЭВМ. При отсутствии системы прерываний все заслуживающие внимания события должны находиться в поле зрения процессора, что сильно усложняет программы и требует большой их избыточности. Кроме того, поскольку момент наступления события заранее не известен, процессор в ожидании какого-либо события может находиться длительное время, и чтобы не пропустить его появления, ЦП не может “отвлекаться” на выполнение какой-либо другой работы. Такой режим работы (режим сканирования ожидаемого события) связан с большими потерями времени ЦП на ожидание.
Кроме сокращения потерь на ожидание, режим прерываний позволяет организовать выполнение такой работы, которую без него реализовать просто невозможно. Например, при появлении неисправностей, нештатных ситуаций режим прерываний позволяет организовать работу по диагностике и автоматическому восстановлению в момент возникновения нештатной ситуации, прервав выполнение основной работы таким образом, чтобы сохранить полученные к этому времени правильные результаты. Тогда как без режима прерываний обратить внимание на наличие неисправности система могла только после окончания выполняемой работы (или ее этапа) и получения неправильного результата.
Таким образом, система прерываний позволяет микропроцессору выполнять основную работу, не отвлекаясь на проверку состояния сложных систем при отсутствии такой необходимости, или прервать выполняемую работу и переключиться на анализ возникшей ситуации сразу после ее появления.
Помимо требующих внимания нештатных ситуаций, которые могут возникнуть при работе микропроцессорной системы, процессору полезно уметь “переключать внимание” и на различные виды работ, одновременно выполняемые в системе. Поскольку управление работой системы осуществляется программой, этот вид прерываний должен формироваться программным путем.
В зависимости от места нахождения источника прерываний они могут быть разделены на внутренние (программные и аппаратурные) и внешние прерывания (поступающие в ЭВМ от внешних источников, например, от клавиатуры или модема).
Принцип действия системы прерываний заключается в следующем:
при выполнении программы после каждого рабочего такта микропроцессора изменяются содержимое регистров, счетчиков, состояние отдельных управляющих триггеров, т.е. изменяется состояние процессора. Информация о состоянии процессора лежит в основе многих процедур управления вычислительным процессом. Не вся информация одинаково актуальна, есть существенные элементы, без которых невозможно продолжение работы. Эта информация должна сохраняться при каждом “переключении внимания процессора”.
Совокупность значений наиболее существенных информационных элементов называется вектором состояния или словом состояния процессора (в некоторых случаях она называется словом состояния программы).
Вектор состояния в каждый момент времени должен содержать информацию, достаточную для продолжения выполнения программы или повторного пуска ее с точки, соответствующей моменту формирования данного вектора.
Вектор состояния формируется в соответствующем регистре процессора или в группе регистров, которые могут использоваться и для других целей.
Наборы информационных элементов, образующих векторы состояния, отличаются у ЭВМ разных типов. В ЮМ PC вектор состояния включает содержимое счетчика команд, сегментных регистров, регистра флагов и аккумулятора (регистра АХ).
При возникновении события, требующего немедленной реакции со стороны машины, ЦП прекращает обработку текущей программы и переходит к выполнению другой программы, специально предназначенной для данного события, по завершении которой возвращается к выполнению отложенной программы. Такой режим работы называется прерыванием.
Каждое событие, требующее прерывания, сопровождается специальным сигналом, который называется запросом прерывания. Программа, затребованная запросом прерывания, называется обработчиком прерывания.
Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре (зафиксированных схемами контроля), переполнения разрядной сетки, деления на нуль, выхода за установленные для данной программы области памяти, затребования периферийным устройством операции ввода-вывода, завершения этой операции ввода-вывода или возникновения при этой операции особых условий и т.д.
Некоторые из этих запросов порождаются самой программой, но время их возникновения невозможно предсказать заранее.
При наличии нескольких источников запросов прерывания часть из них может поступать одновременно. Поэтому в ЭВМ устанавливается определенный порядок (дисциплина) обслуживания поступающих запросов. Кроме того, в ЭВМ предусматривается возможность разрешать или запрещать прерывания определенных видов.
ПЭВМ ШМ PC может выполнять 256 различных прерываний, каждое из которых имеет свой номер (двухразрядное шестнадцатеричное число).
Все прерывания делятся на две группы: прерывания с номера 00h по номер IFh называются прерываниями базовой системы ввода-вывода (BIOS -Basic Input-Output System); прерывания с номера 20h по номер FFh называются прерываниями DOS. Прерывания DOS имеют более высокий уровень организации, чем прерывания BIOS, они строятся на использовании модулей BIOS в качестве элементов.
Прерывания делятся на три типа: аппаратурные, логические и программные. Аппаратурные прерывания вырабатываются устройствами, требующими внимания микропроцессора: прерывание № 2 - отказ питания; № 8 - от таймера; № 9 - от клавиатуры; № 12 - от адаптера связи; № 14 - от НГМД; № 15- от устройства печати и др.
Запросы на логические прерывания вырабатываются внутри микропроцессора при появлении “нештатных” ситуаций: прерывание № 0 - при попытке деления на 0; № 4 - при переполнении разрядной сетки арифметико-логического устройства; № 1 - при переводе микропроцессора в пошаговый режим работы; № 3 - при достижении программой одной из контрольных точек. Последние два прерывания используются отладчиками программ для организации пошагового режима выполнения программ (трассировки) и для остановки программы в заранее намеченных контрольных точках.
Запрос на программное прерывание формируется по команде INTn, где n номер вызываемого прерывания. Запрос на аппаратное или логическое прерывание вырабатывается в виде специального электрического сигнала.

ВОЗМОЖНЫЕ СТРУКТУРЫ СИСТЕМ ПРЕРЫВАНИЯ
Конкретные технические реализации систем прерывания имеют множество вариантов и зависят от типа используемого процессора, структуры системного интерфейса, целевого назначения ЭВМ. В то же время все они являются сложными комбинациями небольшого количества базовых структур систем прерывания. Ниже рассматриваются две основные базовые структуры – радиальная и цепочечная.

Радиальная структура
Обобщенная структура системы прерывания радиального типа представлена на рис. 6.5 (ША и ШУ не изображены).
Характерной особенностью радиальной структуры является то, что каждый ИЗП (в частном случае ПУ) подключен через ЛЗП к отдельному входу контроллера прерываний. В этом случае число подключаемых ИЗП определяется числом входов в систему прерывания. Поступающие запросы, как правило, фиксируются в разрядах РгЗП. Запросы от ИЗП могут быть представлены как уровнем потенциала, так и его перепадом, поскольку поступают в контроллер по отдельным линиям. Однако представление запроса потенциалом более предпочтительно, поскольку система прерывания становится более устойчивой как к помехам, так и к сбоям аппаратуры. Это существенно снижает вероятность пропуска запроса от ИЗП.

13 EMBED Word.Picture.8 1415

Основным преимуществом такой структуры является упрощение аппаратных средств ИЗП, относящихся к обслуживанию процесса прерывания, поскольку в их функции входит только формирование сигнала запроса прерывания, т.е. необходим только запросчик.

Цепочечная структура
Обобщенная структура системы прерывания цепочечного типа представлена на рис. 6.6 (ША и ШУ не изображены).
Характерной особенностью цепочечной структуры является то, что к одной ЛЗП может подключаться множество ИЗП. Каждая ЛЗП соответствует одному входу в систему прерывания и обладает собственным уровнем приоритета. В отличие от радиальной структуры запросы от ИЗП всегда представлены уровнем потенциала. Поэтому выходные каскады аппаратных средств формирования запросов в каждом ИЗП представляют собой ключи с открытым коллектором, объединенные по схеме монтажного "или". Это позволяет исключить потерю запросов, одновременно выставленных разными источниками на одну ЛЗП. Запросы прерывания, поступающие с разных ЛЗП и имеющие различный приоритет, могут фиксироваться (как и в предыдущем случае) в разрядах РгЗП.



13 EMBED Word.Picture.8 1415

Основным преимуществом такой структуры является практически неограниченное количество ИЗП, подключаемых к одному входу системы прерывания (одной ЛЗП) без снижения быстродействия. Однако сложность и объем аппаратуры поддержки системы прерывания в каждом ИЗП существенно увеличиваются, что увеличивает стоимость системы прерывания и ЭВМ в целом. Помимо запросчика каждый ИЗП должен содержать также аппаратуру формирования кода адреса вектора прерывания. Да и аппаратура самого запросчика также усложняется. Кроме того, необходимо принять меры для того, чтобы при отсутствии любого ИЗП цепь распространения сигнала ПП не размыкалась. Это обеспечивается либо специальной конструкцией контактов слота, либо перемычками на системной плате.
Несмотря на усложнение и удорожание подобных систем прерывания по сравнению с радиальными, они очень широко используются в вычислительных системах самой разной архитектуры и назначения.
ХАРАКТЕРИСТИКИ СИСТЕМ ПРЕРЫВАНИЯ
Эффективность систем прерывания ЭВМ может оцениваться по весьма многочисленным характеристикам, которые отражают особенности их технической реализации. Однако для изучения общих принципов построения систем прерывания достаточно рассмотреть только самые обобщенные. К их числу относятся следующие характеристики.

Общее количество запросов прерывания
Количество запросов прерывания (источников запросов прерывания – ИЗП) существенно различается у ЭВМ различных типов и может достигать десятков. В системах прерывания радиальной структуры это понятие может совпадать с понятием количества входов в систему прерывания. При цепочечной организации системы прерывания эти понятия не совпадают.

Время реакции
Время реакции определяется как временной интервал между появлением запроса прерывания и началом выполнения прерывающей программы.
На рис. 6.2 приведена упрощенная временная диаграмма процесса прерывания в предположении, что управление запоминанием и возвратом возложено на сам обработчик. В этом случае он состоит из трех частей – подготовительной и заключительной, обеспечивающих переключение программ, и собственно прерывающей программы, выполняющей затребованные запросом операции. Кроме того, предполагается, что запрос представлен уровнем потенциала.
Для одного и того же запроса задержка в исполнении прерывающей программы (обработчика данного запроса) зависит от того, сколько запросов со старшим приоритетом ожидает обслуживания, поэтому время реакции определяется для запроса с наивысшим приоритетом. На рис. 6.2 оно обозначено tp.

Задержка прерывания (издержка прерывания)
Задержка прерывания (tзад) определяется суммарным временем на запоминание (tз) и восстановление (tв) программы (см. рис. 6.2):

13 EMBED Equation.3 1415.




Глубина прерывания
Глубина прерывания определяет максимальное число программ, которые могут прерывать друг друга. Если после перехода от основной программы к прерывающей обслуживание остальных запросов запрещено, то считается, что система имеет глубину прерывания, равную 1. Глубина равна n, если допускается последовательное прерывание до n программ. Глубина прерывания обычно совпадает с числом уровней приоритетов в системе прерывания. Если глубина прерывания не равна 1, то упрощенно это можно изобразить диаграммой (рис. 6.3). Здесь имеется в виду, что приоритет прерываний возрастает у каждого следующего запроса. Системы с большим значением глубины прерывания обеспечивают более быструю реакцию на срочные запросы.

13 EMBED Word.Picture.8 1415
Насыщение системы прерывания
Если запрос окажется не обслуженным к моменту прихода нового запроса от того же источника (т.е. того же приоритета), то возникает явление, называемое насыщением системы прерывания. В этом случае часть запросов прерывания будет утрачена, что для нормальной работы ЭВМ недопустимо. Поэтому быстродействие ЭВМ, характеристики системы прерывания и частоты возникающих запросов должны быть строго согласованы, чтобы насыщение было невозможно.
Допустимые моменты прерывания программ
В большинстве случаев прерывания допускаются после выполнения любой текущей команды, когда время реакции на прерывание определяется, в основном, длительностью выполнения одной команды.
При работе ЭВМ с быстрыми технологическими процессами в реальном масштабе времени (т.е. в контурах управления реальных физических процессов) это время может оказаться недопустимо большим. Кроме того, существуют задачи, при выполнении которых требуется немедленная реакция на ошибку, обнаруженную, например, аппаратурой контроля, чтобы не допустить выполнения ошибочно сформированного кода команды. Такие ситуации характерны для управляющих ЭВМ военного назначения.
В этом случае в системе прерывания реализуется возможность прерывания после любого такта выполнения команды программы. Однако это требует запоминания, а потом восстановления гораздо большего объема информации, чем в случае прерывания после окончания команды, поэтому такая организация прерываний возможна только в ЭВМ с быстродействующей сверхоперативной памятью достаточного объема.

Число уровней прерываний
Уже отмечалось, что в ЭВМ число различных источников запросов (причин) прерывания может достигать десятков и даже сотен. Однако в ряде случаев многие запросы поступают от групп однотипных устройств, для обслуживания которых требуется одна и та же прерывающая программа (обработчик). Запросы от однотипных устройств целесообразно объединить в группы, каждой из которых будет соответствовать свой сигнал запроса прерывания.
Уровнем или классом прерывания называется совокупность запросов, инициирующих одну и ту же прерывающую программу (обработчик).
Технически такое объединение может быть реализовано по-разному. На рис. 6.4 приведен возможный вариант решения этой задачи при условии, что все поступающие запросы фиксируются в разрядах регистра запросов прерывания (РгЗП).


Запросы от всех источников поступают в РгЗП, устанавливая соответствующие его разряды (флажки) в состояние 1, указывающее на наличие запроса прерывания. Запросы классов прерывания ЗПК1-ЗПКk формируют элементы ИЛИ, объединяющие разряды РгЗП, относящиеся к соответствующим уровням. Еще одна схема ИЛИ формирует ОСП, поступающий в УУ процессора. Он формируется при любом запросе (поднятом флажке) прерывания.
Информация о действительной причине прерывания (конкретном источнике запроса), породившей запрос данного класса, содержится в коде прерывания, который отражает состояние разрядов РгЗП, относящихся к данному классу прерываний. В процессе обработки прерывания эти разряды (содержащийся в них код) подвергаются анализу. Такое объединение прерываний в классы уменьшает объем аппаратуры, но замедляет работу системы прерывания. После передачи управления прерывающей программе соответствующий триггер РгЗП сбрасывается.

Прерывания: семейство процессоров Intel 80x86 и MS-DOS

Семейство микропроцессоров Intel 80x86 поддерживает 256 уровней приоритетных прерываний, вызываемых событиями трех типов:
внутренние аппаратные прерывания
внешние аппаратные прерывания
программные прерывания
Внутренние аппаратные прерывания, иногда называемые отказами (faults), генерируются определенными событиями, возникающими в процессе выполнения программы, например попыткой деления на нуль. Закрепление за такими событиями опреденных номеров прерываний зашито в процессоре и не может быть изменено.
Внешние аппаратные прерывания инициируются контроллерами периферийного оборудования или сопроцессорами (например, 8087/80287). Источники сигналов прерываний подключаются либо к выводу немаскируемых прерываний процессора (NMI) либо к выводу маскируемых прерываний (INTR). Линия NMI обычно предназначает для прерываний, вызываемых катастрофическими событиями, такими, как ошибки четности памяти или авария питания.
Вместо непосредственного подключения к ЦП прерывания от внешних устройств могут поступать в процессор через специальное устройство - программируемый контроллер прерываний (РIС) 8259А. ЦП управляет контроллером через набор портов ввода-вывода, а контроллер в свою очередь сигнализирует процессору через вывод INTR. РIС предоставляет возможность программно разрешать и запрещать прерывания от конкретных устройств, а также назначать им приоритеты.
Изготовители компьютерных систем так же, как и изготовители периферийного оборудования, назначают внешним устройствам определенные уровни контроллера прерываний 8259A. Эти назначения выполняются в виде физических электрических соединений и не могут быть изменены программным образом.
Программные прерывания. Любая программа может инициировать синхронное программное прерывание просто путем выполнения команды INT. MS-DOS использует для взаимодействия со своими модулями и прикладными программами прерывания от 20Н до 3FH. (Например, доступ к диспетчеру функций MS-DOS осуществляется выполнением Int 21Н.) Программы BIOS, хранящиеся в ПЗУ, и прикладные программы IBM PC используют другие прерывания, с большими или меньшими номерами. Это распределение номеров прерываний условно и никаким образом не закреплено аппаратно.
Таблица векторов прерываний.
Нижние (с меньшими адресами) 1024 байт системной памяти носят название таблицы векторов прерываний (рис. 1.10). Каждый 4-байтный элемент таблицы соответствует типу прерывания (от 0 до 0FFH) и содержит сегмент и относительный адрес обработчика прерывания данного уровня. Прерывания от 0 до 1FH (самые нижние уровни) используются как прерывания внутренней аппаратуры; MS-DOS использует прерывания от 20Н до 3FH, все остальные прерывания могут использоваться внешней аппаратурой, системными драйверами и прикладными программами.
Если контроллер прерываний 8259А или другое устройство посылает в ЦП прерывание через вывод INTR, оно должно также поместить тип прерывания в виде 8-разрядного числа (от 0 до 0FFH) на системную магистраль для передачи в ЦП. Процессор, умножив это число на 4, определяет адрес используемого вектора прерывания.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 1.10 Таблица векторов прерываний
Обслуживание прерываний. ЦП, обнаружив сигнал прерывания, помещает в машинный стек слово состояния программы (определяющее различные флаги ЦП), регистр программного сегмента (CS) и указатель команд (IP) и блокирует систему прерываний. Затем ЦП с помощью 8-разрядного числа, установленного на системной магистрали прерывающим устройством, извлекает из таблицы векторов адрес обработчика и возобновляет выполнение с этого адреса.
Состояние системы в момент передачи управления обработчику прерываний совершенно не .зависит от того, было ли прерывание возбуждено внешним устройством или явилось результатом выполнения программой команды INT. Это обстоятельство удобно использовать при написании и тестировании обработчиков внешних прерываний, отладку которых можно почти полностью выполнить, возбуждая их простыми программными средствами.
Обработчики прерываний и MS-DOS. Для установки корректных обработчиков прерываний таким образом, чтобы они не вступали в конфликт с функциями операционной системы или другими обработчиками прерываний, MS-DOS предоставляет специальные средства в виде функций программного прерывания Int 21H, приведенные в таблице 1.1.
Таблица 1.1 Функции MS-DOS для работы с прерываниями
Функция
Действие

Int 21H, функция 25H
Установить вектор прерывания

Int 21H, функция 35H
Получить вектор прерывания

Int 21H, функция 31H
Завершить и оставить резидентной

Эти функции дают возможность анализировать или модифицировать содержимое таблицы системных векторов прерываний и резервировать память для использования обработчиком, не вступая в конфликты с другими процессами в системе и не нарушая правила использования памяти.
В системе MS-DOS на функционирование обработчиков внешних аппаратных прерываний накладывается ряд весьма жестких ограничений:
в силу отсутствия свойства повторной входимости у версий MS-DOS обработчик аппаратных прерываний в процессе обработки прерывания не должен вызывать функции MS-DOS
как только обработчик получает управление, он должен немедленно разблокировать прерывания, чтобы не нарушать работу других устройств и не снижать точность системных часов
Ограничения, накладываемые на функционирование обработчиков прерываний, заменяющих стандартные обработчики MS-DOS для внутренних аппаратных прерываний или системных исключительных состояний (таких, как Ctrl-C или критическая ошибка), не столь жестки, однако программировать обработчики следует все же с большой осторожностью, чтобы не допустить разрушения системных таблиц или перевода операционной системы в неустойчивое состояние.
При составлении программы обработчика прерывания следует иметь в виду правила:
для модификации вектора прерывания использовать системные функции Int 21H; не записывать в таблицу прерываний непосредственно
если ваша программа не единственный процесс в системе, использующий данный уровень прерываний, то после выполнения собственной обработки прерывания следует вернуться в предыдущий обработчик, к которому привязан ваш
если ваша программа не остается резидентной в памяти, следует получить и сохранить текущее состояние вектора прерываний перед его модификацией, а по завершении программы - восстановить исходное содержимое
если ваша программа остается резидентной в памяти, используйте одну из функций завершения и сохранения в памяти (предпочтительно Int 21H с функцией 31H), чтобы зарезервировать для вашего обработчика требуемый объем памяти
если вы собираетесь обрабатывать аппаратные прерывания, следует, насколько возможно, сокращать время, в течение которого прерывания заблокированы, а также длину программы обработки прерывания
В приведенном ниже листинге содержится пример установки вектора прерывания по делению на нуль (номер прерывания 0):









mov ah, 25h
;номер функции

mov al, 0
;номер прервывания

mov dx, seg zdiv
;адрес обработчика

mov ds, dx


mov dx, offset zdiv


int 21h
;переход в MS-DOS

.


.


.


zdiv:
;обработчик прерывания int 00h

iret
;(ничего не делает)










































Лекция 7. Системы ввода-вывода
Общие принципы организации ввода/вывода. Программный ввод/вывод. Ввод/вывод по прерываниям. Ввод/вывод в режиме прямого доступа к памяти. Системные и локальные шины. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВВОДА / ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ
Вводом/выводом (ВВ) называют передачу данных между ядром ЭВМ, включающим в себя процессор и ОП, и периферийными устройствами (ПУ).
Система ВВ – это единственное средство общения ЭВМ с внешним миром. Ее возможности в серийных ЭВМ представляют собой один из важнейших параметров, определяющих выбор машины для конкретного применения.
Несмотря на разнообразие ПУ, в настоящее время разработано несколько стандартных способов их подключения к ЭВМ и программирования ВВ. Существует три режима ВВ:
Программный ВВ (нефорсированный).
ВВ по прерыванию (форсированный).
Прямой доступ к памяти (ПДП).
Реализация ВВ в каждом из этих режимов отличается программно-аппаратными затратами и, самое важное, скоростью выполнения операций обмена и непроизводительными затратами времени процессора. Суть каждого из трех режимов состоит в следующем.
Программный ВВ. Инициирование и управление ВВ осуществляет процессор по командам прикладной программы. ПУ играют пассивную роль и только сигнализируют о своем состоянии, в частности о готовности к операциям ВВ.
ВВ по прерыванию. Операции ВВ инициирует ПУ, генерируя сигнал запроса прерывания, при этом процессор переключается на подпрограмму обслуживания данного ПУ, вызвавшего прерывание. В результате выполнения подпрограммы (обработчика) осуществляется обмен данными. Действия, выполняемые обработчиком, определяются пользователем, а непосредственно операциями ВВ управляет процессор.
Таким образом, как при программном ВВ, так и при ВВ по прерываниям операциями обмена управляет процессор, поэтому очень часто эти два варианта обмена не разделяют и рассматривают их как программный ВВ. В англоязычной литературе – Programmed Input/Output (PIO). Однако в настоящем курсе эти варианты обмена рассматриваются отдельно.
Прямой доступ к памяти. Процессор в передаче данных не участвует. Он отключается от системной магистрали, а все операции обмена данными идут под управлением специального управляющего устройства – контроллера ПДП. Этот режим используется для быстродействующих ПУ, когда пропускной способности процессора недостаточно.
Следует отметить, что общие принципы организации систем прерывания уже рассмотрены в гл. 6. Организация систем ПДП подробно рассмотрена в гл. 11. Ниже рассматривается простейший случай организации радиальных систем прерывания и ПДП для микроЭВМ на базе МП КР580, поэтому материал настоящего раздела частично перекрывается с материалом, изложенным в гл. 6 и в гл. 11.
8.1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ ВВ
В каждой ЭВМ применяются особые способы ВВ, различные конфигурации схем и типы устройств. Однако для большинства ЭВМ можно выделить следующие общие принципы:
Передача данных осуществляется по общей системной магистрали (что характерно для микроЭВМ) либо по специальной магистрали ВВ (что характерно для мини- и больших ЭВМ). Иногда отдельная быстродействующая магистраль ВВ выделяется только для обмена в режиме ПДП.
Подключение ПУ к системному интерфейсу осуществляется с помощью промежуточного интерфейса, поддерживаемого со стороны микроЭВМ и ПУ соответствующими адаптерами (см. п. 7.2).
Операции ВВ инициируются только в случае готовности ПУ к обмену. При наличии нескольких ПУ и обмене в режиме прерывания или ПДП вводится система приоритетов, позволяющая избежать конфликтов. В соответствии с этой системой контроллер прерываний или ПДП среди ПУ, готовых к обмену, в первую очередь обслуживает ПУ с высшим приоритетом (см. гл. 6 и гл. 11).
Передача данных осуществляется двумя способами:
отдельными битами, и тогда промежуточный интерфейс называется последовательным;
полными словами (например, целым байтом), и тогда промежуточный интерфейс называется параллельным.
Информация, передаваемая в процессе ВВ, подразделяется:
на собственно данные (обозначим D);
управляющие данные (обозначим U).
Управляющие данные от процессора называются также командными словами или приказами. Они инициируют действия, не связанные непосредственно с передачей данных (запуск устройства, запрещение прерываний, установка режимов и т.д.).
Управляющие данные от ПУ называются словами состояния. Они содержат информацию об определенных признаках (о готовности устройства к передаче данных, о наличии ошибок при обмене и т.д.). Состояние обычно представляется в декодированной форме – один бит для каждого признака.
С учетом всего изложенного можно изобразить наиболее общую программную модель адаптера промежуточного интерфейса (ППУ), связывающего системную магистраль микроЭВМ и внутреннюю магистраль ПУ. Такая обобщенная программная модель ППУ представлена на рис. 8.1. Каждый из указанных регистров должен иметь адрес, который может идентифицироваться дешифратором адреса.


















Естественно, что конкретная модель адаптера может отличаться от обобщенной схемы, например, регистр состояния и управления могут быть объединены в один регистр, вместо двух однонаправленных портов используют один двунаправленный, регистров управления может быть несколько. Однако при этом логические функции указанных четырех регистров остаются.
В соответствии с рассмотренными ранее различными структурами системной магистрали возможны два способа организации операций ВВ.

Изолированный ВВ (соответствует структуре с изолированными шинами)
Изолированный ВВ предполагает наличие специальных команд ВВ. В МП КР580 это команды IN и OUT. Адресное пространство регистров ППУ изолировано от адресного пространства ячеек памяти, т.е. регистры ППУ и ячейки памяти могут иметь одинаковый адрес. Команды IN и OUT – двухбайтовые. Первый байт – КОП, а второй несет информацию о номере адресуемого ППУ и номере адресуемого в нем регистра. При этом в МП КР580 предусмотрена возможность обмена данными по командам IN, OUT только между аккумулятором и адресуемыми регистрами.

ВВ по общей шине (соответствует структуре с общими шинами)
В этом случае адресация к регистрам ППУ осуществляется как к обычным ячейкам памяти, т.е. ячейки памяти и регистры ППУ имеют единое адресное пространство. Можно использовать все команды обращения к ячейкам памяти. Это удобно, однако часть адресного пространства памяти используется для адресации регистров ППУ, что может вызвать трудности, если программа большая и много ПУ.
ПУ и микроЭВМ могут обмениваться достаточно большими объемами информации, которые невозможно поместить только в регистрах процессора. Ввиду этого часто операции ВВ являются операциями обмена данными между ОП и ПУ. Как уже отмечалось, для повышения гибкости всей вычислительной системы в микроЭВМ предусмотрено три режима выполнения операций ВВ. Рассмотрим эти режимы подробнее.
8.2. ПРОГРАММНЫЙ ВВ
В этом режиме все действия, связанные с операциями ВВ, реализуются командами прикладной программы, причем возможны два вида обмена – синхронный и асинхронный, которые целесообразно использовать в различных ситуациях.

Синхронный ВВ
Такой ВВ можно использовать для связи с ПУ, которые "всегда готовы", например светодиодные индикаторы, либо для ПУ, в которых известно точно время выполнения операций, например, максимальное время, необходимое для печати одного знака.
В первом случае команды ВВ ставятся в произвольных точках программы. Во втором случае программа должна быть составлена так, чтобы команды на обмен шли с интервалами не меньшими, чем время выполнения одной операции обмена (т.е. максимальное время выполнения операции в ПУ).
Это наиболее простой вид обмена, требующий минимум программно-аппаратных затрат (он называется еще безусловным ВВ). Однако при работе с медленными ПУ, как правило, не удается оптимальным образом загрузить процессор на период времени между пересылками данных.

Асинхронный ВВ
В этом случае интервал между операциями обмена задается самим ПУ. Информацию о готовности ПУ к операциям обмена процессор получает периодически, анализируя содержимое регистра состояния ППУ, поэтому процесс обмена состоит из двух фаз:
проверки готовности ПУ к обмену;
реализации непосредственно операций ВВ.
Первая фаза обмена в большинстве случаев реализуется путем циклического вызова содержимого регистра состояния ППУ в аккумулятор, сравнения его с некоторой маской и анализа полученного результата, т.е. происходит реализация цикла ожидания готовности ПУ. На реализацию цикла ожидания затрачивается время, иногда весьма значительное. Это является существенным недостатком такого вида обмена, поскольку в период ожидания процессор не может выполнять полезной работы, т.е. фактически простаивает.
8.3. ВВ ПО ПРЕРЫВАНИЯМ
Для сокращения непроизводительных потерь времени процессора за счет циклов ожидания при программном обмене, т.е. когда процессор не может заниматься ничем, кроме программы ВВ, используют обмен по прерыванию.
При готовности к обмену ПУ посылает в процессор запрос на обслуживание – сигнал INT (запрос прерывания). Этот сигнал появляется в произвольные моменты времени, а следовательно, и в произвольной точке текущей программы. Поскольку заранее неизвестно, в какой точке программы и какие ПУ инициируют прерывания, непосредственно в программе команды ВВ использовать нельзя.
Общие вопросы организации системы прерываний в ЭВМ рассмотрены ранее в гл. 6. Некоторые вопросы, связанные с обслуживанием прерываний, рассмотрены при изучении команд RST и RET. Между тем использование конкретного процессора вносит свои особенности в последовательность операций по обслуживанию прерывания. Для микроЭВМ, построенной на базе МП комплекта КР580, эта последовательность выглядит следующим образом:
Контроллер ПУ или адаптер промежуточного интерфейса генерирует сигнал запроса прерывания, который подается на вход INT процессора непосредственно (если ПУ одно) или через контроллер прерываний (если ПУ много) в виде общего сигнала прерывания.
При наличии нескольких ПУ в контроллере прерывания осуществляется идентификация прерывающего устройства (т.е. выясняется, откуда поступил сигнал INT, и его приоритет).
Процессор завершает текущую команду и, если прерывание разрешено, формирует сигнал INTA (подтверждение прерывания), который выдается во внешнюю цепь (в частности, в системный контроллер), а также сбрасывает внутренний триггер разрешения прерываний, состояние которого идентифицируется сигналом INTE.
Содержимое PC (счетчик команд) автоматически запоминается в стеке.
Происходит переход к подпрограмме обслуживания данного ПУ (обработчику), при этом выполняются следующие операции:
запоминание состояния прерванной программы, которое должно быть предусмотрено пользователем, т.е. составителем подпрограммы (это слово состояния процессора PSW ( (A) (РгП), а также содержимое РОН, используемых в подпрограмме обслуживания прерывания); обычно для запоминания используют стек. В ряде современных процессоров PSW автоматически сохраняется в стеке, как и содержимое счетчика PC;
выполнение собственно программы обслуживания процесса ВВ;
восстановление состояния прерванной программы (т.е. извлечение и загрузка в соответствующие регистры PSW и содержимого РОН из стека).
Возобновляется выполнение прерванной программы по команде RET, являющейся обязательной последней командой обработчика.
Следует отметить, что реакция процессора на прерывание очень похожа на вызов подпрограммы, несмотря на то, что обращение к подпрограмме происходит в фиксированных точках программы, а прерывания возникают в случайных точках программы. Однако внешняя аналогия реакции на прерывание и вызов подпрограммы позволяют считать прерывание аппаратным вызовом подпрограммы (с помощью сигнала INT).
Поскольку сигнал на вход INT может поступить в произвольной точке программы, процессору необходимо проверять наличие сигнала запроса прерывания до перехода к следующей команде. В МП КР580 анализ входа INT осуществляется в такте Т2 последнего машинного цикла каждой команды.
Действия процессора по обслуживанию запросов прерывания можно пояснить следующим упрощенным алгоритмом, представленным на рис. 8.2.

















Следует отметить, что внутренний триггер разрешения прерываний INTE называется также маской прерывания. Состояние этого триггера идентифицирует сигнал с такой же мнемоникой. Если INTE = 0, то прерывания запрещены (замаскированы) и процессор не реагирует на сигнал INT = 1. Этот триггер управляется программно с помощью команд EI (разрешение прерывания) и DI (запрещение прерывания).
Идентификация прерывающего устройства осуществляется с учетом приоритетов либо программными, либо аппаратными методами, рассмотренными ранее в гл. 6.
В МП - комплекте КР580 аппаратный полинг реализуется специальной БИС программируемого контроллера прерываний КР580BH59, обеспечивающей прием и обработку восьми сигналов прерывания. Возможно совместное использование восьми БИС, что увеличивает число сигналов до 64. С каждым входом сигнала прерывания ассоциируется адрес памяти, который выдается на шину данных в ответ на сигнал 13 EMBED Equation.3 1415 после выдачи кода операции CALL (вызов подпрограммы). Следует иметь в виду, что для формирования адреса вектора прерывания в BH59 используется трехбайтовая команда CALL. Все три байта команды CALL передаются по ШД последовательно в процессор в ответ на сигнал системного контроллера 13 EMBED Equation.3 1415. Адреса, соответствующие всем входам запросов прерываний, расположены равномерно через 4 или 8 байт и обычно содержат команды переходов JMP к соответствующим подпрограммам. Интервалы 4 или 8 байт задаются командой инициализации контроллера. Для каждого контроллера 32- или 64-байтные области памяти могут находиться в любом месте ОП, начиная с четной границы. Старшие биты A15-A6 адреса загружаются в регистр контроллера командой инициализации, а младшие биты A4-A0 формируются в контроллере. Разряд A5 программирует интервал в 4 или 8 байт для каждого вектора прерывания.
Контроллер КР580BH59 является законченным устройством, позволяющим реализовывать достаточно сложные многоуровневые системы прерывания. При этом его программирование, т.е. формирование приказов инициализации и рабочих приказов, представляет определенные трудности.
Однако во многих случаях от контроллера прерываний не требуется такой многофункциональности. Простой контроллер прерываний можно построить на обычных логических схемах или с использованием специальной БИС приоритетных прерываний К589ИК14 и многорежимного буферного регистра К589ИР12. В этом случае для формирования адреса вектора прерывания используется 1-байтовая команда RST (ее исполнение уже рассматривалось). Адреса, соответствующие всем входам запросов прерываний, располагаются равномерно через 8 байт от 0000H до 0038H, т.е. под векторы прерываний зарезервированы первые 64 ячейки ОП.
8.4. ВВ В РЕЖИМЕ ПДП
В этом режиме обмен данными между ПУ и ОП микроЭВМ происходит без участия процессора. Обменом в режиме ПДП управляет не программа (или прерывающая подпрограмма), а электронные схемы, внешние по отношению к процессору.
Необходимость реализации режима ПДП в современных ЭВМ достаточно подробно будет рассмотрена в п. 11. Здесь же отметим коротко только основные причины реализации режима ПДП в простейших микроЭВМ.
При программном обмене или обмене в режиме прерывания для передачи одного слова данных (в частном случае – байта) затрачивается несколько (2-3) команд процессора, суммарное время выполнения которых может оказаться недопустимо большим для обмена с конкретным ПУ. Это может быть связано с тем, что период поступления данных определяется внешними по отношению к процессору факторами, например скоростью движения носителя информации или периодом выборки значений какой-либо функции в реальном масштабе времени, если ЭВМ занимается сбором и обработкой информации. Необходимость в скоростном обмене большими объемами информации возникает также при работе микроЭВМ с контроллерами видеосистем. Кроме того, в простейших микроЭВМ иногда возникает необходимость начальной загрузки программ в ОП из ПУ.
Для получения максимальной скорости обмена желательно, чтобы ПУ через контроллер ПДП имело непосредственную связь с ОП микроЭВМ, т.е. имело бы специальную магистраль. Однако такое решение существенно усложняет и удорожает микроЭВМ, особенно при подключении нескольких ПУ. В большинстве микроЭВМ для реализации обмена в режиме ПДП используются шины системной магистрали. Именно этот вариант и рассматривается ниже. При этом возникает проблема совместного использования шин системного интерфейса процессором и контроллером ПДП, которая имеет два основных способа решения – ПДП с захватом цикла и ПДП с блокировкой процессора.
8.4.1. ПДП С ЗАХВАТОМ ЦИКЛА
Этот способ ПДП предназначен для обмена короткими блоками информации в виде байта или слова и имеет два варианта:

Вариант 1
В этом случае для обмена используются те интервалы времени машинного цикла процессора, в которых он не обменивается данными с памятью и ПУ. Таким образом, контроллер ПДП никак не мешает работе процессора. В МП КР580 такими интервалами являются такты T4 и Т5 машинного цикла (сразу следует отметить, что контроллер КР580ВТ57 не работает в таком режиме). Однако возникает необходимость выделения таких интервалов для исключения временного перекрытия обмена ПДП и процессора. В некоторых МП формируются специальные сигналы, указывающие такты, в которых процессор не ведет операций обмена. В других случаях применяют специальные схемы, идентифицирующие "свободные" интервалы времени.
Применение такого способа организации ПДП не снижает производительность МП, но передача данных происходит только в случайные моменты времени. Это понижает общую скорость обмена. Кроме того, для некоторых ПУ такой режим обмена вообще неприемлем.

Вариант 2
В этом случае на время, необходимое для обмена одним байтом или словом данных (что составляет несколько тактов), процессор принудительно отключается от шин системной магистрали. Такой способ организации ПДП с захватом цикла является наиболее распространенным.
Когда ПУ готово к обмену, оно формирует сигнал "требование ПДП", который поступает в контроллер ПДП. Он, в свою очередь, вырабатывает аналогичный управляющий сигнал, который заставляет процессор на несколько тактов отключиться от системной магистрали. В МП КР580 это сигнал HLD (HOLD). Получив этот сигнал, процессор приостанавливает выполнение очередной команды, не дождавшись ее завершения, выдает сигнал "подтверждение ПДП" (в МП КР580 это сигнал HLDA) и отключается от шин системной магистрали. МП КР580 освобождает системную магистраль после такта Т3 текущего машинного цикла, причем внутренние операции в процессоре (такты Т4 и Т5) продолжаются и могут быть совмещены по времени с операциями ПДП.
Таким образом, в отличие от режима прерывания, который вводится только после завершения текущей команды, режим ПДП вводится до ее завершения. Это связано с тем, что в режиме ПДП внутренние регистры процессора не используются, их содержимое не модифицируется, а следовательно, и не требуется запоминания в стеке.
С этого момента времени (такт Т4) всеми шинами системной магистрали управляет контроллер ПДП. Используя системную магистраль, он осуществляет обмен между ПУ и микроЭВМ одним байтом или словом, а затем, сняв сигнал HLD, возвращает управление системной магистралью процессору. Как только ПУ будет готово к обмену, оно вновь захватывает магистраль и т.д. В промежутках между сигналами HLD процессор продолжает выполнять команды текущей программы.
Естественно, что применение такого способа организации ПДП замедляет выполнение программы, но в меньшей степени, чем при обмене в режиме прерывания, хотя бы потому, что не требуется операций со стеком. Кроме того, в отличие от варианта 1 обмен происходит в те моменты времени, в которые это требует ПУ, что особенно важно при работе микроЭВМ в режиме реального времени.
Следует отметить, что такой вариант ПДП используется только тогда, когда интервалы времени между моментами готовности ПУ к обмену достаточно велики и позволяют выполнить процессору несколько операций.
8.4.2. ПДП С БЛОКИРОВКОЙ ПРОЦЕССОРА
Этот режим 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. В этом случае все вопросы, связанные с синхронизацией работы ПУ и ОП, также решаются контроллером ПДП (в режиме "захвата цикла" их фактически решал процессор). Такой режим ПДП особенно необходим в тех случаях, когда процессор не успевает выполнить хотя бы одну команду между очередными операциями обмена в режиме ПДП. В этом случае контроллер ПДП обязательно должен иметь средства для модификации адресов обмена и контроля объема переданного блока информации. Этот режим ПДП в современных ЭВМ является основным, поскольку современные ПУ, такие как жесткие и оптические диски, видеосистемы, принтеры, сканеры и т.д., всегда ведут обмен блоками информации существенного объема.
Следует отметить, что реальные контроллеры ПДП, как правило, могут работать в различных режимах организации ПДП, зачастую комбинированных, поэтому рассмотренные выше варианты организации ПДП являются весьма условными (особенно ПДП с блокировкой процессора и вариант 2 ПДП с захватом цикла).
Конкретные технические реализации каналов ПДП весьма разнообразны и определяются особенностями организации ЭВМ, используемого в ней процессора, обслуживаемого набора ПУ и т.д. Между тем можно сформулировать основные принципы работы большинства каналов ПДП и построить обобщенный алгоритм их функционирования. В частности, применение в ЭВМ обмена в режиме ПДП требует предварительной подготовки со стороны процессора:
Для каждого ПУ необходимо выделить область памяти, используемой при обмене, и указать ее размер, т.е. количество записываемых в память или читаемых из памяти байтов (слов) информации. Следовательно, контроллер ПДП должен обязательно иметь в своем составе регистры адреса и счетчик байтов (слов).
Перед началом обмена с ПУ в режиме ПДП процессор должен выполнять программу загрузки (инициализации). Эта программа обеспечивает запись в указанные регистры контроллера ПДП начального адреса выделенной области памяти (для данного ПУ) и ее размера в байтах или в словах в зависимости от того, какими единицами информации ведется обмен.
Вышеизложенное не относится к начальной загрузке программ в память микроЭВМ в режиме ПДП. В этом случае содержимое регистров адреса и счетчика байтов устанавливается перемычками или переключателями, т.е. принудительно заносится каким-либо способом.
Упрощенный алгоритм обмена блоком информации в режиме ПДП при наличии нескольких ПУ представлен на рис. 8.3, причем в скобках указано устройство, выполняющее операцию.
Структура представленного алгоритма достаточно проста и не требует дополнительных пояснений. Все операции, выполняемые устройствами в процессе передачи блока данных, рассматривались выше. Если в контроллер ПДП одновременно поступило два или более запросов, то после обслуживания наиболее приоритетного ПУ произойдет обслуживание остальных ПУ в порядке уменьшения приоритетов. Для этого контроллер ПДП опять выставит процессору сигнал HLD, и цикл обмена повторится для другого ПУ.















































Следует отметить, что контроль за окончанием цикла обмена (объемом переданного блока информации) может осуществляться не только по количеству переданных байт или слов, но и по конечному адресу зоны памяти, отведенной для обмена с данным ПУ. Кроме того, в реальных системах время удержания магистрали контроллером ПДП при обслуживании одного ПУ всегда ограничено и контролируется, поэтому завершение цикла обмена может произойти также по сигналу специального таймера. Более подробно этот вопрос рассматривается в гл. 11.
Как уже отмечалось, в МП комплект КР580 входит специализированная БИС программируемого контроллера ПДП КР580ВТ57. Этот контроллер может управлять работой четырех независимых каналов ПДП с учетом приоритетов ПУ. Для процессора контроллер представляется несколькими 8-битными регистрами с соответствующими номерами. После инициализации контроллер может управлять передачей блока данных до 16 Кбайт по каждому каналу без вмешательства процессора.
Системные и локальные шины
В вычислительной системе, состоящей из множества подсистем, необходим механизм для их взаимодействия. Эти подсистемы должны быстро и эффективно обмениваться данными. Например, процессор, с одной стороны, должен быть связан с памятью, с другой стороны, необходима связь процессора с устройствами ввода/вывода. Одним из простейших механизмов, позволяющих организовать взаимодействие различных подсистем, является единственная центральная шина, к которой подсоединяются все подсистемы. Доступ к такой шине разделяется между всеми подсистемами. Подобная организация имеет два основных преимущества: низкая стоимость и универсальность. Поскольку такая шина является единственным местом подсоединения для разных устройств, новые устройства могут быть легко добавлены, и одни и те же периферийные устройства можно даже применять в разных вычислительных системах, использующих однотипную шину. Стоимость такой организации получается достаточно низкой, поскольку для реализации множества путей передачи информации используется единственный набор линий шины, разделяемый множеством устройств.
Главным недостатком организации с единственной шиной является то, что шина создает узкое горло, ограничивая, возможно, максимальную пропускную способность ввода/вывода. Если весь поток ввода/вывода должен проходить через центральную шину, такое ограничение пропускной способности весьма реально. В коммерческих системах, где ввод/вывод осуществляется очень часто, а также в суперкомпьютерах, где необходимые скорости ввода/вывода очень высоки из-за высокой производительности процессора, одним из главных вопросов разработки является создание системы нескольких шин, способной удовлетворить все запросы.
Одна из причин больших трудностей, возникающих при разработке шин, заключается в том, что максимальная скорость шины главным образом лимитируется физическими факторами: длиной шины и количеством подсоединяемых устройств (и, следовательно, нагрузкой на шину). Эти физические ограничения не позволяют произвольно ускорять шины. Требования быстродействия (малой задержки) системы ввода/вывода и высокой пропускной способности являются противоречивыми. В современных крупных системах используется целый комплекс взаимосвязанных шин, каждая из которых обеспечивает упрощение взаимодействия различных подсистем, высокую пропускную способность, избыточность (для увеличения отказоустойчивости) и эффективность.
Традиционно шины делятся на шины, обеспечивающие организацию связи процессора с памятью, и шины ввода/вывода. Шины ввода/вывода могут иметь большую протяженность, поддерживать подсоединение многих типов устройств, и обычно следуют одному из шинных стандартов. Шины процессор-память, с другой стороны, сравнительно короткие, обычно высокоскоростные и соответствуют организации системы памяти для обеспечения максимальной пропускной способности канала память-процессор. На этапе разработки системы, для шины процессор-память заранее известны все типы и параметры устройств, которые должны соединяться между собой, в то время как разработчик шины ввода/вывода должен иметь дело с устройствами, различающимися по задержке и пропускной способности.
Как уже было отмечено, с целью снижения стоимости некоторые компьютеры имеют единственную шину для памяти и устройств ввода/вывода. Такая шина часто называется системной. Персональные компьютеры, как правило, строятся на основе одной системной шины в стандартах ISA, EISA или MCA. Необходимость сохранения баланса производительности по мере роста быстродействия микропроцессоров привела к двухуровневой организации шин в персональных компьютерах на основе локальной шины. Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины и ее контроллер, а также некоторые вспомогательные схемы. Типичными примерами локальных шин являются VL-Bus и PCI.
Рассмотрим типичную транзакцию на шине. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных. Шинные транзакции обычно определяются характером взаимодействия с памятью: транзакция типа "Чтение" передает данные из памяти (либо в ЦП, либо в устройство ввода/вывода), транзакция типа "Запись" записывает данные в память. В транзакции типа "Чтение" по шине сначала посылается в память адрес вместе с соответствующими сигналами управления, индицирующими чтение. Память отвечает, возвращая на шину данные с соответствующими сигналами управления. Транзакция типа "Запись" требует, чтобы ЦП или устройство в/в послало в память адрес и данные и не ожидает возврата данных. Обычно ЦП вынужден простаивать во время интервала между посылкой адреса и получением данных при выполнении чтения, но часто он не ожидает завершения операции при записи данных в память.
Разработка шины связана с реализацией ряда дополнительных возможностей (рис. 9.1). Решение о выборе той или иной возможности зависит от целевых параметров стоимости и производительности. Первые три возможности являются очевидными: раздельные линии адреса и данных, более широкие (имеющие большую разрядность) шины данных и режим групповых пересылок (пересылки нескольких слов) дают увеличение производительности за счет увеличения стоимости.
Следующий термин, указанный в таблице, - количество главных устройств шины (bus master). Главное устройство шины - это устройство, которое может инициировать транзакции чтения или записи. ЦП, например, всегда является главным устройством шины. Шина имеет несколько главных устройств, если имеется несколько ЦП или когда устройства ввода/вывода могут инициировать транзакции на шине. Если имеется несколько таких устройств, то требуется схема арбитража, чтобы решить, кто следующий захватит шину. Арбитраж часто основан либо на схеме с фиксированным приоритетом, либо на более "справедливой" схеме, которая случайным образом выбирает, какое главное устройство захватит шину.
В настоящее время используются два типа шин, отличающиеся способом коммутации: шины с коммутацией цепей (circuit-switched bus) и шины с коммутацией пакетов (packet-switched bus), получившие свои названия по аналогии со способами коммутации в сетях передачи данных. Шина с коммутацией пакетов при наличии нескольких главных устройств шины обеспечивает значительно большую пропускную способность по сравнению с шиной с коммутацией цепей за счет разделения транзакции на две логические части: запроса шины и ответа. Такая методика получила название "расщепления" транзакций (split transaction). (В некоторых системах такая возможность называется шиной соединения/разъединения (connect/disconnect) или конвейерной шиной (pipelined bus). Транзакция чтения разбивается на транзакцию запроса чтения, которая содержит адрес, и транзакцию ответа памяти, которая содержит данные. Каждая транзакция теперь должна быть помечена (тегирована) соответствующим образом, чтобы ЦП и память могли сообщить что есть что.
Шина с коммутацией цепей не делает расщепления транзакций, любая транзакция на ней есть неделимая операция. Главное устройство запрашивает шину, после арбитража помещает на нее адрес и блокирует шину до окончания обслуживания запроса. Большая часть этого времени обслуживания при этом тратится не на выполнение операций на шине (например, на задержку выборки из памяти). Таким образом, в шинах с коммутацией цепей это время просто теряется. Расщепленные транзакции делают шину доступной для других главных устройств пока память читает слово по запрошенному адресу. Это, правда, также означает, что ЦП должен бороться за шину для посылки данных, а память должна бороться за шину, чтобы вернуть данные. Таким образом, шина с расщеплением транзакций имеет более высокую пропускную способность, но обычно она имеет и большую задержку, чем шина, которая захватывается на все время выполнения транзакции. Транзакция называется расщепленной, поскольку произвольное количество других пакетов или транзакций могут использовать шину между запросом и ответом.
Последний вопрос связан с выбором типа синхронизации и определяет является ли шина синхронной или асинхронной. Если шина синхронная, то она включает сигналы синхронизации, которые передаются по линиям управления шины, и фиксированный протокол, определяющий расположение сигналов адреса и данных относительно сигналов синхронизации. Поскольку практически никакой дополнительной логики не требуется для того, чтобы решить, что делать в следующий момент времени, эти шины могут быть и быстрыми, и дешевыми. Однако они имеют два главных недостатка. Все на шине должно происходить с одной и той же частотой синхронизации, поэтому из-за проблемы перекоса синхросигналов, синхронные шины не могут быть длинными. Обычно шины процессор-память синхронные.
Асинхронная шина, с другой стороны, не тактируется. Вместо этого обычно используется старт-стопный режим передачи и протокол "рукопожатия" (handshaking) между источником и приемником данных на шине. Эта схема позволяет гораздо проще приспособить широкое разнообразие устройств и удлинить шину без беспокойства о перекосе сигналов синхронизации и о системе синхронизации. Если может использоваться синхронная шина, то она обычно быстрее, чем асинхронная, из-за отсутствия накладных расходов на синхронизацию шины для каждой транзакции. Выбор типа шины (синхронной или асинхронной) определяет не только пропускную способность, но также непосредственно влияет на емкость системы ввода/вывода в терминах физического расстояния и количества устройств, которые могут быть подсоединены к шине. Асинхронные шины по мере изменения технологии лучше масштабируются. Шины ввода/вывода обычно асинхронные.
Возможность
Высокая производительность
Низкая стоимость

Общая разрядность шины
Отдельные линии адреса и данных
Мультиплексирование линий адреса и данных

Ширина (рязрядность) данных
Чем шире, тем быстрее (например, 32 бит)
Чем уже, тем дешевле (например, 8 бит)

Размер пересылки
Пересылка нескольких слов имеет меньшие накладные расходы
Пересылка одного слова дешевле

Главные устройства шины
Несколько (требуется арбитраж)
Одно (арбитраж не нужен)

Расщепленные транзакции?
Да - отдельные пакеты Запроса и Ответа дают большую полосу пропускания (нужно несколько главных устройств)
Нет - продолжающееся соединение дешевле и имеет меньшую задержку

Тип синхронизации
Синхронные
Асинхронные

Рис. 9.1. Основные возможности шин
Стандарты шин
Обычно количество и типы устройств ввода/вывода в вычислительных системах не фиксируются, что позволяет пользователю самому подобрать необходимую конфигурацию. Шина ввода/вывода компьютера может рассматриваться как шина расширения, обеспечивающая постепенное наращивание устройств ввода/вывода. Поэтому стандарты играют огромную роль, позволяя разработчикам компьютеров и устройств ввода/вывода работать независимо. Появление стандартов определяется разными обстоятельствами.
Иногда широкое распространение и популярность конкретных машин становятся причиной того, что их шина ввода/вывода становится стандартом де факто. Примерами таких шин могут служить PDP-11 Unibus и IBM PC-AT Bus. Иногда стандарты появляются также в результате определенных достижений по стандартизации в некотором секторе рынка устройств ввода/вывода. Интеллектуальный периферийный интерфейс (IPI - Intelligent Peripheral Interface) и Ethernet являются примерами стандартов, появившихся в результате кооперации производителей. Успех того или иного стандарта в значительной степени определяется его принятием такими организациями как ANSI (Национальный институт по стандартизации США) или IEEE (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике). Иногда стандарт шины может быть прямо разработан одним из комитетов по стандартизации: примером такого стандарта шины является FutureBus.
На рис. 9.2 представлены характеристики нескольких стандартных шин. Заметим, что строки этой таблицы, касающиеся пропускной способности, не указаны в виде одной цифры для шин процессор-память (VME, FutureBus, MultibusII). Размер пересылки, из-за разных накладных расходов шины, сильно влияет на пропускную способность. Поскольку подобные шины обычно обеспечивают связь с памятью, то пропускная способность шины зависит также от быстродействия памяти. Например, в идеальном случае при бесконечном размере пересылки и бесконечно быстрой памяти (время доступа 0 нсек) шина FutureBus на 240% быстрее шины VME, но при пересылке одиночных слов из 150-нсекундной памяти шина FutureBus только примерно на 20% быстрее, чем шина VME.

VME bus
FutureBus Multibus II IPI SCSI

Ширина шины (кол-во сигналов)
128
96 96 16 8

Мультиплекси-рование адреса/данных
Нет
Да Да ( (

Разрядность данных
16/32 бит
32 бит 32 бит 16 бит 8 бит

Размер пересылки (слов)
Одиночная или групповая
Одиночная или групповая Одиночная или групповая Одиночная или групповая Одиночная или групповая

Количество главных устройств шины
Несколько
Несколько Несколько Одно Несколько

Расщепление транзакций
Нет
Доп. возможность Доп. возможность Доп. возможность Доп. возможность

Полоса пропускания (время доступа - 0 нс - 1 слово)
25.9 Мб/c
37.0 Мб/c 20.0 Мб/c 25.0 Мб/c 5.0 Мб/c

Полоса пропускания (время доступа - 150 нс - 1 слово)
12.9 Мб/c
15.5 Мб/c 10.0 Мб/c 25.0 Мб/c 5.0 Мб/c

Полоса пропускания (время доступа - 0 нс - неогр. размер блока)
27.9 Мб/c
95.2 Мб/c 40.0 Мб/c 25.0 Мб/c 5.0 Мб/c

Полоса пропускания (время доступа - 150 нс - неогр. размер блока)
13.6 Мб/c
20.8 Мб/c 13.3 Мб/c 25.0 Мб/c 5.0 Мб/c

Максимальное количество устройств
21
20 21 8 7

Максимальная длина шины
0.5 м
0.5 м 0.5 м 50 м 25 м

Стандарт
IEEE 1014
IEEE 896.1 ANSI/ IEEE 1296 ANSI X3.129 ANSI X3.131

Рис. 9.2. Примеры стандартных шин
Одной из популярных шин персональных компьютеров была системная шина IBM PC/XT, обеспечивавшая передачу 8 бит данных. Кроме того, эта шина включала 20 адресных линий, которые ограничивали адресное пространство пределом в 1 Мбайт. Для работы с внешними устройствами в этой шине были предусмотрены также 4 линии аппаратных прерываний (IRQ) и 4 линии для требования внешними устройствами прямого доступа к памяти (DMA). Для подключения плат расширения использовались специальные 62-контактные разъемы. При этом системная шина и микропроцессор синхронизировались от одного тактового генератора с частотой 4.77 МГц. Таким образом теоретическая скорость передачи данных могла достигать немногим более 4 Мбайт/с.
Системная шина ISA (Industry Standard Architecture) впервые стала применяться в персональных компьютерах IBM PC/AT на базе процессора i286. Эта системная шина отличалась наличием второго, 36-контактного дополнительного разъема для соответствующих плат расширения. За счет этого количество адресных линий было увеличено на 4, а данных - на 8, что позволило передавать параллельно 16 бит данных и обращаться к 16 Мбайт системной памяти. Количество линий аппаратных прерываний в этой шине было увеличено до 15, а каналов прямого доступа - до 7. Системная шина ISA полностью включала в себя возможности старой 8-разрядной шины. Шина ISA позволяет синхронизировать работу процессора и шины с разными тактовыми частотами. Она работает на частоте 8 МГц, что соответствует максимальной скорости передачи 16 Мбайт/с.
С появлением процессоров i386, i486 и Pentium шина ISA стала узким местом персональных компьютеров на их основе. Новая системная шина EISA (Extended Industry Standard Architecture), появившаяся в конце 1988 года, обеспечивает адресное пространство в 4 Гбайта, 32-битовую передачу данных (в том числе и в режиме DMA), улучшенную систему прерываний и арбитраж DMA, автоматическую конфигурацию системы и плат расширения. Устройства шины ISA могут работать на шине EISA. Шина EISA предусматривает централизованное управление доступом к шине за счет наличия специального устройства - арбитра шины. Поэтому к ней может подключаться несколько главных устройств шины. Улучшенная система прерываний позволяет подключать к каждой физической линии запроса на прерывание несколько устройств, что снимает проблему количества линий прерывания. Шина EISA тактируется частотой около 8 МГц и имеет максимальную теоретическую скорость передачи данных 33 Мбайт/с.
Шина MCA также обеспечивает 32-разрядную передачу данных, тактируется частотой 10 МГц, имеет средства автоматического конфигурирования и арбитража запросов. В отличие от EISA она не совместима с шиной ISA и используется только в компьютерах компании IBM.
Шина VL-bus, предложенная ассоциацией VESA (Video Electronics Standard Association), предназначалась для увеличения быстродействия видеоадаптеров и контроллеров дисковых накопителей для того, чтобы они могли работать с тактовой частотой до 40 МГц. Шина VL-bus имеет 32 линии данных и позволяет подключать до трех периферийных устройств, в качестве которых наряду с видеоадаптерами и дисковыми контроллерами могут выступать и сетевые адаптеры. Максимальная скорость передачи данных по шине VL-bus может составлять около 130 Мбайт/с. После появления процессора Pentium ассоциация VESA приступила к работе над новым стандартом VL-bus версии 2, который предусматривает использование 64-битовой шины данных и увеличение количества разъемов расширения. Ожидаемая скорость передачи данных - до 400 Мбайт/с.
Шина PCI (Peripheral Component Interconnect) также, как и шина VL-bus, поддерживает 32-битовый канал передачи данных между процессором и периферийными устройствами, работает на тактовой частоте 33 МГц и имеет максимальную пропускную способность 120 Мбайт/с. При работе с процессорами i486 шина PCI дает примерно те же показатели производительности, что и шина VL-bus. Однако, в отличие от последней, шина PCI является процессорно независимой (шина VL-bus подключается непосредственно к процессору i486 и только к нему). Ee легко подключить к различным центральным процессорам. В их числе Pentium, Alpha, R4400 и PowerPC.
Шина VME приобрела большую популярность как шина ввода/вывода в рабочих станциях и серверах на базе RISC-процессоров. Эта шина высоко стандартизована, имеется несколько версий этого стандарта. В частности, VME32 - 32-битовая шина с производительностью 30 Мбайт/с, а VME64 - 64-битовая шина с производительностью 160 Мбайт/с.
В однопроцессорных и многопроцессорных рабочих станциях и серверах на основе микропроцессоров SPARC одновременно используются несколько типов шин: SBus, MBus и XDBus, причем шина SBus применяется в качестве шины ввода/вывода, а MBus и XDBus - в качестве шин для объединения большого числа процессоров и памяти.
Шина SBus (известная также как стандарт IEEE-1496) имеет 32-битовую и 64-битовую реализацию, работает на частоте 20 и 25 МГц и имеет максимальную скорость передачи данных в 32-битовом режиме равную соответственно 80 или 100 Мбайт/с. Шина предусматривает режим групповой пересылки данных с максимальным размером пересылки до 128 байт. Она может работать в двух режимах передачи данных: режиме программируемого ввода/вывода и в режиме прямого доступа к виртуальной памяти (DVMA). Последний режим особенно эффективен при передаче больших блоков данных.
Шина MBus работает на тактовой частоте 50 МГц в синхронном режиме с мультиплексированием адреса и данных. Общее число сигналов шины равно 100, а разрядность шины данных составляет 64 бит. По шине передаются 36-битовые физические адреса. Шина обеспечивает протокол поддержания когерентного состояния кэш-памяти нескольких (до четырех) процессоров, имеет максимальную пропускную способность в 400 Мбайт/с, а типовая скорость передачи составляет 125 Мбайт/с. Отличительными свойствами шины MBus являются: возможность увеличения числа процессорных модулей, поддержка симметричной мультипроцессорной обработки, высокая пропускная способность при обмене с памятью и подсистемой ввода/вывода, открытые (непатентованные) спецификации интерфейсов.
Шина MBus была разработана для относительно небольших систем (ее длина ограничивается десятью дюймами, что позволяет объединить до четырех процессоров с кэш-памятью второго уровня и основной памятью). Для построения систем с большим числом процессоров нужна большая масштабируемость шины. Одна из подобного рода шин - XDBus, используется в серверах SPARCserver 1000 (до 8 процессоров) и SPARCcenter 2000 (до 20 процессоров) компании Sun Microsystems и SuperServer 6400 компании Cray Research (до 64 процессоров). XDBus представляет собой шину, работающую в режиме расщепления транзакций. Это позволяет ей, имея пиковую производительность в 400 Мбайт/с, поддерживать типовую скорость передачи на уровне более 310 Мбайт/с.
В современных компьютерах часто применяются и фирменные (запатентованные) шины, обеспечивающие очень высокую пропускную способность для построения многопроцессорных серверов. Одной из подобных шин является системная шина POWERpath-2, которая применяется в суперсервере Chellenge компании Silicon Graphics. Она способна поддерживать эффективную работу до 36 процессоров MIPS R4400 (9 процессорных плат с четырьмя 150 МГц процессорами на каждой плате) с общей расслоенной памятью объемом до 16 Гбайт (коэффициент расслоения памяти равен восьми). POWERpath-2 имеет разрядность данных 256 бит, разрядность адреса 40 бит, и работает на частоте 50 МГц с пониженным напряжением питания. Она поддерживает методику расщепления транзакций, причем может иметь до восьми отложенных транзакций чтения одновременно. При этом арбитраж шины адреса и шины данных выполняется независимо. POWERpath-2 поддерживает протокол когерентного состояния кэш-памяти каждого процессора в системе.
Одной из наиболее популярных шин ввода-вывода в настоящее время является шина SCSI.
Под термином SCSI - Small Computer System Interface (Интерфейс малых вычислительных систем) обычно понимается набор стандартов, разработанных Национальным институтом стандартов США (ANSI) и определяющих механизм реализации магистрали передачи данных между системной шиной компьютера и периферийными устройствами. На сегодняшний день приняты два стандарта (SCSI-1 и SCSI-2). Стандарт SCSI-3 находится в процессе доработки.
Начальный стандарт 1986 года, известный теперь под названием SCSI-1, определял рабочие спецификации протокола шины, набор команд и электрические параметры. В 1992 году этот стандарт был пересмотрен с целью устранения недостатков первоначальной спецификации (особенно в части синхронного режима передачи данных) и добавления новых возможностей повышения производительности, таких как "быстрый режим" (fast mode), "широкий режим" (wide mode) и помеченные очереди. Этот пересмотренный стандарт получил название SCSI-2 и в настоящее время используется большинством поставщиков вычислительных систем.
Первоначально SCSI предназначался для использования в небольших дешевых системах и поэтому был ориентирован на достижение хороших результатов при низкой стоимости. Характерной его чертой является простота, особенно в части обеспечения гибкости конфигурирования периферийных устройств без изменения организации основного процессора. Главной особенностью подсистемы SCSI является размещение в периферийном оборудовании интеллектуального контроллера.
Для достижения требуемого высокого уровня независимости от типов периферийных устройств в операционной системе основной машины, устройства SCSI представляются имеющими очень простую архитектуру. Например, геометрия дискового накопителя представляется в виде линейной последовательности одинаковых блоков, хотя в действительности любой диск имеет более сложную многомерную геометрию, содержащую поверхности, цилиндры, дорожки, характеристики плотности, таблицу дефектных блоков и множество других деталей. В этом случае само устройство или его контроллер несут ответственность за преобразование упрощенной SCSI модели в данные для реального устройства.
Стандарт SCSI-2 определяет в частности различные режимы: Wide SCSI, Fast SCSI и Fast-and-Wide SCSI. Стандарт SCSI-1 определяет построение периферийной шины на основе 50-жильного экранированного кабеля, описывает методы адресации и электрические характеристики сигналов. Шина данных SCSI-1 имеет разрядность 8 бит, а максимальная скорость передачи составляет 5 Мбайт/сек. Fast SCSI сохраняет 8-битовую шину данных и тем самым может использовать те же самые физические кабели, что и SCSI-1. Он отличается только тем, что допускает передачи со скоростью 10 Мбайт/сек в синхронном режиме. Wide SCSI удваивает либо учетверяет разрядность шины данных (либо 16, либо 32 бит), допуская соответственно передачи со скоростью либо 10, либо 20 Мбайт/сек. В комбинации Fast-and-Wide SCSI возможно достижение скоростей передачи 20 и 40 Мбайт/сек соответственно.
Однако поскольку в обычном 50-жильном кабеле просто не хватает жил, комитет SCSI решил расширить спецификацию вторым 66-жильным кабелем (так называемый B-кабель). B-кабель имеет дополнительные линии данных и ряд других сигнальных линий, позволяющие реализовать режим Fast-and-Wide.
В реализации режима Wide SCSI предложена также расширенная адресация, допускающая подсоединение к шине до 16 устройств (вместо стандартных восьми). Это значительно увеличивает гибкость подсистемы SCSI, правда приводит к появлению дополнительных проблем, связанных с эффективностью ее использования.
Реализация режимов Wide-SCSI и Fast-and-Wide SCSI до 1994 года редко использовалась, поскольку эффективность их применения не была достаточно высокой. Однако широкое распространение дисковых массивов и дисковых накопителей со скоростью вращения 7200 оборотов в минуту делают эту технологию весьма актуальной.
Следует отметить некоторую путаницу в терминологии. Часто стандартный 50-контактный разъем также называют разъемом SCSI-1, а более новый микроразъем - разъемом SCSI-2. Стандарт SCSI определяет только количество жил в кабеле, и вообще не определяет тип разъема.
Устройства ввода/вывода
Как правило периферийные устройства компьютеров делятся на устройства ввода, устройства вывода и внешние запоминающие устройства (осуществляющие как ввод данных в машину, так и вывод данных из компьютера). Основной обобщающей характеристикой устройств ввода/вывода может служить скорость передачи данных (максимальная скорость, с которой данные могут передаваться между устройством ввода/вывода и основной памятью или процессором). На рис. 9.3. представлены основные устройства ввода/вывода, применяемые в современных компьютерах, а также указаны примерные скорости обмена данными, обеспечиваемые этими устройствами.
Тип устройства
Направление передачи данных
Скорость передачи данных (Кбайт/с)

Клавиатура Мышь Голосовой ввод Сканер Голосовой вывод Строчный принтер Лазерный принтер Графический дисплей (ЦП (r) буфер кадра) Оптический диск Магнитная лента Магнитный диск
Ввод Ввод Ввод Ввод Вывод Вывод Вывод Вывод Вывод ЗУ ЗУ ЗУ
0.01 0.02 0.02 200.0 0.06 1.00 100.00 30000.00 200.0 500.00 2000.00 2000.00

Рис. 9.3. Примеры устройств ввода/вывода











































Лекция 8. Периферия ЭВМ.
Интерфейсы периферийных устройств. Системы визуального отображения информации, клавиатура, принтер, сканер, анимационные устройства ввода-вывода, устройства ввода-вывода звуковых сигналов, стример, оптические запоминающие устройства.


Интерфейсы периферийных устройств
Периферийные устройства, мыши, модем, принтер включаются через адаптеры. Взаимодействие происходит через интерфейс определяющий тип соединителя, уровень и длительность электрических сигналов протокола обмена. На техническом жаргоне стандартные последовательные и параллельные интерфейсы называют протоколами ввода вывода. Порт называют последовательным, когда информационные биты, передаются через него последовательно один за другим, и параллельным когда несколько бит данных передаются одновременно. Параллельный порт чаще всего используется для подключения принтера. В MS-DOS компьютер максимально может работать с тремя параллельными портами, имеющими логические имена LP1, LP2, LP3. В адресном пространстве базовые адреса этих портов 3BCh, 378h, 278h. Первый адрес обычно используется, если порт на плате графического адаптера Gerkules или EGA. На много функциональной плате воды вывода multi I/O card адрес LP1 378h, LP2 278h. Для порта LP1 предусмотрено аппаратное прерывание IRQ7, для LP2 IRQ5. Параллельный порт часто называют интерфейсом Centronixs по имени фирмы разработчика. Интерфейс Centronixs использует сигналы ТТЛ уровней, все микросхемы портов и адаптеров упакованы в одну СБИС. Начиная с базового адреса каждый порт принтера, имеет в адресном пространстве 3 адреса: первый адрес это адрес регистра данных посылаемых от компьютера принтера. Чтение установленных битов данных можно осуществлять потому же адресу. Физически чтение данных происходит через буфер данных. Следующий адрес базовый+1 позволяет читать регистр статуса адаптера (в принтере) через буферную микросхему. В регистре статуса биты 3-7 позволяют определить состояние сигналов интерфейса. Бит три равен нулю Error, бит четыре равен единице Celect, бит пять равен единице Paper out, бит шесть равен нулю подтверждение приема данных, бит семь равен нулю Busi. Чтение регистра статуса имеет смысл при передаче данных на принтер для определения состояния принтера и процессора передачи данных. Адрес третьего порта базовый+2 соответствует регистру управления интерфейса. Этот регистр (только для чтения) позволяет определить состояние принтера: бит ноль равен нулю, сигнал data strobe активен; бит один равен нулю, сигнал outofeed включен; бит два равен нулю инициализация принтера; бит три равен единице принтер выбран; бит четыре равен единице прерывание разрешено. Подсоединение кабеля к адаптеру производится через 25 контактный разъем типа D-Sheel (DIBI 25). А со стороны принтера используется 36 контактный разъем типа Centronixs. Для линии и строб сигналов в кабеле используются витые пары. Сигналы параллельного интерфейса data strobe: когда компьютер посылает данные на принтер он должен в течении 5мссек активизировать (перевести в низкий уровень) данный сигнал, этим принтеру сообщается о готовности данных на соответствующих шинах. Data d0-d7 по этим 8 сигнальным линиям данные передаются от компьютера к принтеру, после установления data strobe принтер читает информацию по ним. Acknowledge если принтер принял выставленные компьютером данные, то в подтверждении, он в течении 10мксек утверждает эту линию в активном низком состоянии. Busi если принтер не может принять данные, то этот сигнал активизируется в высокий уровень, это происходит при инициализации принтера. Если принтер печатает символ, находится в состоянии off line, при появлении внутренней ошибки и при обнаружении конца бумаги. Paper out это сигнал с высоким уровнем сообщает компьютеру об окончании бумаги, дезактивируется при вставлении бумаги. Celect принтер сообщает компьютеру, что он выбран и активен. У многих принтеров данный сигнал постоянно в высоком уровне или вообще не используется. Outofeed активизирование в низкий уровень, продвигает бумагу на строку вперед. Error этот сигнал от принтера активизируется в низкий уровень если принтер в состоянии off line, если закончилась бумага или во время печати произошла ошибка. Init если сигнал активен (низкий уровень) в течении 50- 100мксек, то происходит инициализации принтера как при включении, так же осуществляется буфер печати. Celect input активирование и дезактивирование сигнала аналогичный подаче управляющих кодов DC1 выбор устройства и DC2 отмена выбора устройства. Ground земля. Стандарт IEEE 1284 для повышения скорости передачи по интерфейсу, были разработаны интерфейсы EPP и ECP. Они обеспечивают скорость до 2-5Мбайт в секунду (120-200Кбит в секунду у стандартного Centronixs) и поддерживают двухстороннюю передачу. Эти интерфейсы объединены в одном стандарте IEEE 1284. Стандарт определяет 4 режима работы: полубайтовый, байтовый, ECP и EPP. Режим ECP обеспечивает в обоих направлениях до 4Мбайт в секунду; режим EPP 1,5-2Мбайта в секунду, позволяет подключать к порту CD ROM или винчестер, до 64 устройств. В режиме ECP число устройств до 128. Он поддерживает распознавание ошибок, автоматическую установку скорости передачи, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] данных и их компрессию.
Последовательный порт
Служит для подключения плоттера, удаленного принтера, мыши, модема и т.д. Обычно используются адаптеры с интерфейсом RC-232C (новая версия EIA-232D). Европейские аналоги V24 технические характеристики и V28 электрические характеристики. Под MS-DOS может использоваться до 4 портов с логическими именами com1, com2, com3, com4. Базовые адреса и прерывания: com1 3F8-3FF [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] IRQ4, com2 2F8-2FF прерывание IRQ3, com3 3E8-3EF прерывание IRQ10 (IRQ2), com4 2E8-2EF прерывание IRQ11 (IRQ5). Последний адрес занимает 8 последних адресов, включая и базовый. Через эти 8 адресов происходит обращение к 11 регистрам, которые программируются соответствующим образом. Ядром последнего адреса является микросхема UART 16550A. Она имеет 16 битный буфер на прием и передачу и может использовать несколько каналов ПДП. Логический ноль соответствует U=12B, логическая единица U=-12B. При передаче UART преобразует параллельный код в последовательный, передает его побитно в линию, обрамляя его битами старта, останова и контроля. При приеме осуществляются обратные преобразования. Пересылка возможна на расстоянии не менее 30м, из 25 сигналов RC232 используются 9: TxD передача данных, RxD прием данных, GND земля, и 6 с общим названием корректирующие сигналы. Одно из устройств выступает как DTE оконечное устройство, другое DCE устройство передачи данных. Используется 9 контактный разъем типа Dibi shell, при обмене применяются различные протоколы, максимальная скорость до 115200бит в секунду. Стандартные скорости 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200. BIOS (коммуникационное прерывание 14h) поддерживает скорости до 9600 бит в секунду. Передача данных начинается с изменения линейного сигнала с низкого уровня на высокий (стартовый бит), с токовым битом передается на низкий уровень, может использоваться также контроль по четности. Стандарт USB предельно упрощает соединение компонентов с периферийными устройствами, физически это 2 скрученные пары для передачи в каждом направлении, 4 линия питания +5В. Один порт может адресовать до 63 устройств через цепочку концентраторов, передача данных может идти как в асинхронном, так и в синхронном режиме. Скорость до 12Мбит в секунду, соединение с цифровой телефонной линией без дополнительных плат, все подключенные к USB устройства должны конфигурироваться автоматически.
Системы визуального отображения информации (видеосистемы)
Видеосистемы предназначены для оперативного отображения информации, доведения ее до сведения оператора ЭВМ. Обычно они состоят из двух частей: монитора и адаптера. Монитор служит для визуализации изображения, адаптер для связи монитора с микропроцессорным комплектом.
Классификацию мониторов можно провести по следующим признакам:
по используемым физическим эффектам, по принципу формирования изображения на экране, по способу управления, по длительности хранения информации на экране, по цветности изображения и по его эргономическим характеристикам.
По принципу формирования изображения мониторы делятся на плазменные, электролюминесцентные, жидкокристаллические и электронно-лучевые.
Плазменные, электролюминесцентные и жидкокристаллические мониторы относятся к дисплеям с плоским экраном. Для них характерно: экран имеет малые физические размеры, не мерцает, полностью отсутствует рентгеновское излучение. Мониторы этого вида допускают локальное стирание и замену информации, имеют малый вес и незначительное потребление энергии, большую механическую прочность и длительный срок службы. Плоские экраны уступают мониторам на электронно-лучевых трубках в скорости обновления информации на экране (они медленнодействующие, не приспособлены для демонстрации динамично меняющихся изображений) и в количестве отображаемых цветовых оттенков.
Плазменные и электролюминесцентные мониторы являются активными, излучающими свет. Для работы с ними не нужен посторонний источник света.
Жидкокристаллические - пассивные мониторы. Они работают только при наличии постороннего источника света и способны работать либо в отраженном, либо в проходящем свете. Жидкокристаллические мониторы используют способность жидких кристаллов изменять свою оптическую плотность или отражающую способность под воздействием электрических сигналов.
В плазменной панели элемент изображения образуется в результате газового разряда, который сопровождается излучением света. Конструктивно панель состоит из трех стеклянных пластин, на две из которых нанесены тонкие прозрачные проводники (до 2-4 проводников на 1 мм). На одной пластине проводники расположены горизонтально, на другой - вертикально. Между ними находится третья стеклянная пластина, в которой в местах пересечения проводников имеются сквозные отверстия. Эти отверстия при сборке панели заполняются инертным газом. Вертикально и горизонтально расположенные Проводники образуют координатную сетку; на пересечении проводников находятся элементы изображения - пикселы (от “picture element”). При разрешающей способности 512х512 пиксел такая панель имеет размеры не более 200х200мм и толщину 6-8 мм. В настоящее время созданы цветные плазменные панели с разрешающей способностью экрана 1024х1024 пиксел.
Электролюминесцентные мониторы работают на принципе люминесценции вещества при воздействии на него электрического поля. Люминесцентное вещество распыляется на внутренней поверхности одной из пластин с координатной сеткой. Напряжение на координатные шины подается такое, чтобы на пересечении координатных шин создавалось электрическое поле, достаточное для возбуждения люминофора.
Наибольшее распространение получили мониторы на электронно-лучевых трубках. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой электровакуумный прибор в виде стеклянной колбы, дно которой является экраном. В колбе, из которой удален воздух, расположены электроды: электронная пушка (катод с электронагревательным элементом), анод, вертикально и горизонтально отклоняющие пластины и сетка. Снаружи на ЭЛТ установлена фокусирующая система. Внутренняя поверхность экрана покрыта люминофором, который светится при попадании на него потока электронов. Катод, поверхность которого покрыта веществом, легко отдающим электроны при нагревании, является источником электронов. Возле него образуется “электронное облако”, которое под действием электрического поля анода движется в сторону экрана. По мере приближения к аноду электронный поток увеличивает скорость. Фокусирующая система сжимает поток электронов в тонкий пучок, который с помощью отклоняющих пластин направляется в нужную точку экрана. Сетка служит для регулирования плотности электронного потока. Она расположена гораздо ближе к катоду, чем анод. В зоне ее действия поток электронов имеет небольшую скорость, поэтому она оказывает на поток электронов влияние, сопоставимое с влиянием анода. Сетка может создать электрическое поле, которое тормозит электроны, уменьшает их скорость и плотность потока, движущегося в сторону экрана, и даже может полностью “запереть” трубку, не пропустить поток электронов в сторону экрана.
На отклоняющие пластины ЭЛТ подается пилообразное напряжение, которое отклоняет электронный луч и заставляет его пробегать по всей поверхности экрана, строка за строкой. На поверхности экрана появляется развертка, с помощью которой выводится требуемое изображение - в местах экрана, которые должны оставаться темными, трубка запирается и электронный луч не доходит до поверхности экрана.
В зависимости от формы напряжения, подаваемого на отклоняющие пластины, и способа его получения различаются растровая, матричная и векторная развертки.
Растровая развертка представляет собой набор сплошных горизонтальных линий, заполняющих весь экран. Она формируется с помощью аналоговых приборов - генераторов пилообразного напряжения, отдельно - для строк и отдельно для кадров. Этот вид развертки применяется в телевидении.
Матричная развертка по внешнему виду похожа на растровую. Но формируется она с помощью цифровых схем (счетчиков), связанных с отклоняющей системой через цифро-аналоговые преобразователи. В этом случае электронный луч на экране перемещается не непрерывно, а скачками - от одного пиксела к другому. Поэтому он не рисует линию, а высвечивает матрицу точек - пиксел. При такой развертке легко перевести луч в любую заданную точку экрана - надо только в счетчики строк и кадров поместить координаты этой точки.
Векторная развертка используется для рисования сложных фигур с помощью сплошных линий разной формы. Управление вертикальным и горизонтальным отклонением луча в этом случае осуществляется с помощью функциональных генераторов, каждый из которых настроен на прорисовку определенного графического примитива. Состав графических примитивов, из которых строится изображение, определяется наличием функциональных генераторов.
Максимальное количество строк на экране и количество точек в строке образуют разрешающую способность монитора:

·          низкую: 320 х 200 (320 пиксел в строке, 200 строк на экране);

·          стандартную: 640 х 200,640х350 или 640 х 480;

·          высокую: 750 х 348 или 800 х 600;

·          особо четкую: 1024 х 768 или 1024 х 1024 и выше.
Разрешающая способность оказывает значительное влияние на качество изображения на экране, но качество изображения зависит и от других характеристик: физических размеров элементов изображения (пиксел, или точек), размеров экрана, частоты развертки, цветовых характеристик и др.
Размер элементов изображения зависит от величины зерен люминофора, напыляемого на экран, которая измеряется в миллиметрах и образует ряд:
0.42; 0.39; 0.31; 0.28; 0.26;... Фактически приведенные цифры характеризуют не диаметр точек люминофора, а расстояние между центрами этих точек.
Размер экрана, имеющего прямоугольную форму, обычно измеряется по диагонали в дюймах (12, 14, 15, 17, 21,...). Для экрана с диагональю 14" длина горизонтальной части экрана составляет около 10", а вертикальной -около 9". При длине строки 10" (т.е. 257.5 мм) и размере зерна 0.42 мм, в строке может разместиться 613 пиксел. Поэтому на мониторе с размером экрана 14" и размером зерна 0.42 мм невозможно получить разрешающую способность более 613 пиксел в строке при 535 пикселных строках на экране;
монитор может обеспечить лишь стандартную разрешающую способность (не более 640 х 480). При размере зерна 0.28мм на 14" мониторе максимально можно получить разрешающую способность 800 х 600 (зато на 15" мониторе размер зерна 0.28 позволяет обеспечить разрешающую способность 1024 х 768).
Необходимо отметить, что большее по размерам зерно имеет большую инерционность - электронный луч дольше “разжигает” такое зерно, но оно и светится дольше. Поэтому в мониторах с большим размером зерна частота регенерации не должна быть высокой (25-30 кадров в секунду достаточно, чтобы изображение “не мерцало” из-за угасания зерен люминофора). При уменьшении размеров зерна уменьшается и его инерционность. Поэтому регенерацию экрана в мониторах с зерном 0.26 и меньше приходится проводить чаще (75-100 раз в секунду). Для того чтобы вывести 100 раз в секунду кадр, содержащий 1000 пиксел в строке и 1000 строк, необходимо обеспечить частоту строчной развертки 100 х 1000 х 1000 = 10* Гц = 100 Мгц; частота кадровой развертки при этом составит 100 х 1000 = 105 Гц = 0.1 Мгц.
По длительности хранения информации на экране мониторы делятся на регенерируемые и запоминающие.
В регенерируемых мониторах изображение после однократной прорисовки держится на экране недолго, доли секунды, постепенно угасая. Угасание изображения иногда заметно на глаз - нижние строки могут быть ярче верхних, например. Для поддержания постоянной яркости изображение приходится повторно прорисовывать (регенерировать) 20-25 раз в секунду. А чтобы яркость в различных частях экрана не очень отличалась и для снижения полосы пропускания применяют чересстрочную развертку: при каждой прорисовке сначала рисуются нечетные строки, а затем - четные.
Регенерируемые мониторы незаменимы при визуализации быстропротекающих динамических процессов.
В запоминающих мониторах после однократной прорисовки изображение держится на экране в течение нескольких часов. Для его стирания приходится подавать на экран специальное стирающее напряжение.
Запоминающие мониторы эффективны там, где выведенное изображение нуждается в длительной обработке, например подвергается редактированию или должно быть воспринято (изучено) оператором.
По способу управления яркостью луча мониторы делятся на цифровые и аналоговые. В цифровых мониторах для управления яркостью на сетку подаются дискретные сигналы, которые в зависимости от настройки могут полностью запирать трубку (0) или полностью отпирать ее (1), снижать яркость до 1/2 (0) или обеспечивать полную яркость (1) и т.д.
В аналоговых мониторах на сетку подается непрерывный (аналоговый) сигнал, который может плавно изменять яркость от полного запирания до полного отпирания.
По цветности изображения мониторы делятся на монохромные и цветные.
Цветность монитора на ЭЛТ зависит от люминофорного покрытия экрана. В монохромном мониторе на экране распыляется один люминофор, который и определяет цвет экрана: белый, зеленый и др. В цветном мониторе на экран последовательно напыляются три различных люминофора, каждый из которых светится под воздействием электронного пучка своим цветом. В цветных мониторах в качестве основных цветов применяются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue), в связи с чем они получили название RGB-мониторы. Люминофоры наносятся в виде точек, образующих цветные триады на месте каждого пиксела. В цветных ЭЛТ используются три электронные пушки, каждая из которых может подсвечивать точку только одного цвета. Изменяя интенсивность каждого электронного пучка, можно регулировать яркость точек в цветных триадах. Но точки, из которых состоит пиксел, глазом по отдельности не воспринимаются, так как имеют очень малые размеры и расположены близко друг от друга. Глаз воспринимает их слитно как одну цветную точку, цвет которой зависит от яркости ее компонентов.
В аналоговых мониторах для управления цветом может использоваться одна общая сетка, одновременно воздействующая на все три луча, - такой монитор называется композитным. В нем одновременно с изменением яркости изображения изменяется и цвет. Это один из самых ранних мониторов, в настоящее время для получения цветного изображения не применяется. Самые большие возможности цветообразования - у аналоговых RGB-монито-ров с раздельным управлением яркостью трех лучей. В этих мониторах используются три сетки, каждая из которых находится в непосредственной близости от “своей” электронной пушки и управляет интенсивностью только ее луча. Такие мониторы способны воспроизводить на экране сотни тысяч различных цветов.
В цифровых мониторах управление цветом осуществляется раздельно по каждому лучу. При использовании трех сеток (на каждую из которых может подаваться один из двух сигналов: 0 или 1) на экране могут быть воспроизведены 23 = 8 цветов: это цифровой RGB-монитор.
Если, кроме трех таких сеток, в мониторе установлена общая сетка, управляющая интенсивностью всех трех лучей сразу (сетка интенсивности - Intensity), то такой монитор называется IRGB-монитором и способен воспроизвести на экране 24 == 16 различных цветов.
В третьей разновидности цветных цифровых мониторов для управления цветом каждого луча установлено по две сетки. Поскольку сетки находятся на различном расстоянии от электронной пушки, их влияние на электронный луч различно - одна из сеток может ограничить интенсивность луча на 1/3, другая - на 2/3, вместе они способны полностью отпереть или запереть электронный луч. Такой цифровой монитор называется RGBrgb-монитором, он способен воспроизвести на экране 26 = 64 различных цвета.
По эргономическим характеристикам мониторы делятся на обычные;
с пониженным рентгеновским излучением (LR - Low Radiation) - соответствующие стандарту на ограничение электромагнитных излучений; с антистатическим экраном (AS); работающие в энергосберегающем режиме - снижающие потребление энергии в режиме ожидания (“Green”).
Связь ЭВМ с монитором осуществляется с помощьюадаптера - устройства, которое должно обеспечивать совместимость различных мониторов с микропроцессорным комплектом ЭВМ.
Существуют пять стандартных видеоадаптеров, в полной мере обеспечивающих совместимость различных по конструкции мониторов с ЭВМ:

·          MDA - монохромный дисплейный адаптер;

·          CGA - цветной графический адаптер;

·          MGA - монохромный графический адаптер;

·          EGA - улучшенный графический адаптер;

·          VGA - видеографическая матрица.
Кроме них существуют и другие адаптеры, например - Геркулес, PGA, SVGA и др. Но они не поддерживают некоторые общепринятые режимы работы мониторов и вследствие неполной совместимости не позволяют реализовать любое программное обеспечение IBM PC.
Адаптер MDA, разработанный фирмой IBM, является одним из самых ранних адаптеров, может воспроизводить лишь алфавитно-цифровую информацию и небольшое количество служебных символов. В нем отсутствуют графические возможности. Он обеспечивает разрешающую способность экрана 80 х 25 символов, размер точечной матрицы символа 9х14 пикселов.
Адаптер CGA, производимый той же фирмой, обеспечивает воспроизведение информации только со средним разрешением и ограниченным количеством цветов (этот адаптер был предназначен для работы с цифровыми RGB-монигорами). Обеспечивает разрешающую способность 80 х 25 символов на экране, имеет точечную символьную матрицу 8х8 пиксел. Из-за небольшого объема видеопамяти (всего 16 Кбайт) в графическом режиме адаптер обеспечивал при низкой разрешающей способности (320 х 200 пиксел) воспроизведение 4 цветов (способность монитора - 8 цветов), а при нормальной разрешающей способности мог работать только в монохромном режиме. Поскольку монитор позволял воспроизвести большее количество цветов, все цвета были разделены на две палитры: палитра 0 -зеленый, красный и коричневый (+ черный), палитра 1 - голубой, фиолетовый и белый. Переключение палитр производится с помощью прерывания BIOS.
Адаптер EGA начал выпускаться с 1984 г. и был оснащен видеопамятью емкостью 64, 128 или 256 Кбайт. Адаптер разрабатывался для монитора RGBrgb, способного воспроизводить 64 цвета. Но малый объем видеопамяти позволял работать с 4 палитрами по 16 цветов.
Видеографический матричный адаптер VGA, разработанный в 1988 г., позволял реализовать 640*480 точек в графическом режиме при 64-256 (зависит от объема видеопамяти) одновременно отображаемых цветах из 262 144 возможных. В текстовом режиме адаптер VGA позволяет отображать на экране 80 х 25 или 80 х 50 символов. Количество цветов, отображаемых в этом режиме, ограничено 16 цветами из 256 возможных. Ограничение на количество воспроизводимых цветов накладывает архитектура адаптера, стремление сделать его совместимым с адаптером EGA.
Исторически сложилось, что дисплеи могут работать в одном из двух режимов:символьном или графическом,
В символьном режиме на экран может выводиться ограниченный состав символов, имеющих четко определенный графический образ: буквы, цифры, знаки пунктуации, математические знаки и знаки псевдографики. Состав этих символов определен системой кодирования, применяемой в данной ЭВМ. В Robotron 1715 состав символов определяется кодом КОИ-7; в ЕС ЭВМ - кодом DKOI, в IBM PC - кодом ASCH.
Для вывода символа на экран дисплея сначала определяется позиция, в которой должен появиться символ (номер символа в строке и порядковый номер строки), а затем по коду символа определяется его форма, которая и высвечивается на экране. Предельное количество символов, одновременно размещаемых на экране, называется информационной емкостью экрана. В символьном режиме на экране монитора IBM PC может быть высвечено 40, 80 или 132 (VESA BIOS EXTENTION) символа в строке. Всего на экране помещаются 25, 50 или 60 строк.
Форма выводимого символа определяется знакогенератором дисплея, в котором хранятся коды формы всех символов ASCII.
В графическом режиме изображение на экране формируется из отдельных точек (пиксел), имеющих свои адреса (номер пиксела в строке х номер пикселной строки). В простейшем случае каждому пикселу экрана соответствует один пиксел, видеопамяти, который и определяет, светлым или темным должна быть соответствующая точка на экране. Если кроме этого необходимо указывать цвет пиксела, то количество битов видеопамяти, характеризующих каждый пиксел, приходится увеличивать. Поэтому для графического режима требуется большая память, чем для символьного, при той же разрешающей способности экрана.
Основу адаптера любого типа составляет видеопамять: обычная динамическая (DRAM) или специальная двухпортовая (VRAM), допускающая одновременное обращение как со стороны системной магистрали, так и со стороны монитора.
Начиная с адаптера EGA видеопамять имеет плоскостную структуру: вся память делится на битовые плоскости. В каждой битовой плоскости одному пикселу выделяется один бит. Длина битовой плоскости определяет разрешающую способность экрана. Количество битовых плоскостей (в каждой из которых выделено по одному биту для соответствующего пиксела) определяет, сколько бит отводится для хранения атрибутивного признака пиксела. Если видеопамять имеет одну битовую плоскость, то такой дисплей может работать только в монохромном режиме (пиксел может быть либо ярким, либо темным). При наличии двух битовых плоскостей в видеопамяти может храниться 22=4 значения, определяющих, как должен выглядеть пиксел на экране (при цветном мониторе - четыре цвета, один из которых с кодом 00 - черный (т.е. фактически с помощью двух битовых плоскостей можно управлять RGB-монитором). При 8 битовых плоскостях атрибут пиксела обеспечивает кодирование 28=256 цветов - такой адаптер эффективно применять только для аналоговых RGB-монигоров, в которых между видеопамятью и управляющими цветом электродами ЭЛТ ставится цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter - DAC). B DAC из видеопамяти подается код цвета. Из DAC в ЭЛТ выдается аналоговый сигнал (код цвета преобразуется в величину напряжения на управляющем электроде).
Иногда между видеопамятью и DAC ставятся регистры палитры (RAM DAC). Атрибутивный признак каждого пиксела в этом случае обозначает номер регистра палитры, в котором хранится код цвета данного пиксела. При выборке соответствующего регистра палитры находящийся в нем код цвета передается в DAC и управляет свечением пиксела. Объем RAM DAC равен количеству имеющихся в наличии регистров палитры (в адаптере EGA - 16, в адаптере VGA для цифрового монитора - 64). RAM DAC загружается кодами цветов выбранной палитры с помощью специальной видеофункции BIOS перед началом работы, поэтому объем RAM DAC определяет, сколько цветов может одновременно находиться на экране (монитор может обеспечить и большее количество цветов, но количество регистров палитры ограничивает количество цветов выбранной палитрой).
Начиная с адаптеров SVGA (Super VGA), на которые нет единого стандарта, предпринимаются попытки снять ограничения, накладываемые выбором палитры - для этого код цвета из видеопамяти передается на DAC в момент “разжигания” пиксела. В режиме High Color на DAC передается 15-битовый код цвета (по 5 бит на каждый луч). В режиме True Color - 24-битовый код цвета (по 8 бит на каждый луч). Видеопамять для этого должна иметь соответственно 15 или 24 битовые плоскости.
Скорость обмена видеопамяти с DAC определяется продолжительностью разжигания (регенерации) одного пиксела и характеризуется частотой, которая при достаточно большой разрешающей способности превышает 200 Мгц. Поэтому указанные режимы используются для профессиональной обработки цветных изображений и нуждаются в очень дорогой, быстродействующей аппаратуре.
Физически видеопамять может иметь линейную структуру. Разбиение ее на видеоплоскости в этом случае может осуществляться программным путем - с помощью драйвера дисплея. Поэтому есть возможность одну и ту же видеопамять использовать для различной разрешающей способности экрана (изменяя длину битовой плоскости) и для различного количества воспроизводимых на экране цветов (изменяя количество битовых плоскостей). Поэтому при фиксированном объеме памяти можно увеличить разрешающую способность (но при этом сократится количество воспроизводимых цветов) или увеличить количество воспроизводимых цветов (снизив соответственно разрешающую способность экрана). Если же видеоплоскости реализованы аппаратно, переключение режимов (мод экрана) может в ограниченных пределах эмулироваться драйвером дисплея.
Для воспроизведения динамических (движущихся, анимационных) изображений видеопамять приходится делить на страницы, которые поочередно выводятся на экран при каждой регенерации (пока одна страница выводится на экран, вторая заполняется очередным кадром).
Во всех адаптерах часть видеопамяти отводится под знакогенератор, в котором записаны коды формы выводимых на экран символов. В некоторых случаях в видеопамяти приходится хранить несколько знакогенераторов, например с национальными шрифтами.
Кроме видеопамяти в состав адаптера входят блок сопряжения с монитором, различные ускорители (графический, Windows-ускоритель, ЗD-ускори-тель и др.), которые предназначены для выполнения вычислительных операций без обращения к МП ЭВМ, блок управления.
.2. Клавиатура
Клавиатура - это одно из основных устройств ввода информации в ЭВМ, позволяющее вводить различные виды информации. Вид вводимой информации определяется программой, интерпретирующей нажатые или отпущенные клавиши. С помощью клавиатуры можно вводить любые символы - от букв и цифр до иероглифов и знаков музыкальной нотации. Клавиатура позволяет управлять курсором на экране дисплея -устанавливать его в нужную точку экрана, перемещать по экрану, “прокручивать” экран в режиме скроллинга, отправлять содержимое экрана на принтер, производить выбор при наличии альтернативных вариантов и т.д.
Общее число клавиш в основной модификации клавиатуры - 83, в расширенной клавиатуре - до 101.
Сигналы, поступающие от клавиатуры, проходят трехуровневую обработку: на физическом, на логическом и на функциональном уровнях.
Физический уровень имеет дело с сигналами, поступающими в вычислительную машину при нажатии и отпускании клавиш.
На логическом уровне, реализуемом BIOS через прерывание 9, скан-код транслируется в специальный 2-байтовый код. Младший байт для клавиш группы 1 содержит ASCII-код, соответствующий изображенному на клавише знаку. Этот байт называют главным. Старший байт (вспомогательный) содержит исходный скан-код нажатой клавиши.
На функциональном уровне отдельным клавишам программным путем приписываются определенные функции. Такое “программирование” клавиш осуществляется с помощью драйвера-программы, обслуживающей клавиатуру в операционной системе.
На IBM PC AT используется клавиатура с большим количеством клавиш. На этих машинах есть возможность управлять некоторыми функциями клавиатуры, например, изменять время ожидания автоповтора, частоту автоповтора, зажигать и гасить светодиоды на панели управления клавиатурой.
Устройство клавиатуры не является простым: в клавиатуре используется свой микропроцессор, работающий по прошитой в ПЗУ программе. Контроллер клавиатуры постоянно опрашивает клавиши, определяет, какие из них нажаты, проводит контроль на “дребезг” и выдает код нажатой или отпущенной клавиши в системный блок ЭВМ.
7.3. Принтер
Принтер - это внешнее устройство ЭВМ, предназначенное для вывода информации на твердый носитель в символьном или графическом виде.
Классификация принтеров может быть проведена по следующим критериям: по способу вывода, по принципу формирования изображения, по способу регистрации и по принципу управления процессом печати.
Поспособу вывода изображения принтеры делятся на две группы: символьные и графические. Символьные принтеры могут выводить информацию в виде отдельных символов по мере их поступления в печатающее устройство (ПУ). При этом за один цикл печати формируется один знак (посимвольные ПУ). В построчных ПУ вывод на печать осуществляется только после заполнения буферного ЗУ, которое по емкости равно одной строке. Постраничные ПУ за один цикл печати формируют и распечатывают целую страницу.
Графические печатающие устройства выводят информацию не целыми символами, а отдельными точками или линиями. Количество точек на единицу длины определяет разрешающую способность принтера, которая имеет разную величину в зависимости от направления: по горизонтали и по вертикали. В принтерах этого типа каждая точка имеет свои координаты, которые являются адресом этой точки.
Попринципу формирования выводимого изображения ПУ делятся на три вида: литерные, матричные и координатные (векторные).
Литерные устройства выводят информацию в виде символов, каждый из которых является графическим примитивом данного устройства. Литеры сформированы при изготовлении принтера, нанесены на специальные рычаги или литерные колеса-шрифтоносители и при эксплуатации принтера без замены шрифтоносителя не изменяются.
Матричные ПУ выводят информацию в виде символов, сформированных из отдельных точек, объединенных в символьную матрицу. Печатающая головка матричного принтера имеет вертикальный ряд иголок, каждая из которых может сделать оттиск самого маленького элемента изображения - пиксела (точки). Печать символа происходит при перемещении головки по горизонтали. Если подлежащий печати символ имеет размеры большие, чем может обеспечить печатающая головка, такой символ печатается за несколько проходов, после каждого из которых осуществляется перемещение по вертикали (относительно печатающей головки) носителя изображения (например, бумаги).
Одной из наиболее существенных характеристик матричного принтера является количество иголок, с помощью которых формируется изображение. В печатающей головке принтера могут находиться 9,18 или 24 иголки, которые располагаются вертикально в 1-2 ряда. От количества иголок, их расположения и размера зависят качество и скорость печати. Качество печати регулируется переключением режима: Draft (черновая печать за один проход), LQ (чистовая печать), NLQ (получистовая печать) и определяет скорость печати (количество знаков в секунду) и разрешающую способность (количество точек, печатаемых на одном дюйме). Обычно матричные принтеры имеют диаметр иголки около 0.2 мм, скорость печати от 180 до 400 символов в секунду (в режиме Draft), разрешение 360 х 360 точек на дюйм.
Координатные ПУ - плоттеры, графопостроители - выводят информацию как текстовую, так и графическую либо в виде отдельно адресуемых точек, либо сформированную из различных линий - так называемое “штриховое” изображение. При решении экономических задач координатные ПУ используются редко.
Поспособу регистрации изображения ПУ делятся на ударные и безударные.
ПУ ударного действия формируют изображение на бумаге, сжимая с помощью удара на короткий промежуток времени рельефное изображение символа или его части, красящей ленты и бумаги. Иногда краска наносится на поверхность литеры, красящая лента в этом случае отсутствует.
Существуют принтеры, использующие ударочувствительную бумагу, цвет которой изменяется за счет механического воздействия на нее без дополнительного нанесения краски.
ПУ безударного действия характеризуются тем, что изображение на бумагу наносится через промежуточный носитель, чувствительный к электрическому воздействию, электростатическому полю, магнитному полю, и др. Обычно промежуточный носитель исполняется в виде барабана. Изображение на него наносится лазерным лучом, с помощью магнитных головок и др. Затем изображение на промежуточном носителе проявляется - на поверхность барабана наносится смесь сухого красителя с порошком, “прилипающим” к зафиксированному на барабане изображению (например, если изображение наносилось на барабан магнитным полем, в качестве порошка используются мелкие металлические опилки). После этого к барабану “прикатывается” чистый лист бумаги, на который переносится краситель с барабана. Лист с накатанным на него красителем подвергается термообработке - нагревается до расплавления красителя, который в жидком виде проникает в поры бумаги и хорошо закрепляется на ней. После расплавления красителя отдельные точки сливаются в единое целое, поэтому качество изображения получается высоким. Разрешающая способность таких принтеров очень высока. Например, лазерные принтеры Lazerjet III и Lazerjet IV обеспечивают 300-600 точек на дюйм. Скорость печати у лазерных принтеров измеряется количеством страниц в минуту и составляет 4-12 стр/мин при монохромной печати и 2-6 стр/мин при цветной печати.
К ПУ безударного действия также относятся термические принтеры, использующие термочувствительную бумагу, которая изменяет свой цвет под действием тепловых лучей, и струйные принтеры, у которых жидкий краситель (чернила) находится в печатающей головке. Головка имеет отверстия, через которые краситель не может вылиться из-за сил поверхностного натяжения. Внутри головки находится терморезистор, который при подаче на него импульса тока разогревает краситель, увеличивая его испарение. Пары красителя проникают через отверстие в головке и попадают на бумагу в виде капли. Благодаря тому что головка может работать с несколькими красителями, выпускаются и цветные струйные принтеры. Длительностью нагрева терморезистора можно регулировать количество выбрасываемых чернил, а следовательно, размеры и яркость точки. Разрешающая способность струйных принтеров составляет от 360 до 720 точек на дюйм. Скорость печати 4-10 страниц в минуту. Печатающая головка струйного принтера содержит от 48 до 416 отверстий (сопел).
Несмотря на большое разнообразие типов принтеров, различия принципов управления печатью касаются в основном способов знакогенерации. Матричный принтер, а также большинство принтеров безударного действия формируют изображение из отдельных точек, образующих символьную матрицу.
Обычно кодовые комбинации, характеризующие форму символов на матрице, образует матричный шрифт (фонт), который заносится в запоминающее устройство знакогенератора.
Каждый шрифт (фонт) представляет собой комплект букв, цифр и специальных символов, оформленных в соответствии с едиными требованиями.
Альтернативой матричной является векторная знакогенерация. Векторные шрифты строятся на базе математического описания формы символа. Для векторной знакогенерации характерна легкость изменения формы, размеров, наклона шрифта, поэтому они называются свободно масштабируемыми шрифтами. Генерация шрифтов и управление процессом вывода изображения производятся для векторных шрифтов на специальном языке (PCL, PostScript).
При использовании векторных шрифтов математическое описание формы каждого символа ;с учетом его размеров и стиля преобразуется перед печатью в матричную форму в соответствии с конкретными "размерами матрицы принтера. Поэтому форма шрифта, выводимого на различные устройства, остается примерно постоянной, не зависящей от расстояний между точками и размеров символов. Для такого преобразования в состав печатающих устройств включаются вычислительные устройства - ускорители, в качестве которых нашли применение матричные процессоры, транспьютеры. Это накладывает серьезный отпечаток на архитектуру системы управления принтером.
.4. Сканер
Сканер - это внешнее устройство ПЭВМ, позволяющее вводить двухмерное (т.е. плоское) изображение.
Конструкция сканеров в значительной степени определяется типом вводимого изображения: штриховое или полутоновое, монохромное или цветное.
Штриховое изображение (рисунок, текст) состоит из темных линий на светлом фоне. По яркости элементы рисунка могут быть либо темными, либо светлыми - промежуточных значений в штриховом рисунке нет.
Полутоновое изображение (рисунок, фотография) состоит из элементов, различающихся яркостью. Для монохромных изображений степень светлоты элементов изображения оценивается интенсивностью оттенков серого. Технические средства способны различать ограниченное количество оттенков серого, поэтому аналоговая величина - степень светлоты элемента изображения - подвергается дискретизации и оценивается числом по дискретной шкале серого. (Шкала серого представляет собой набор полей с оттенками серого, с одной стороны которой находится белый цвет, а с другой - черный.)
; Для точности передачи изображения существенное значение имеет разрешающая способность считывающей или воспроизводящей аппаратуры, которая оценивается количеством наименьших элементов изображения (пиксел или точек) на единицу длины (сантиметр или дюйм). Газетные фотографии выполняются с разрешающей способностью 65 точек на дюйм, фотографии в журналах -150 точек на дюйм. Матричный принтер может обеспечить разрешающую способность до 300 точек на дюйм, струйные и лазерные принтеры - до 1000. Но точки в принтерах и в полиграфических материалах неодинаковы: в полиграфических материалах расстояние между центрами точек стандартное, интенсивность всех темных точек одинакова, а размеры точек различаются - впечатление серого создается за счет измененияих размеров. Поскольку расстояние между точками не меняется, увеличение размеров темной точки приводит к уменьшению светлого промежутка и смещению оттенка серого в сторону более темного.
Матричные и лазерные принтеры изменить размеры точек не могут. Поэтому при формировании полутонового изображения пикселы группируются, образуя более крупные элементы изображения - ПЭЛы (рис.7.1).
На рис.7.1, а изображен 100%-ный черный ПЭЛ, на рис.7.1, б и 7.1, в -ПЭЛы, соответствующие 50%-ному уровню серого тона.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 7.1. Укрупнение элементов изображения: формирование ПЭЛов
Если разрешающую способность лазерного принтера измерять не количеством пиксел на дюйм, а количеством ПЭЛов на дюйм, то она приближается к разрешающей способности, обеспечиваемой в полиграфических изданиях журнального типа.
Использование ПЭЛов в принтерах позволяет также устранить ступенчатость формы матричных изображений наклонных линий.
При считывании и отображении полутоновых изображений существенное место занимает вопрос: какое количество уровней серого должна обеспечивать (воспринимать или отображать) аппаратура?
Глаз человека способен различать около 200 оттенков серого. Поэтому требовать от аппаратуры большего разрешения не следует. Для оцифровки такого количества оттенков необходимо 8 бит на каждый ПЭЛ. Для хранения оцифрованного изображения размером 9 х 12см при разрешающей способности 300 ПЭЛ на дюйм необходимо около 1 Мбайт памяти.
Принцип работы сканера заключается в том, что поверхность изображения освещается перемещающимся лучом света, а светочувствительный прибор (фотоэлемент, фотодиод или фотоэлектронный умножитель) воспринимает отраженный свет, интенсивность которого зависит от яркости освещенного участка изображения, и преобразовывает его в электрический сигнал. Полученный электрический сигнал преобразовывается из аналоговой в цифровую форму и в виде цифровой характеристики яркости точки поступает в ЭВМ.
Такой сканер считывает изображение в графическом виде; полученное изображение может быть сохранено в памяти ЭВМ, обработано графическим редактором или выведено на дисплей или принтер. Если был введен текст, то при отображении на дисплее или принтере его можно прочитать. Использовать же текстовые редакторы для работы (редактирования, форматирования) с таким документом не представляется возможным.
Перед обработкой просканированного изображения текстовым редактором необходимо графическое изображение текста преобразовать в код ASCH. Такое преобразование осуществляется программными или аппаратурными средствами распознавания образов.
Луч света, с помощью которого сканируется изображение, должен последовательно, элемент за элементом осветить все изображение. В зависимости оттого, каким образом осуществляется последовательное освещение элементов изображения, различаются оптические читающие устройства со считыванием изображений линейкой и матрицей фотоэлементов, со спиральной барабанной разверткой; со считыванием методом “бегущего луча”, “слежением за контуром”.
Считывание линейкой фотоэлементов заключается в том, что изображение освещается полоской света, а отраженный свет падает на фотоэлементы, смонтированные в виде линейки. Каждый фотоэлемент фиксирует попавшую на него часть светового потока. Электрический сигнал считывается последовательно со всех элементов линейки. После считывания полоска света (вместе со считывающей головкой) перемещается на следующую часть документа (или полоска света неподвижна, а перемещается документ относительно считывающей головки).
Считывание матрицей фотоэлементов производится аналогично, но фотоэлементы смонтированы в виде матрицы (например, размером со считываемый документ). Освещение документа в этом случае производится всего целиком, а не отдельной полоски. Перемещения документа относительно считывающей головки не требуется.
Если фотоэлементы выполняются в виде микросхемы, то разрешающая способность такого считывателя может быть достаточно высокой. Если же они выполнены в виде отдельных конструктивных элементов и собираются в линейку или матрицу при сборке устройства, то из-за больших физических размеров компонентов считыватель обладает невысокой разрешающей способностью. Повысить разрешающую способность линейки или матрицы можно, проектируя на нее считываемое изображение с увеличением.
Оптические считыватели со спиральной барабанной разверткой состоят из барабана с закрепленным на нем носителем считываемого изображения, зеркала, источника света, фотоэлемента и механического привода для вращения барабана и перемещения зеркала).
Оптические считыватели методом “бегущего луча” построены по принципу растровой развертки. В качестве луча света может использоваться либо свет от экрана электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), либо лазерный луч, отклоняемый системой зеркал.
В состав считывателя входят: генератор развертки, ЭЛТ, экран со считываемым изображением, объектив, фотоэлемент и блок кодирования изображения с АЦП.
Генератор развертки вырабатывает напряжение, перемещающее электронный луч на экране ЭЛТ. Нанесенный на экран люминофор является перемещающимся источником света (для этого ЭЛТ должна иметь люминофор с очень коротким послесвечением): электронный луч рисует на экране матрицу точек, которая проектируется на экран со считываемым изображением. Каждый пиксель экрана работает как импульсный источник света: при вспыхивании он освещает соответствующую точку изображения, отраженный свет от которой фиксируется фотоэлементом и преобразовывается в цифровой код изображения.
Считывание “слежение за контуром” производится аналогично, но генератор развертки рисует на экране матрицу или растр только до того момента, пока на изображении не встретилась линия. После этого блок сканирования переключает генератор развертки в режим слежения за контуром и запоминает направление перемещения луча - эта информация оформляется как векторное описание считанного изображения.

Рис. 7.3. Схема оптического считывателя методом “бегущего луча”
Все рассмотренные системы считывания изображения позволяют получить графическое (но не символьное) представление информации.
Но аппаратурные средства могут преобразовывать считанное изображение в символьный вид. Для этого используются устройства считывания с распознаванием: сравнением с эталонами, методом зондов и нейронные системы типа “перцептрон”.
Блок считывания (в качестве которого может использоваться любой рассмотренный ранее считыватель) передает цифровое описание считанного изображения (или его фрагмента) в сравнивающее устройство, на другой вход которого поступают описания известных объектов из памяти с эталонами. При совпадении эталона со считанным изображением вырабатывается сигнал распознавания, и на выход считывателя выдается код распознанного элемента (если распознается текст - то код ASCII).
Метод зондов заключается в особом построении линеек (или матриц) фотоэлементов.
На такой зонд проецируется распознаваемый символ. По комбинации затененных линеек опознается символ, и на выход распознающей системы поступает код распознанного символа.
Конструктивно сканеры выпускаются в двух вариантах: портативные и настольные.
Портативные сканеры представляют собой устройство, внешне похожее на мышь, которое перемещается по вводимому в ЭВМ изображению. Обычно сканеры имеют небольшие размеры (ширина 2,5 дюйма = 6,4 см). Поэтому большие изображения (как, например, лист текста формата A4) приходится считывать за несколько проходов. Но в поставляемом вместе со сканером программном обеспечении предусмотрена функция “склейки” изображений, которая позволяет соединить считанные за разные проходы части в единое целое. Разрешающая способность таких сканеров редко превышает 400 пиксел на дюйм, каждый пиксел сопровождается четырехбитовым кодом уровня серого, что соответствует 16 оттенкам шкалы яркости. Считанное таким сканером изображение можно распечатать без преобразования на цветном принтере. Для печати же на черно-белом принтере его нужно преобразовать из полутонового в" штриховое, шкала яркости которого имеет только два уровня - белое и черное.
Настольные сканеры выпускаются трех типов:
sheet-fed- строчный сканер, в котором носитель изображения пропускается через неподвижную считывающую головку (считывать можно только листовой материал, книги и журналы - нельзя);
flat-bed - страничный сканер, в котором считываемое изображение неподвижно;
over-head- сканер-планшет проекторного типа, в котором считываемое изображение помещается на экране (изображением вверх), считывающий блок расположен вверху устройства.
Сравнительный анализ сканеров различных фирм, проводимый журналом PC Magazine, неоднократно отмечал высокое качество сканеров фирмы Hewlet Packard, представителями которых являются черно-белый сканер Scan Jet IIP и цветной Scan Jet IIiсх. Они обеспечивают оптическое разрешение 300400 точек на дюйм, способны воспринять 256 оттенков серого. Сканер читает страницу формата A4 за 10 с. Но фирменное программное обеспечение осуществляет распознавание только латинских символов. Удовлетворительная степень распознавания символов достигается только для текстов, отпечатанных на пишущей машинке или шрифтом Courier на лазерном или струйном принтере.
7.5. Анимационные устройства ввода-вывода
Необходимость использования специализированных технических средств для компьютерной графики и анимации (т.е. воспроизведения движущихся изображений) объясняется высокими требованиями к системам отображения информации, к качеству воспроизводимого изображения. При воспроизведении статических изображений повышение качества связано с увеличением разрешающей способности экрана и улучшением цветопередачи, что, в свою очередь, требует значительного увеличения видеопамяти и емкости внешних ЗУ. Необходимость работы в реальном масштабе времени при демонстрации фильмов (т.е. динамических изображений) предъявляет высокие требования к производительности ЭВМ, причем не только производительности центрального процессора, но и скорости обмена с внешними устройствами. Дополнительные трудности возникают и вследствие того, что в качестве внешних устройств приходится использовать видео- и аудиоаппаратуру, в которой реализованы иные принципы представления информации: информацию приходится перекодировать, что также требует дополнительных временных, аппаратурных и программных ресурсов. Кроме того, редактирование видеоинформации, перекодирование ее, создание видеоэффектов часто связаны с вычислительной обработкой, а следовательно, с дополнительными затратами времени.
Таким образом, при использовании ЭВМ для создания и демонстрации компьютерной графики и анимации требуются: высокая производительность всего технического комплекса, специализированные преобразователи информации, технические средства для высококачественного отображения, ввода-вывода и хранения больших объемов информации.
Производительность технического комплекса определяется, с одной стороны, производительностью его составных частей, а с другой - согласованностью составных частей, отсутствием простоев их из-за ожидания друг друга; совмещением во времени различных операций.
Технический комплекс - микропроцессорный комплект; интерфейс ввода-вывода; устройства ввода-вывода - представляет собой последовательно соединенную систему с параллельными ветвями со стороны УВВ. Производительность такой системы зависит от быстродействия микропроцессорного комплекта, пропускной способности интерфейса ввода-вывода, производительности и способа подключения УВВ, наличия специальных “ускорителей” в различных устройствах, а также от принятой в системе технологии обмена информацией между отдельными частями технического комплекса (при этом нужно учитывать, что одним из элементов этого комплекса может являться человек-оператор, воспринимающий выводимую информацию и обладающий определенными параметрами, например, такими, как время реакции - величиной, не сопоставимой с временем выполнения операций электронной частью комплекса, или время восприятия информации, инерционность зрения, к которым приходится подстраивать программно-технические комплексы.
Поскольку высококачественное изображение требует очень больших объемов памяти для хранения каждого кадра изображения, для воспроизведения фильмов необходимо выводить на экран не менее 24 кадров в секунду (чтобы устранить мелькание изображения), а человеку необходимо для восприятия изображения не менее 30 с., для хранения фильмов реальной длительности в цифровом виде нужны запоминающие устройства очень большого объема. Это удорожает такие системы и приводит к поиску способов сжатия информации, для чего нашли широкое распространение как программные, так и аппаратурные преобразователи.
Обилие разновидностей обрабатываемой в системах компьютерной графики и анимации информации приводит к необходимости использования различных устройств ввода: клавиатур, систем координатного ввода, оптических читающих устройств, устройств ввода акустической информации, анимационных устройств ввода и др. и соответствующих устройств вывода информации: дисплеев, графических экранных станций синтезаторов .речи, акустических систем, анимационных устройств вывода и др.
В составанимационных устройств ввода-вывода входят видеокамера, видеомагнитофон и телевизор, а также преобразователи видеосигналов.
Таким образом,видеомагнитофон - это запоминающее устройство, специализирующееся на приеме, записи и воспроизведении динамической видеоинформации.
Структурная схема видеомагнитофона приведена на рис.7.8.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 7.8. Структурная схема видеомагнитофона
Для приема высокочастотного телевизионного сигнала служит тюнер -приемник телевизионных сигналов.
Видеомагнитофон - устройство сложное и дорогое. Поэтому среди бытовой телевизионной аппаратуры появились специализированные устройства, выполняющие отдельные функции: плеер- устройство, позволяющее считывать информацию с видеокассеты для воспроизведения на телевизоре; пишущий плеер - устройство, позволяющее записывать видеоизображение с телевизора (который выполняет функцию тюнера) на видеокассету и считывать информацию с видеокассеты для воспроизведения ее на телевизоре.
При записи на магнитную ленту осуществляется преобразование приходящего видеосигнала из временной формы в пространственную. Частотные характеристики сигнала при таком преобразовании должны оставаться прежними. При ширине рабочего зазора магнитной головки 0,4 микрона для записи видеосигнала с верхней граничной частотой 6 МГц скорость движения ленты относительно головки должна составлять 2,4 м/с. Видеокассеты с 250 м ленты при такой скорости хватит лишь на несколько минут.
Для уплотнения информации на ленте и для более полного использования ее поверхности применяются вращающиеся магнитные головки. Принцип действия вращающихся магнитных головок приведен на рис.7.9, а.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ] Рис. 7.9. Принцип действия вращающихся магнитных головок
На диаметрально противоположных сторонах вращающегося барабана располагаются две магнитные головки, работающие по очереди. Барабан имеет направление вращения под углом 6° к магнитной ленте (рис.7.9, б). Благодаря этому видеодорожки на магнитной ленте наносятся под углом (штрихами) (рис. 7.9, в). Каждый штрих соответствует полукадру экрана. За один полный оборот барабана записывается весь кадр. Вращение барабана синхронизировано с принимаемым сигналом. Такая система позволяет сократить линейную скорость движения ленты до 2,34 см/с. Барабан вращается со скоростью 1500 об/мин. Скорость ленты относительно головок на барабане составляет 5 м/с.
Помимо приема, записи и считывания видеоинформации, видеомагнитофоны могут выполнять дополнительные функции, что расширяет возможности их использования и позволяет реализовать различные видеоэффекты.
.
В зависимости от того, как именно передаются цветоразностные сигналы, различаются две системы цветного телевидения - СЕКАМ (советско-французская) и ПАЛ (германская).
В системе СЕКАМ цветоразностные сигналы передаются через строку поочередно, на разных несущих частотах. Причем полная информация о цвете передается в двух строках, в результате чего каждая пара строк оказывается одноцветной (но из-за чересстрочной развертки одноцветные строки не находятся рядом).
В системе ПАЛ цветоразностные сигналы передаются одновременно на одной поднесущей частоте со сдвигом фаз на 90°.
Преобразование телевизионных сигналов в компьютерные заключается в выделении сигналов Y, B-Y, R-Y и синхроимпульсов, их очистке от сигналов звукового сопровождения и вычислении по ним сигналов R, G, В и адресов пиксел на экране. Преобразование осуществляется видеоплатами (Video Biaster, Video Recorder, Video Converter), работающими с адаптером VGA или SVGA (адаптер дисплея должен иметь дополнительный внутренний разъем, к которому видеоплата подключается с помощью ленточного кабеля). Иногда видеоплаты (как, например, Tuner Biaster) имеют антенный вход, что позволяет обходиться без телевизионной аппаратуры.
7.6. Устройства ввода-вывода звуковых сигналов
Системы мультимедиа начинались со звука, который воспринимается независимо от изображения, не наносит ущерба восприятию выводимой на экран информации, а при хорошем качестве даже дополняет ее и повышает восприимчивость пользователя, оказывает сильное психологическое воздействие на оператора, создает настроение. Звуковое сопровождение служит дополнительным способом передачи информации об основном и фоновом процессах, например, воспроизведение речи дает представление об индивидуальности говорящего, помогает разобраться в произношении слов;
сопровождение фонового процесса звуковыми эффектами способствует возникновению образного представления об особенностях их протекания, информирует пользователя о наступлении ожидаемого события, привлекает к себе внимание и др. (так, о появлении сообщения в электронной почте может информировать звук падающей газеты или защелкивание крышки почтового ящика; перекачка информации может сопровождаться журчанием ручейка,...).
Но звуковая (аудио или акустическая) информация имеет и самостоятельное значение. Можно выделить три направления в использовании звуковых возможностей систем мультимедиа:

·          бытовые системы мультимедиа используют звуковые возможности ПЭВМ в обучающих, развивающих программах (обучение чтению, произношению, музыке); в энциклопедиях и справочниках (бытовых -медицина, расписания движения автобусов, поездов, самолетов, прогноз погоды, репертуар театров,...). В бытовых системах использование таких музыкальных редакторов, как Skream Tracker, позволяет перейти на качественно новый уровень использования аудиосистем - от пассивного восприятия музыки к активной работе с музыкальными произведениями без музыкального образования; к реализации цветомузыки на экране ПЭВМ;

·          мультимедиа бизнес-приложения используют звук в следующих целях: тренинг (профессиональные обучающие системы: иностранному языку, распознаванию голосов птиц, распознаванию шумов в сердце и других органах, при обучении радиотелеграфистов,...); презентации (т.е. демонстрация товара с помощью ЭВМ); проведение озвученных видеотелеконференций; голосовая почта; автоматическое стенографирование (восприятие речи и перевод ее в текстовый вид); использование голоса пользователя в целях защиты (электронные замки, доступ к программному обеспечению и информации в ЭВМ, к банковским сейфам и др.);

·          профессиональные мультимедиа системы - это средства производства озвученных видеофильмов, домашние музыкальные студии (музыкальные редакторы типа Skream Tracker, Whacker Tracker и др. позволяют наиграть мелодию, выполнить программную ее обработку (изменить высоту тона, длительность звучания, тип инструмента, скорость нажатия-отпускания клавиши, синтезировать звуковые эффекты,...), воспроизвести или записать на стандартную звукозаписывающую аппаратуру,...).
Сопряжение ЭВМ с электромузыкальными инструментами осуществляется с помощью интерфейса электромузыкальных инструментов (MIDI -Musical Instruments Digital mterface). . ,
В состав стандарта MIDI входят: стандарт электрический, стандарт на протоколы обмена данными, драйверы устройств и звуковые файлы.
В соответствии со стандартом МШ1 ЭВМ передает в звуковую плату номер музыкального инструмента, номер ноты, характеристику игры музыканта (длительность, сила и способ нажатия клавиши). Эти же данные хранятся и в MTOI-файлах. MTDI-файлы не содержат звуков, в связи с чем по размеру они значительно меньше звуковых файлов. Звуки находятся в звуковых библиотеках. При использовании MIDI-музыки необходимо иметь таблицу музыкальных инструментов (состав таблицы не стандартизован), в которой указываются номера инструментов (используемые затем в MTDI-файлах) и их название.
Модуль интерфейсов внешних устройств может включать в себя интерфейс для подключения CD ROM, игровой порт и др.
Глава 8. ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА (ВЗУ)
В качестве внешней памяти ПЭВМ используются накопители на магнитных дисках (НМД), накопители на магнитных лентах (НМЛ) - стриммеры и оптические ЗУ.
НМД бывают двух типов: НГМД - на гибком магнитном диске (с носителем-дискетой) и НМД - на жестком магнитном диске (типа “Винчестер”).
НМД имеют значительно больший объем внешней памяти и высокое (почти на порядок) быстродействие, чем НГМД. Но НГМД имеют съемные магнитные носители - дискеты (компактные, на которых легче организовать архивное хранение данных и программ).
НМЛ обычно бывают кассетного типа и используют либо компакт-кассеты для бытовых магнитофонов (емкость 1 кассеты от 500 Кбайт до 1,5 Мбайта), либо видеокассеты (для стриммеров) с многодорожечной записью. Емкость их измеряется в десятках и сотнях мегабайт.
ВЗУ связываются с МП через системную магистраль при помощи устройства управления (контроллера).
Контроллер необходим для двух целей:

·          управления ВЗУ;

·          связи с МЛ и ОП.
НМД и оптические ЗУ представляют собой устройства с циклическим доступом к информации. НМЛ представляют собой устройства с последовательным доступом.
Время доступа к информации в ВЗУ намного превосходит время обращения к ОН. ВЗУ являются относительно медленными устройствами электромеханического типа.
8.1. Внешние запоминающие устройства на гибких магнитных дисках
В НГМД используются три разновидности дискет: диаметром 203мм (8"), диаметром 133 мм (5,25", или 5") и диаметром 89 мм ( 3,5", или З") - последние в жестком пластмассовом корпусе. Наибольшее распространение получили дискеты диаметром 5,24" и 3,5".
Дискета 5" представляет собой прямоугольный конверт из черной бумаги с вырезами, в который вложена лавсановая пленка, на поверхность которой нанесен магнитный слой.
3,5" дискета представляет собой пластмассовый корпус с металлической задвижкой, предохраняющей поверхность дискеты от повреждения. В зависимости от емкости дискеты на пластмассовом корпусе имеется различное количество отверстий (рис.8.1).
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 8.1. Внешний вид дискеты диаметром 3"
Отверстия 2 и 3 присутствуют только на дискетах повышенной емкости. Отверстие 1 является единственным на дискетах емкостью 720 Кбайт. На дискетах емкостью 1.44 Мбайта имеются отверстия 1 и 2. На дискетах емкостью 2.88 Мбайта (для них нужны специальные дисководы) имеются три отверстия (1, 2,3). Отверстие 1 на всех дискетах служит для защиты записи.
НГМД могут использовать одну или две поверхности дискеты - это зависит от используемого количества головок.
Головки могут перемещаться вдоль поверхности дискеты с помощью шагового двигателя. Различают НГМД, у которых шаговые двигатели могут сделать 40 и 80 шагов. В связи с этим стандартные дискеты могут иметь 40 или 80 дорожек на одной стороне. Для обозначения типа дискеты используются двухбуквенные метки:
SS (single sided) - односторонние;
DS (double sided) - двухсторонние;
SD (single density) - одинарная плотность;
DD (double density) - двойная плотность;
QD (quadro density) - учетверенная плотность;
HD (high density) - высокая плотность;
ED (Extra-High density) - сверхвысокая плотность.
Объем хранимой на дискете информации зависит как от конструкции дискеты, так и от способа размещения информации на ней.
Перед первым использованием дискета размечается (форматируется). При этом на нее наносится служебная информация. Характер и место нахождения служебной информации определяются форматом. В каждой операционной системе есть свои стандартные форматы (которые эта операционная система умеет читать и использовать в работе).
Каждая дорожка делится на части - сектора. Все дорожки содержат одно и то же количество секторов. Емкость сектора - это то наименьшее количество данных, которое может быть записано на дискету (или считано с нее) за одну операцию ввода-вывода.
Количество дорожек, число секторов на одной дорожке, емкость одного сектора и количество рабочих поверхностей у дискеты определяют ее емкость.
B IBM PC используются две рабочие поверхности: 40 или 80 дорожек на одной поверхности; 8,9,15 или 18 секторов на одной дорожке; 128,256,512 или 1024 байта в одном секторе.
Одной из характеристик дискеты является допустимая плотность записи:
продольная:
(SD) - нормальная: 24 TPI (tape per inch - метки на дюйм);
(DD) - двойная: 48 TPI;
(HD - high density) - учетверенная (Quadro density): 96 TPI;
поперечная:
одинарная (20 дорожек);
двойная (40 дорожек);
учетверенная (80 дорожек): (QD-9 объемом 720 Кбайт), (QD-15 объемом 1,2 Мбайта (размер сектора в QD-15 равен 1 Кбайт)).
Для расширения возможностей DOS разработаны программы 800-сот и PU-ПОО.сот, которые позволяют работать с нестандартными, форматами дискет.
Логическая структура диска: магнитный диск (гибкий или жесткий) перед первым использованием должен быть отформатирован. Во время форматирования диска на его поверхности с помощью магнитных головок делаются пометки: размечаются дорожки и сектора на них, создаются управляющие области дискеты.
Весь процесс форматирования делится на три части: физическая разметка, создание логических структур и загрузка на диск операционной системы (т.е. физическое, логическое и системное форматирование).
Физическое форматирование состоит в разметке дорожек (trek) и секторов с нанесением обозначений секторов в выделенных на треках служебных областях. Сектора отделяются друг от друга интервалами. Началом отсчета для разметки диска является специальное отверстие (индекс).
Дорожки нумеруются от 0 до N - 1 (где N - общее количество дорожек) от края диска к центру. На физическом уровне сектора нумеруются от 1 до ш.
Структура развертки дорожки дискеты после разметки изображена на рис.8.2.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.8.2. Структура дорожки дискеты
Для форматов DS-8 и DD-8 интервал 1 представляет собой 32 байта “4Е”, интервал 2-22 байта “4Е”, интервал 3-80 байт “4Е”. Каждый сектор включает в себя 574 байта.
Логическое форматирование заключается в оформлении диска соответственно стандартам операционной системы. Цель логического форматирования - создание на диске управляющих таблиц для учета использования имеющихся ресурсов.
Системное форматирование заключается в загрузке на диск резидентных файлов операционной системы.
В результате форматирования образуется функциональная структура диска, изображенная на рис.8.3.
Служебная область
Область данных

Служебные сектора
Файлы операционной системы


ВООТ-сектор (блок начальной загрузки)
File allocation table l (FAT1) (таблица размещения файлов) 1-я копия
FAT2 (таблица размещения файлов) 2-я копия
Корневой каталог
ibmbio.com
ibmdos. сот










Рис. 8.3. Функциональная структура диска
Служебная область дискеты заполняется при форматировании дискеты всегда, системная область - только при создании системной дискеты. Размер служебной области составляет 2% от общей емкости дискеты.
В IBM PC используется несколько типов дисководов (НГМД), которые позволяют работать только с определенными форматами. Виды стандартизованных форматов приведены в табл.8.1.
Таблица 8.1
Стандартные форматы НГМД MS DOS
Обозначение
Количество
Объем,
Диаметр,
Размер
Размер


 
Кбайт
дюйм
FAT, секторов
каталога, секторов


сторон
секторов
дорожек





SS/DD-8
1
8
40
160
5
2
4

DS/DD-8
2
8
40
320
5
2
2

SS/DD-9
l
9
40
180
5
2
4

DS/DD-9
2
9
40
360
5
2
7

DS/HD-15
2
15
80
1200
5
14
14

DS/HD-9
2
9
80
720
3
10
7

DS/HD-18
2
18
80
1440
3
18
18

8.2. Накопитель на жестком магнитном диске
Накопитель на жестком магнитном диске (НМД) имеет тот же принцип действия, что и НГМД, но отличается тем, что в нем магнитный носитель информации является несъемным и состоит из нескольких пластин, закреплённых на общей оси (пакета магнитных носителей).
Каждую рабочую поверхность такой конструкции обслуживает своя головка. Если в НГМД головка во время работы соприкасается с поверхностью дискеты, то в НМД головки во время работы находятся на небольшом расстоянии от поверхности (десятые доли микрона). При устранении контакта головки с поверхностью диска появилась возможность увеличить скорость вращения дисков, а следовательно, повысить быстродействие внешнего ЗУ.
Запись и чтение информации на жестком магнитном диске производятся с помощью магнитных головок, которые во время чтения-записи неподвижны. Магнитное покрытие каждой поверхности диска во время чтения-записи перемещается относительно головки. Магнитный “след” на поверхности диска, образовавшийся при работе головки на запись, образует кольцевую траекторию - дорожку (trek). Дорожки, расположенные друг под другом на всех рабочих поверхностях магнитного носителя, называются цилиндром.
В жестких МД различных фирм используются разные материалы для магнитного покрытия: диски ранних конструкций имели оксидное покрытие (окись железа), современные диски - кобальтовое покрытие. Оксидное покрытие наносилось на поверхность диска в виде магнитного лака, который после высыхания образовывал довольно толстый магнитный слой. Обеспечить устойчивую запись в таком слое можно было за счет длительного воздействия электромагнитным полем. Поэтому магнитные “следы” на поверхности диска получались большого размера, что приводило к невысокой плотности записи и низкому быстродействию. Для увеличения емкости магнитного диска приходилось увеличивать его размеры.
Кобальтовое покрытие наносится на поверхность диска методом напыления. При этом образуется тонкая магнитная пленка, на которую легче воздействовать для образования магнитных следов. Размеры магнитных следов уменьшились, что позволило увеличить продольную и поперечную плотности записи. Увеличение продольной плотности записи позволило увеличить емкость дорожки, а увеличение поперечной плотности записи - количество дорожек на поверхности диска. Диски той же емкости уменьшились в размерах.
Стандарт на физическое размещение информации на жестком магнитном диске мягче, чем для НГМД, так как гибкие диски должны читаться одинаково на дисководах разных фирм, в то время как жесткий магнитный диск имеет встроенную в него систему управления. При работе с жестким магнитным диском встроенная система управления решает вопросы физического размещения информации и зачастую недоступна для внешнего вмешательства. Например, наружные и внутренние дорожки магнитного диска имеют разную длину. Если их сделать одинаковой емкости и писать информацию с одинаковой плотностью записи, то на наружных дорожках остается много свободного места. Некоторые фирмы при изготовлении жестких дисков делают дорожки различной емкости. Но для того чтобы стандартные операционные системы могли работать с такими дисками, встроенный в них контроллер осуществляет пересчет адресов; при этом физически на диске имеется меньшее количество дорожек, чем кажется операционной системе (так как операционная система настроена на работу с дорожками одинаковой емкости).
Количество дисков, каждый из которых имеет по две рабочие поверхности, в накопителе может быть от 3 до 10 и более. В некоторых накопителях две крайние поверхности пакета (верхняя и нижняя) не являются рабочими -при этом сокращается размер дисковода (и емкость тоже). Иногда эти поверхности используются для размещения служебной информации.
Жесткие диски делают герметичными - малое расстояние (зазор) между рабочей поверхностью и магнитной головкой должно быть защищено от пылинок, чтобы уберечь тонкий напыленный слой кобальта от стирания. Магнитная головка во время работы не должна касаться поверхности диска и в то же время - находиться от нее на расстоянии в доли микрона. Наиболее распространенный способ удовлетворения обоих условий- применение “воздушной подушки”: в магнитной головке делаются отверстия, через которые в рабочий зазор в направлении магнитного диска нагнетается сжатый воздух - он и является демпфером (воздушной подушкой), не позволяющим магнитной головке “прижаться” к поверхности диска. Воздух перед нагнетанием в зазоры проходит тщательную очистку от пыли с помощью специальных фильтров.
Магнитные головки при работе НМД могут перемещаться, настраиваясь на требуемую дорожку. Перед началом эксплуатации пакет магнитных дисков форматируется:
на нем размечаются дорожки (ставится маркёр начала дорожки и записывается ее номер), наносятся служебные зоны секторов на дорожках. Для записи-чтения информации контроллеру НМД передается адрес: номер цилиндра, номер рабочей поверхности цилиндра, номер сектора на выбранной дорожке. На основании этого магнитные головки перемещаются к нужному цилиндру, ожидают появления маркера в начале дорожки, ожидают появления требуемого сектора, после чего записывают или читают информацию из него. Несмотря на то, что все магнитные головки установлены на требуемый цилиндр, работает в каждый данный момент только одна головка.
Из-за малого расстояния между секторами и высокой скорости вращения пакета дисков схемы управления не всегда успевают переключиться на чтение-запись следующего сектора (если считываемые-записываемые сектора следуют один за одним). В этом случае после обработки одного сектора приходится ожидать, пока диск сделает целый оборот и к головкам подойдет требуемый сектор. Чтобы избежать этого, при форматировании используется чередование (interleaving) секторов: последовательность нумерации секторов на дорожке задается таким образом, что следующий по порядку номер сектора принадлежит не следующему по физическому размещению сектору, а через “k” секторов (где k - фактор чередования). Фактор чередования при форматировании задается таким образом, чтобы система управления НМД обеспечила обработку с последовательными номерами без длительного ожидания (слишком маленький k приводит к “проскакиванию” требуемого сектора и ожиданию нового витка, слишком большое значение k также Приводит к ожиданию, так как схема управления уже отработала, а требуемый сектор все еще не подошел к головке).
Поскольку физически НМД различных фирм могут быть устроены по-разному, возникает проблема совместимости НМД с микропроцессорным комплектом ЭВМ. Проблема эта решается с помощью стандартизации интерфейсов для накопителей на жестких магнитных дисках.
Основной характеристикой НМД является их емкость, которая в наибольшей степени зависит от плотности записи, в свою очередь, в значительной степени зависящей от уровня технологии. Наиболее результативным для повышения плотности записи явилось применение магниторезистивных головок, которые известны и применяются уже давно, но по-настоящему массовой продукцией долгое время не были из-за большой капиталоемкости их производства. Кроме увеличения емкости диска повышение плотности записи приводит и к увеличению скорости считывания-записи данных при неизменных диаметре и скорости вращения носителя.
Доступный сейчас уровень технологии позволяет за счет использования магниторезистивных головок производить на 3.5" НМД с интерфейсами ЕЮЕ и SCSI накопители емкостью 1.25,1.7 и 2.2 Гбайта и ставит на повестку дня увеличение их емкости до 64 Гбайт. Скорость передачи данных при использовании магниторезистивных головок возросла с обычной 3-5 Мбайт/с до 7.7-13.8 Мбайт/с.
8.3. Стриммер
Стриммером называется внешнее устройство ПЭВМ для записи и воспроизведения цифровой информации на кассету с магнитной лентой. Основное их назначение - архивирование редко используемых больших массивов информации, резервное копирование. Это устройство называется “floppy tape”. Оно может подключаться к контроллеру НГМД. В стандарте QIC-40 емкость обычной видеокассеты составляет около 120 Мбайт, в стандарте QIC-80-250 Мбайт.
Устройства, работающие в этом стандарте (стандарт разработан для небольших локальных сетей, а также для “неорганизованных” пользователей), выпускаются различными фирмами. Например, фирма Colorado Memory Systems выпускает стриммеры Jumbo 120 и Jumbo 250. Скорость передачи информации в Jumbo 120 - 250 и 500 Кбайт/с, что совпадает со стандартными возможностями контроллера НГМД.
По конструктивному исполнению стриммеры выпускаются внутренними и внешними. Программная поддержка этих стриммеров позволяет сжимать информацию до 6 раз (в среднем - в 2 раза).
Контроллеры этой фирмы выполнены по технологии Plug&Play (95% необходимых параметров определяется программным путем автоматически).
В качестве стриммера может быть использован видеомагнитофон - в России выпускаются платы “АрВид 1010” и “АрВид 1020”, дающие возможность при наличии шины ISA подключить к ПЭВМ и использовать в качестве накопителя любой видеомагнитофон. Платы позволяют на стандартную видеокассету записывать 1-2 Гбайта информации. На ленте поддерживается многоуровневая иерархическая система, имеющая общий каталог. Программное обеспечение имеет дружественный интерфейс, выполненный в стиле Norton Commander. Предусмотрена автоматизированная процедура настройки на конкретный видеомагнитофон.
8.4. Оптические запоминающие устройства
Классификация оптических накопителей информации приведена на рис.8.5.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис.8.5. Классификация оптических накопителей информации
Один из первых оптических накопителей информации - видеопластинка Laservision фирмы Philips, представляла собой плексигласовый диск диаметром 20 или 30 см с тонким алюминиевым слоем, покрытым защитной пленкой из лака. При нанесении информации в алюминиевом слое делаются углубления, располагаемые вдоль дорожек, как в обычных грампластинках. Отличие заключается в том, что, во-первых, дорожки начинаются в центре пластинки и, во-вторых, что они наносятся лазерным лучом - ширина дорожки при этом составляет 0,4 микрона, расстояние между дорожками -1,6 микрона. При таких размерах на одном миллиметре радиуса располагаются 600 дорожек. При считывании информации лазерный луч по-разному отражается от основной ровной поверхности (0) и от углублений (1).
Для считывания информации применяются два различных способа:
CAV (Constant Angular Velocity) - считывание при постоянной угловой скорости;
CLV (Constant Linear Velocity) - считывание при постоянной линейной cкорости.
При CAV пластинка имеет постоянную угловую скорость 1500 об/мин. Дорожки расположены кольцеобразно, каждая дорожка отводится для отдельного видеоизображения, независимо от длины дорожки. На одной стороне пластинки при этом умещаются 54 000 изображений для воспроизведения в течение 36 мин.
При CLV угловая скорость меняется: при чтении внутренних дорожек она равна 1500 об/мин, при чтении внешних - 500. На пластинке имеется всего одна спиралеобразная дорожка (от центра наружу). Продолжительность времени воспроизведения увеличивается до 60 мин, но теряется возможность прямого доступа к отдельным изображениям.
Видеокомпакт-диски (CDV - Compact Disk Video) предназначены для воспроизведения на специальном видеопроигрывателе. При диаметре диска 12 см на него наносится двадцатиминутная цифровая запись звука и шестиминутный аналоговый видеосигнал; при диаметре диска 20 см на нем содержится двадцатиминутная запись аналогового видеосигнала и цифрового звукового сопровождения; при диаметре диска 30 см емкость диска такая же, как у видеопластинки Laservision.
Компакт-диск СDROM (Compact Disk - Read Only Memory) содержит информацию только в цифровом виде. Диск имеет прозрачную поликарбонатную основу толщиной 1,2 мм и диаметром 8 или 12 см. Конструкция аналогична пластинке Laservision, работает по принципу CLV, угловая скорость изменяется от 200 до 500 оборотов в минуту. На одном дюйме по радиусу умещается 16000 дорожек (тогда как на одном дюйме флоппи-диска - всего 96). Емкость компакт-диска составляет около 650 Мбайт.
Компакт-диск CD-ROM/XA (eXtended Architecture) отличается от CD-ROM тем, что информация перед нанесением на диск подвергается сжатию. Диск может содержать двоичные коды, графику, видео, текст, аудиоданные.
Интерактивные компакт-диски CD-1 (Compact-Disk - hteractive) предназначены для потребительского рынка, используются без ЭВМ. Их производство основано на технологии CD ROM, но имеет более простое управление.
Диски Photo-CD (совместная разработка Philips и Kodak) предназначены для хранения в цифровом формате кино- и фотокадров. На диске размещается до 100 кадров, запись полного диска производится за один час.
Bridge-Disk выполнен по стандарту, который позволяет воспроизводить его на проигрывателе для Photo-CD, дисководе для CDROM/XA или проигрывателе для CD-I.
Компакт-диски CD-WO позволяют дозаписывать информацию за несколько сеансов. После окончательной записи создается оглавление диска. Обычное устройство для чтения CD ROM позволяет читать только первую зону CD-WO. Аналогичные возможности предоставляют компакт-диски CD-R, которые допускают дозапись информации по мере ее накопления. Компакт-диски CD-WO и CD-R могут изготовляться по различным технологиям: диск может быть покрыт чувствительным фотолаком, в котором лазер прожигает отверстия, испаряя лак; на подложку диска могут быть нанесены два слоя: один - из искусственных полимеров (имеющих малую теплоту плавления), другой - металлический. При нагревании металла лазерным лучом находящийся под ним слой полимера испаряется, что приводит к образованию пузырька в металлическом слое и, как следствие, к нетиповому отражению считывающего луча в этом месте; поверхность диска может быть покрыта слоем галий-сурьмы или индий-сурьмы, которые при воздействии на них лазерного луча расплавляются и переходят из кристаллического в аморфное состояние, что сопровождается изменением условий отражения и может быть зафиксировано считывающим лазерным лучом.
В основе магнитооптических компакт-дисков (CD-МО) лежит воздействие магнитного поля на нагретый до критической температуры материал. В результате этого изменяются отражающие свойства покрытия диска или производится его намагничивание в определенном направлении. Магнитооптические диски позволяют записывать, читать и стирать информацию. На таких дисках могут быть выделены зоны, предназначенные только для чтения или для многократной записи. CD-МО выпускаются в виде мини-дисков диаметром 2,5 дюйма в пластмассовом корпусе трехдюймовой дискеты. Как для записи, так и для воспроизведения магнитооптических дисков необходимы специальные устройства. Емкость таких дисков составляет не менее 640 Мбайт. Из них могут создаваться магнитооптические библиотеки с автоматической сменой дисков (время на смену дисков составляет несколько секунд), емкость которых измеряется сотнями Гбайт.
Флоптики - это внешние запоминающие устройства, имеющие две головки: одну - обычную, для работы с дискетами DD и HD, другую - магнитооптическую. Емкость флоптических дискет составляет 21 Мбайт. Разметка флоптической дискеты производится лучом лазера, благодаря чему дорожки плотнее располагаются друг к другу. У флоптических дискет используется тот же магнитный материал, что и у обычных дискет емкостью 2,88 Мбайт, -барий-феррит. Количество магнитооптических дорожек на одной стороне -753, поперечная плотность записи-1245 дорожек на дюйм, продольная плотность записи - 23980 бит на дюйм (для сравнения - у DD-дискет - 8717 у HD-дискет - 17434).


Основные внешние устройства ПК
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]
   Клавиатура
Клавиатура служит для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Она содержит стандартный набор алфавитно-цифровых клавиш и некоторые дополнительных клавший управляющие и функциональные, клавиши управления курсором а также малую цифровую клавиатуру.
Курсор светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак.
Все символы, набираемые на клавиатуре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора.
Наиболее распространена сегодня 101-клавишная клавиатура с раскладкой клавиш QWERTY (читается "кверти”), названная так по клавишам, расположенным в верхнем левом ряду алфавитно-цифровой части клавиатуры.
Такая клавиатура имеет 12 функциональных клавиш, расположенных вдоль верхнего края. Нажатие функциональной клавиши приводит к посылке в компьютер не одного символа, а целой совокупности символов.
Функциональные клавиши могут программироваться пользователем. Например, во многих программах для получения помощи (подсказки) задействована клавиша F1, а для выхода из программы клавиша F10.
Управляющие клавиши имеют следующее назначение:
Enter клавиша ввода;
Esc (Escape выход) клавиша для отмены каких-либо действий, выхода из программы, из меню и т.п.;
Ctrl и Alt – эти клавиши самостоятельного значения не имеют, но при нажатии совместно с другими управляющими клавишами изменяют их действие;
Shift (регистр) - обеспечивает смену регистра клавиш (верхнего на нижний и наоборот);
Insert (вставлять) переключай режимы вставки (новые символы вводятся посреди уже набранных, раздвигая их) и замены (старые символы замещаются новыми);
Delete (удалять) удаляет символ с позиции курсора;
Back Space – удаляет символ перед курсором;
Ноmе и End обеспечивают перемещение курсора в первую и последнюю позицию строки, соответственно;
Page Up и Page Down обеспечивают перемещение по тексту на одну страницу (один экран) назад и вперед, соответственно;
Tab клавиша табуляции, обеспечивает перемещение курсора вправо сразу на несколько позиций до очередной позиции табуляции;
Caps Lock фиксирует верхний регистр, обеспечивает ввод прописных букв вместо строчных;
Print Screen обеспечивает печать информации, видимой в текущий момент на экране;
Длинная нижняя клавиша без названия предназначена для ввода пробелов.
Клавиши со стрелками служат для перемещения курсора вверх, вниз, влево и вправо на одну позицию или строку;
Малая цифровая клавиатура используется в двух режимах - ввода чисел и управления курсором; Переключение этих режимов осуществляется клавишей Num Lock.
Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер (местное устройство управления), который выполняет следующие функции:
последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;
управляет световыми индикаторами клавиатуры;
проводит внутреннюю диагностику неисправностей;
осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.
Клавиатура имеет встроенный буфер промежуточную память малого размера, куда помещаются введённые символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться звуковым сигналом это означает, что символ не введён (отвергнут).
Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, "зашитые" в BIOS, а также драйвер клавиатуры, который обеспечивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др.
 
   Видеосистема
Видеосистема компьютера состоит из трех компонент:
монитор (называемый также дисплеем);
видеоадаптер;
программное обеспечение (драйверы видеосистемы).
Видеоадаптер посылает в монитор сигналы управления яркостью лучей и синхросигналы строчной и кадровой развёрток. Монитор преобразует эти сигналы в зрительные образы. А программные средства обрабатывают видеоизображения – выполняют кодирование и декодирование сигналов, координатные преобразования, сжатие изображений и др.
Монитор устройство визуального отображения информации (в виде текста. таблиц, рисунков, чертежей и др.).
Подавляющее большинство мониторов сконструированы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), и принцип их работы аналогичен принципу работы телевизора. Мониторы бывают алфавитно-цифровые и графические, монохромные и цветного изображения. Современные компьютеры комплектуются, как правило, цветными графическими мониторами.
Основной элемент дисплея – электронно-лучевая трубка.
Её передняя, обращенная к зрителю часть с внутренней стороны покрыта люминофором - специальным веществом, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Люминофор наносится в виде наборов точек трёх основных цветов – красного, зеленого и синего. Эти цвета называют основными, потому что их сочетаниями (в различных пропорциях) можно представить любой цвет спектра.
Наборы точек люминофора располагаются по треугольным триадам. Триада образует пиксель – точку, из которых формируется изображение (англ. pixelpicture element, элемент картинки).
Расстояние между центрами пикселей называется точечным шагом монитора. Это расстояние существенно влияет на чёткость изображения. Чем меньше шаг, тем выше чёткость Обычно в цветных мониторах шаг составляет 0,24 мм. При таком шаге глаз человека воспринимает точки триады как одну точку "сложного" цвета.
На противоположной стороне трубки расположены три (по количеству основных цветов) электронные пушки. Все три пушки "нацелены" на один и тот же пиксель, но каждая из них излучает поток электронов в сторону "своей" точки люминофора.
Чтобы электроны беспрепятственно достигали экрана, из трубки откачивается воздух, а между пушками и экраном создаётся высокое электрическое напряжение, ускоряющее электроны.
Перед экраном на пути электронов ставится маска тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, расположенных напротив точек люминофора. Маска обеспечивает попадание электронных лучей только в точки люминофора соответствующего цвета. Величиной электронного тока пушек и, следовательно, яркостью свечения пикселей, управляет сигнал, поступающий с видеоадаптера.
На ту часть колбы, где расположены электронные пушки, надевается отклоняющая система монитора, которая заставляет электронный пучок пробегать поочерёдно все пиксели строчку за строчкой от верхней до нижней, затем возвращаться в начало верхней строки и т.д.
Количество отображённых строк в секунду называется строчной частотой развертки. А частота, с которой меняются кадры изображения, называется кадровой частотой развёртки. Последняя не должна быть ниже 60 Гц, иначе изображение будет мерцать.
Наряду с традиционными ЭЛТ – мониторами все шире используются плоские жидкокристаллические (ЖК) мониторы.
Жидкие кристаллы это особое состояние некоторых органических веществ, в котором они обладают текучестью и свойством образовывать пространственные структуры, подобные кристаллическим. Жидкие кристаллы могут изменять свою структуру и светооптические свойства под действием электрического напряжения. Меняя с помощью электрического поля ориентацию групп кристаллов и используя введённые в жидкокристаллический раствор вещества, способные излучать свет под воздействием электрического поля, можно создать высококачественные изображения, передающие более 15 миллионов цветовых оттенков.
Большинство ЖК-мониторов использует тонкую плёнку из жидких кристаллов, помещённую между двумя стеклянными пластинами. Заряды передаются через так называемую пассивную матрицу сетку невидимых нитей, горизонтальных и вертикальных, создавая в месте пересечения нитей точку изображения (несколько размытого из-за того, что заряды проникают в соседние области жидкости).
Активные матрицы вместо нитей используют прозрачный экран из транзисторов и обеспечивают яркое, практически не имеющее искажений изображение. Панель при этом разделена на 308160 (642x480) независимых ячеек, каждая из которых состоит из четырех частей (для трёх основных цветов и одна резервная). Таким образом, экран имеет почти 1,25 млн точек, каждая из которых управляется собственным транзистором.
По компактности такие мониторы не знают себе равных. Они занимают в 2 - 3 раза меньше места, чем мониторы с ЭЛТ и во столько же раз легче; потребляют гораздо меньше электроэнергии и не излучают электромагнитных волн, воздействующих на здоровье людей.
Разновидность монитора сенсорный экран. Здесь общение с компьютером осуществляется путём прикосновения пальцем к определённому месту чувствительного экрана. Этим выбирается необходимый режим из меню, показанного на экране монитора.
Меню это выведенный на экран монитора список различных вариантов работы компьютера, по которому можно сделать конкретный выбор.
Сенсорными экранами оборудуют рабочие места операторов и диспетчеров, их ucпользуют в информационно-справочных системах и т.д.
Видеоадаптер - это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видеопамять, регистры ввода-вывода и модуль BIOS. Посылает в дисплей сигналы управления яркостью лучей и сигналы развертки изображения.
Наиболее распространенный видеоадаптер на сегодняшний день адаптер SVGA (Super Video Graphics Array супервидеографический массив), который может отображать на экране дисплея 1280x1024 пикселей при 256 цветах и 1024x768 пикселей при 16-32 миллионах цветов.
С увеличением числа приложений, использующих сложную графику и видео, наряду с традиционными видеоадаптерами широко используются разнообразные устройства компьютерной обработки видеосигналов:
Графические акселераторы (ускорители) специализированные графические сопроцессоры, увеличивающие эффективность видеосистемы. Их применение освобождает центральный процессор от большого объёма операций с видеоданными, так как акселераторы самостоятельно вычисляют, какие пиксели отображать на экране и каковы их цвета.
Фрейм-грабберы, которые позволяют отображать на экране компьютера видеосигнал от видеомагнитофона, камеры, лазерного проигрывателя и т. п., с тем, чтобы захватить нужный кадр в память и впоследствии сохранить его в виде файла.
TV-тюнеры видеоплаты, превращающие компьютер в телевизор. TV-тюнер позволяет выбрать любую нужную телевизионную программу и отображать ее на экране в масштабируемом окне. Таким образом можно следить за ходом передачи, не прекращая работу.
   Аудиоадаптер
Аудиоадаптер (Sound Blaster или звуковая плата) - это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования.
Аудиоадаптер содержит в себе два преобразователя информации:
аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (то есть, аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и записывает его на магнитный носитель;
цифро-аналоговый, выполняющий обратное преобразование сохранённого в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.
Профессиональные звуковые платы позволяют выполнять сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нём сотнями тембров звучаний различных музыкальных инструментов.
Звуковые файлы обычно имеют очень большие размеры. Так, трёхминутный звуковой файл со стереозвучанием занимает примерно 30 Мбайт памяти. Поэтому платы Sound Blaster. помимо своих основных функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов.
Область применения звуковых плат компьютерные игры, обучающие программные системы, рекламные презентации, "голосовая почта" (voice mail) между компьютерами, озвучивание различных процессов, происходящих в компьютерном оборудовании, таких, например, как отсутствие бумаги в принтере и т.п.
   Модем
Модем устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи.
Цифровые сигналы, вырабатываемые компьютером, нельзя напрямую передавать по телефонной сети, потому что она предназначена для передачи человеческой речи непрерывных сигналов звуковой частоты
Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона этот процесс называется модуляцией, а также обратное преобразование, которое называется демодуляцией. Отсюда название устройства: модем модулятор/демодулятор.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Для осуществления связи один модем вызывает другой по номеру телефона, а тот отвечает на вызов. Затем модемы посылают друг другу сигналы, согласуя подходящий им обоим режим связи. После этого передающий модем начинает посылать модулированные данные с согласованными скоростью (количеством бит в секунду) и форматом. Модем на другом конце преобразует полученную информацию в цифровой вид и передает её своему компьютеру. Закончив сеанс связи, модем отключается от линии.
Управление модемом осуществляется с помощью специального коммутационного программного обеспечения.
Модемы бывают внешние, выполненные в виде отдельного устройства, и внутренние, представляющие собой электронную плату, устанавливаемую внутри компьютера. Почти все модемы поддерживают и функции факсов.
Факс - это устройство факсимильной передачи изображения по телефонной сети. Название "факс" произошло от слова "факсимиле" (лат. fac simile - сделай подобное), означающее точное воспроизведение графического оригинала (подписи, документа и т д.) средствами печати.
Модем, который может передавать и получать данные как факс, называется факс-модемом.
    Манипуляторы (мышь, джойстик и др.) – это специальные устройства, которые используются для управления курсором.
Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок – адаптер, и ее движения преобразуется в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея. В верхней части устройства расположены управляющие кнопки (обычно их три), позволяющие задавать начало и конец движения, осуществлять выбор меню и т.п.
Джойстик - обычно это стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора. Часто применяется в компьютерных играх. В некоторых моделях в джойстик монтируется датчик давления. В этом случае, чем сильнее пользователь нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экрану дисплея.
Трекбол небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. Пользователь рукой вращает шарик и перемещает, соответственно, курсор. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.
Дигитайзер – устройство для преобразования готовых изображений (чертежей, карт) в цифровую форму. Представляет собой плоскую панель - планшет, располагаемую на столе, и специальный инструмент - перо, с помощью которого указывается позиция на планшете. При перемещении пера по планшету фиксируются его координаты в близко расположенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в требуемые единицы измерения.
   Принтеры
Принтеры (печатающие устройства) - это устройства вывода данных из ЭВМ, преобразующие информационные ASCII-коды в соответствующие им графические символы (буквы, цифры, знаки и т.п.) и фиксирующие эти символы на бумаге.
Принтеры являются наиболее развитой группой ВУ ПК, насчитывающей до 1000 различных модификаций. Принтеры разнятся между собой по различным признакам:
цветность (черно-белые и цветные);
способ нормирования символов (знакопечатающие и знакосинтезирующие);
принцип действия (матричные, термические, струйные, лазерные);
способы печати (ударные, безударные) и формирования строк (последовательные параллельные);
ширина каретки (с широкой (375 - 450 мм) и узкой (250 мм) кареткой);
длина печатей строки (80 и 132- 136 символов);
набор символов (вплоть до полного набора символов ASCII);
скорость печати;
разрешающая способность - наиболее употребительной единицей измерения является dpi (dots per inch) - количество точек на дюйм.
Внутри ряда групп можно выделить по несколько разновидностей принтеров, например матричные знакоситезирующие принтеры по принципу действия могут быть ударными, термографическими, электрографическими, электростатическими, магнитографическими и др.
Среди ударных принтеров часто используются литерные шаровидные, лепестковые (типа "ромашка"), игольчатые (матричные) и др.
Печать у принтеров может быть посимвольная, построчная, постраничная. Скорость печати варьируется от 10-300 зн/с (ударные принтеры) до 500 - 1000 зн/с и даже до нескольких десятков (до 20) страниц в минуту (безударные лазерные принтеры), разрешающая способность - oт 3 - 5 точек на миллиметр до 30 - 40 точек на миллиметр (лазерные принтеры).
Многие принтеры позволяют реализовать эффективный вывод графической информации (с помощью символов псевдографики), сервисные режимы печати плотная печать, печать с двойной шириной с подчеркиванием с верхними и нижними индексами, выделенная печать (каждый символ печатается дважды), печать за два прохода (второй раз символ печатается с незначительным сдвигом) и многоцветная (до 100 различных цветов и оттенков) печать.
Матричные принтеры
В матричных принтерах изображение формируется из точек.
Матричные принтеры могут работать в двух режимах - текстовом и графическом.
В текстовом режиме на принтер посылаются коды символов, которые следует распечатать, причем контуры символов выбираются из знакогенератора принтера.
В графическом режиме на принтер пересылаются коды, определяющие последовательность и местоположение точек изображения.
В игольчатых (ударных) матричных принтерах печать точек осуществляется тонкими иглами, ударяющими по бумаге через красящую ленту. Каждая игла управляется собственным электромагнитом. Печатающий узел перемешается в горизонтальном направлении, и знаки в строке печатаются последовательно. Многие принтеры выполняют печать как при прямом, так и при обратном ходе. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Недорогие принтеры имеют 9 игл. Матрица символов в таких принтерах имеет размерность 7x9 или 9x9 точек. Более совершенные матричные принтеры имеют 18 игл и даже 24.
Качество печати матричных принтеров определяется также возможностью вывода точек в процессе печати с частичным перекрытием за несколько проходов печатающей головки.
Для текстовой печати, а общем случае имеются следующие режимы, характеризующееся различным качеством печати
режим черновой печати (Draft),
режим печати близкий к типографскому (NLQ - Near-Letter-Quality),
режим с типографским качеством печати (LQ - Letter-Quality).
сверхкачественный режим (SLQ - Super Letter-Quality)
Примечание.
Режимы LQ и SLQ поддерживаются только струйными и лазерными принтера ми.
В принтерах с различным числом головок эти режимы реализуются по-разному. В 9-ти игольчатых принтерах печать в режиме Draft выполняется за один проход печатающей головки по строке. Это самый быстрый режим печати, но зато имеет самое низкое качество. Режим NLQ реализуется за два прохода: после первого прохода головки бумага протягивается на расстояние, соответствующее половинному размеру точки; затем совершается второй проход с частичным перекрытием точек. При этом скорость печати уменьшается вдвое.
Матричные принтеры, как правило, поддерживают несколько шрифтов и их разновидностей, среди которых получили широкое распространение гоman (мелкий шрифт пишущей машинки), italic (курсив), bold-face (полужирный), expanded (растянутый), elite (полусжатый). condenced (сжатый), pica (прямой шрифт - цицеро), courier (курьер), san serif (рубленый шрифт), serif, prestige elite (престиж-элита) и пропорциональный шрифт (ширина поля, отводимого под символ, зависит от ширины символа).
Переключение режимов работы матричных принтеров и смена шрифтов могут осуществляться как программно, так и аппаратно путем нажатия имеющихся на устройствах клавиш и/или соответствующей установки переключателей.
Быстродействие матричных принтеров при печати текста в режиме Draft находится в пределах 100-300 символов/с, что соответствует примерно двум страницам в минуту (с учетом смены листов).
Лазерные принтеры.
В них применяется электрографический способ формирования изображений, используемый в одноименных копировальных аппаратах. Лазер служит для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на поверхности предварительно заряженного светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения - электрический заряд стекает с засвеченных лучом лазера точек на поверхности барабана. После проявления электронного изображения порошком красителя (тонера), налипающего на разряженные участки, выполняется печать - перенос тонера с барабана на бумагу и закрепление изображения на бумаге разогревом тонера до его расплавления.
Лазерные принтеры обеспечивают наиболее качественную печать с разрешением до 50 точек/мм (1200 dpi) и скорость печати до 1000 зн/с. Широко используются цветные лазерные принтеры. Например, лазерный принтер фирмы Tektronix (США) Phaser 550 имеет разрешение и по горизонтали, и по вертикали 1200 dpi: скорость цветной печати - 5 страниц формата А4 в минуту, скорость монохромной печати - 14 стр/мин.
К ПК принтеры могут подключится и через параллельный, и через последовательный порт. Параллельные порты используются для подключения параллельно работающих (воспринимающих информацию сразу по байту) принтеров. Например, адаптеры типа Centronics позволяют подключать одновременно до трех принтеров. Последовательные порты (2 шт.) служат для подключения последовательно работающих (воспринимающих информацию последовательно по 1 биту) принтеров, например адаптеры типа R3-232C (стык С2). Последовательное печатающее устройство вовсе не означает, что оно медленно действующее. Большинство принтеров используют параллельные порты.
Многие быстродействующие принтеры имеют собственную буферную память емкостью до нескольких сотен килобайт. В заключение следует отметить, что самые популярные принтеры (их доля составляет не менее 30%) выпускает японская фирма Seiko Epson. Язык управления этими принтерами (ESC/P) стал фактическим стандартом. Широко используются также принтеры фирм Star Micronics, Hewlett Packard, Xerox, Citizen, Panasonic и др.
Струйные принтеры.
В печатающей головке этих принтеров вместо иголок имеются тонкие трубочки - сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки красителя (чернил). Это безударные печатающие устройства. Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел. В последние годы в их совершенствовании достигнут существенный прогресс: созданы струйные принтеры, обеспечивающие разрешающую способность до 20 точек/мм и скорость печати до 500 зн/с при отличном качестве печати, приближающемся к качеству лазерной печати. Имеются цветные струйные принтеры.
Термопринтеры.
Кроме матричных игольчатых принтеров есть еще группа матричных термопринтеров, оснащенных вместо игольчатой печатающей головки головкой с термоматрицей и использующих при печати специальную термобумагу или термокопирку (что, безусловно, является их существенным недостатком)
   Сканеры
Сканер - это устройство ввода в ЭВМ информации непосредственно с бумажного документа. Можно вводить тексты, схемы, рисунки, графики, фотографии и другую графическую информацию.
Сканеры являются важнейшим звеном электронных систем обработки документов и необходимым элементом любого "электронного стола". Записывая результаты своей деятельности в файлы и вводя информацию с бумажных документов в ПК с помощью сканера с системой автоматического распознавания образов, можно сделать реальный шаг к созданию систем безбумажного делопроизводства.
Сканеры весьма разнообразны, и их можно классифицировать по целому ряду признаков. Сканеры бывают черно-белые и цветные.
Черно-белые сканеры могут считывать штриховые изображения и полутоновые Штриховые изображения не передают полутонов или, иначе уровней серого. Полутоновые позволяют распознать, и передать 16, 64 или 256 уровней серого.
Цветные сканеры работают и с черно-белыми, и с цветными оригиналами. В первом случае они могут использоваться для считывания и штриховых, и полутоновых изображений.
В цветных сканерах используется цветовая модель RGB, сканируемое изображение освещается через вращающийся RGB-светофильтр или от последовательно зажигаемых трех цветных ламп, сигнал, соответствующий каждому основному цвету, обрабатывается отдельно. Число передаваемых цветов колеблется от 256 до 65536 (стандарт High Color) и даже до 16,7 млн (стандарт True Color).
Разрешающая способность сканеров составляет от 75 до 1600 dpi (dot per inch). Конструктивно сканеры бывают ручные и настольные. Настольные в свою очередь, делятся на планшетные, роликовые и проекционные.
Ручные сканеры конструктивно самые простые, они вручную перемещаются по изображению. С их помощью за один проход вводится лишь небольшое количество строчек изображения (их захват обычно не превышает 105 мм). У ручных сканеров имеется индикатор, предупреждающий оператора о превышении допустимой скорости сканирования. Эти сканеры имеют малые габариты и низкую стоимость. Скорость сканирования 5-50 мм/с (зависит от разрешающей способности).
Файл, создаваемый сканером в памяти машины, называется битовой картой. Существуют два формата представления графической информации в файлах компьютера - растровый формат и векторный.
В растровом формате графическое изображение запоминается в файле в виде мозаичного набора множества точек (нулей и единиц), соответствующих пикселям отображения этого изображения на экране дисплея. Редактировать этот файл средствами стандартных текстовых и графических процессоров не представляется возможным, ибо эти процессоры не работают с мозаичным представлением информации. В текстовом формате информация идентифицируется характеристиками шрифтов, кодами символов, абзацев и т.п. Стандартные текстовые процессоры предназначены для работы именно с таким представлением информации.
Следует так же иметь в виду, что битовая карта требует большого объема памяти для своего хранения. Так, битовая карта с 1 листа документа формата А4 (204x297 мм) с разрешением 10 точек/мм и без передачи полутонов (штриховое изображение) занимает около 1 Мбайта памяти, она же при воспроизведении 16 оттенков серого - 4 Мбайта, при воспроизведении цветного качественного изображения (65536 цветов) - 16 Мбайт. Сокращение объема памяти, необходимой для хранения битовых карт, осуществляется различными способами сжатия информации, например TIFF (Tag Image File Format), CTIFF (Compressed TIFF), JPEG, PCX, GIF (Graphics Interchange Format - формат графического обмена) и др. (файлы с битовыми картами имеют соответствующие указанным аббревиатурам расширения).
Наиболее предпочтительным является использование сканера совместно с программами систем распознавания образов, например типа OCR (Optical Character Recognition). Система OCR распознает считанные сканером с документа битовые (мозаичные) контуры символов (букв и цифр) и кодирует их ASCII-кодами, переводя в удобный для текстовых редакторов векторный формат.
Некоторые системы OCR предварительно нужно обучить распознаванию - ввести в память сканера шаблоны и прототипы распознаваемых символов и соответствующие им коды. Сложности возникают при распознавании букв, совпадающих по начертанию в разных алфавитах (например, в латинском (английском) и в русском - кириллица), и разных гарнитур (способов начертания) шрифтов. Но большинство систем не требуют обучения: в их памяти уже заранее помещены распознаваемые символы.
В последние годы появились интеллектуальные программы распознавания образов типа Omnifont, которые опознают символы не по точкам, а по характерной для каждого из них индивидуальной топологии. При наличии системы распознавания образов текст записывается в память ПК уже не в виде битовой карты, а в виде кодов, и его можно редактировать обычными текстовыми редакторами.
Сканер может подключаться к параллельному порту ПК. Для работы со сканером ПК должен иметь специальный драйвер, желательно драйвер, соответствующий стандарту TWAIN. В последнем случае возможна работа с большим числом TWAIN-совместимых сканеров и обработка файлов, поддерживающими стандарт TWAIN программами, например распространенными графическими редакторами Corel Draw, Max Mate, Picture Publisher, Adobe PhotoShop. Photo Finish.





Лекция 9. Персональные ЭВМ
Компоненты материнской платы. Разновидности слотов и разъёмов. Системная магистраль. Варианты построения системной магистрали. Организация функционирования ЭВМ с магистральной архитектурой. Магистрально-модульный принцип построения компьютера. Принципы организации арбитража магистрали.


КОМПОНЕНТЫ МАТЕРИНСКОЙ ПЛАТЫ
В настоящее время появилось очень много компьютерных салонов, и нам с вами, когда возникает необходимость покупки компьютера, представляется сложная дилемма, куда же пойти и что, собственно говоря, купить. В данной статье делается попытка объяснить читателю смысл всех компьютерных сокращений, которые так любят применять торговые менеджеры.
Сердцем современного компьютера, как это ни покажется странным, является не процессор, как принято считать (хотя о нем здесь тоже пойдет речь), а материнская плата. Поэтому разберем, что же это такое и с чем ее едят.

13 EMBED Word.Picture.8 1415

Ну, собственно говоря, вы и сами уже знаете, как выглядит материнская плата, а вот о назначении и различии разъемов, перемычек и микросхем дальше и пойдет речь.
CHIPSET
ChipSet – это набор или одна микросхема, на которую и возлагается основная нагрузка по обеспечению центрального процессора данными и командами, а также, по управлению периферией, как-то: видеокарты, звуковая система, оперативная память, дисковые накопители и различные порты ввода/вывода. Они содержат в себе контроллеры прерываний и прямого доступа к памяти. Обычно в одну из микросхем набора входят также часы реального времени с CMOS-памятью и иногда – контроллер клавиатуры. Однако эти блоки могут присутствовать и в виде отдельных чипов. В последних разработках в состав микросхем наборов для интегрированных плат стали включаться и контроллеры внешних устройств. Внешне микросхемы Chipset'а выглядят как самые большие после процессора, с количеством выводов от нескольких десятков до двух сотен. Название набора обычно происходит от маркировки основной микросхемы – i810, i810E, i440BX, I820, VIA Apollo Pro 133A, SiS630, UMC491, i82C437VX и т.п. При этом используется только код микросхемы внутри серии: например полное наименование SiS471 – SiS85C471. Последние разработки используют и собственные имена. В ряде случаев это фирменное название (INTEL, VIA, Viper). Тип набора в основном определяет функциональные возможности платы: типы поддерживаемых процессоров, структура и объем кэш, возможные сочетания типов и объемов модулей памяти, поддержка режимов энергосбережения, возможность программной настройки параметров и т.п. На одном и том же наборе может выпускаться несколько моделей системных плат, от простейших до довольно сложных с интегрированными контроллерами портов, дисков, видео и т.д.
РАЗНОВИДНОСТИ СЛОТОВ
Слотом называются разъемы расширения, расположенные на материнской плате (на картинке слева). Они бывают следующих типов: ISA, EISA, VLB, PCI, AGP.
ISA (Industry Standard Architecture – архитектура промышленного стандарта) – основная шина на компьютерах типа PC AT (другое название – AT-Bus). Разрядность шины – 16/24 бита, тактовая частота – 8 МГц. Предельная пропускная способность составляет 5.55 Мбайт/с. Разделение IRQ невозможно (т.е. на каждый слот заведены все каналы IRQ). Конструктив – 62-контактный разъем XT-Bus с прилегающим к нему 36-контактным разъемом расширения.
EISA (Enhanced ISA – расширенная ISA) – функциональное и конструктивное расширение ISA. Внешне разъемы имеют такой же вид, как и ISA, и в них могут вставляться платы ISA, но в глубине разъема находятся дополнительные ряды контактов EISA. Платы EISA имеют более высокую ножевую часть разъема с двумя рядами контактов, расположенных в шахматном порядке: одни чуть выше, другие чуть ниже. Разрядность – 32/32 бита, работает также на частоте 8 МГц. Предельная пропускная способность – 32 Мбайт/с. Предусмотрена возможность разделения каналов IRQ и DMA.
VLB (VESA Local Bus – локальная шина стандарта VESA) – 32-разрядное дополнение к шине ISA. Конструктивно представляет собой дополнительный разъем (116-контактный) при разъеме ISA. Разрядность – 32/32 бита. Тактовая частота составляет 25..50 МГц. Электрически выполнена в виде расширения локальной шины процессора – большинство входных и выходных сигналов процессора передаются непосредственно VLB-платам без промежуточной буферизации.
PCI (Peripheral Component Interconnect – соединение внешних компонент) – PCI является дальнейшим шагом в развитии локальных шин. Разрядность – 32/32 бита (расширенный вариант – 64/64). Тактовая частота – до 33 МГц (PCI 2.1 – до 66 МГц). Пропускная способность – до 132 Мбайт/с (264 Мбайт/с для 32/32 на 66 МГц и 528 Мбайт/с для 64/64 на 66 МГц). Сегментов может быть несколько. Они соединяются друг с другом посредством мостов (bridge). Сегменты могут объединяться в различные топологии (дерево, звезда и т.п.). Это самая популярная шина, которая в настоящее время используется также на других компьютерах. Разъем похож на MCA/VLB, но чуть длиннее (124 контакта). Разъем на 64 разряда имеет дополнительную 64-контактную секцию с собственным ключом. Все разъемы и карты к ним делятся на поддерживающие уровни сигналов 5 В, 3.3 В и универсальные. Первые два типа должны соответствовать друг другу, универсальные карты ставятся в любой разъем. Существует также расширение Media Bus шины PCI, введенное фирмой ASUSTek для подключения звуковых карт, – дополнительный разъем, находящийся за PCI слотом и содержащий сигналы шины ISA.



AGP(Accelerated Graphic Port – ускоренный графический порт) является дальнейшим развитием PCI, нацеленным на ускоренный обмен с графическими акселераторами. Отличие от PCI состоит в физическом расположении слота на материнской плате и его конструкции. Поскольку AGP – слот конструировался для установки видеокарт, которые не нуждаются в двухстороннем скоростном обмене, в нем предусмотрена скоростная передача данных только в память видеокарт. Обратная связь достаточно медленная. Пропускная способность на видеокарту составляет 528 Мбайт/с, а с видеокарты на системную шину до 132 Мбайт/с. Существует также новый стандарт AGP Pro. Кратко, суть его отличий от привычного AGP заключается в том, что к обычному разъему AGP по краям добавлены выводы для подключения дополнительных цепей питания 12 В и 3.3 В. Эти цепи призваны обеспечить повышенное энергопотребление видеокарты.
ТИПЫ РАЗЪЕМОВ ОПЕРАТИВНОЙ ПАМЯТИ



На данный момент существует также несколько типов разъемов для установки оперативной памяти. Такие как: SIMM, DIMM, RIMM.
SIMM (Single In line Memory Module – модуль памяти с одним рядом контактов) – модуль памяти, вставляемый в зажимающий разъем. Помимо компьютера используется также во многих адаптерах, принтерах и прочих устройствах. SIMM имеет контакты с двух сторон модуля, но все они соединены между собой, образуя как бы один ряд контактов. Модули SIMM бывают двух видов (30 и 72 pin). Основное различие в количестве контактов на модуле. Но 30 pin'овые модули уже достаточно давно сняты с производства и вероятнее всего, вы их не встретите.
DIMM (Dual In line Memory Module – модуль памяти с двумя рядами контактов) – модуль памяти, похожий на SIMM, но с раздельными контактами (168 pin, т. е. 2 ряда по 84 pin). Контакты расположены с двух сторон, но гальванически разделены в отличие от SIMM модулей. За счет этого увеличивается разрядность или число банков памяти в модуле. Также применены разъемы другого типа, нежели для модулей SIMM.
CELP (Card Egde Low Profile – невысокая карта с ножевым разъемом на краю) – модуль внешней кэш-памяти, собранный на микросхемах SRAM (асинхронный) или PB SRAM (синхронный). По внешнему виду похож на 72-контактный SIMM, имеет емкость 256 или 512 Кбайт.
РАЗЪЕМЫ ДЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ВНЕШНИХ УСТРОЙСТВ



USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная магистраль) – один из современных интерфейсов для подключения внешних устройств. Предусматривает подключение до 127 внешних устройств к одному USB-каналу. Принципы построения USB аналогичны принципам построения общей шины. Аппаратные реализации обычно имеют по два канала на контроллер. Обмен по интерфейсу – пакетный, скорость обмена до 12 Мбит/с.
LPT (Line Printer) – первоначально был предназначен для подключения к нему принтера, но в дальнейшем появился ряд устройств, способных работать через LPT- порт (сканеры, Zip-приводы и т.д.). LPT-порт конструктивно представляет собой параллельный 8-разрядный порт плюс 4 разряда состояния.
Режимы работы параллельного LPT порта
SPP (Standard Parallel Port – стандартный параллельный порт) осуществляет 8-разрядный вывод данных с синхронизацией по опросу или по прерываниям. Максимальная скорость вывода – около 80 Кбайт/с. Может использоваться для ввода информации по линиям состояния. Максимальная скорость ввода – примерно вдвое меньше.
EPP (Enhanced Parallel Port – расширенный параллельный порт) – скоростной двунаправленный вариант интерфейса. Изменено назначение некоторых сигналов. Введена возможность адресации нескольких логических устройств и 8-разрядного ввода данных. Используется 16-байтовый аппаратный FIFO-буфер. Максимальная скорость обмена – до 2 Мбайт/с.
ECP (Enhanced Capability Port – порт с расширенными возможностями) – интеллектуальный вариант EPP. Реализованы возможность разделения передаваемой информации на команды и данные, а также поддержка DMA и сжатия передаваемых данных методом RLE (Run-Length Encoding – кодирование повторяющихся серий).
COM порт – последовательный порт. Скорость обмена до 115 Кбит/с. Возможно подключение лишь одного устройства к порту. В основном используется для подключения манипулятора типа «мышь» или модема. Стандартно в материнскую плату встроено два последовательных порта.
PS/2 порт – последовательный порт. Является функциональным аналогом COM- порта, но имеет дополнительно линии для питания подключаемых устройств. Служит для подключения клавиатуры или манипулятора типа «мышь».
РАЗЪЕМЫ ДЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ДИСКОВЫХ УСТРОЙСТВ
FDD (Floppy Disk Drivers – накопитель на гибких магнитных дисках) конструктивно представляет собой 12х2-контактный игольчатый разъем с возможностью подключения двух дисководов. Устройство, подключенное к перевитому шлейфу, является диском A:, к прямому – B:. Реализовано одновременное обращение только к одному устройству.
HDD (Hard Disk Drivers – накопитель на жестких магнитных дисках) – конструктивно может быть выполнен в нескольких вариантах. Обычно это IDE или SCSI.
IDE (Integrated Drive Electronics) – более дешевый и в настоящее время самый распространенный интерфейс. Конструктивно представляет собой 2х20-контактный игольчатый разъем. Стандартно контроллер IDE имеет один такой разъем, к которому можно подключить до двух дисковых устройств. Стандартно на материнской плате собраны 2 IDE контроллера Primary и Secondary. Существуют также несколько протоколов обмена данными: UDMA/33 – 33 Мбайт/с и UDMA/66 – 66 Мбайт/с. Протокол UDMA/66 обладает вдвое большей скоростью передачи данных за счет того, что данные передаются по обоим фронтам тактирующего сигнала в отличие от UDMA/33. Для реализации интерфейса необходим шлейф, в котором бы отсутствовали помехи от двух параллельно идущих проводников. Для решения этой проблемы применяется 80-жильный шлейф, каждый второй проводник которого соединен с общим проводом для уменьшения помех.
SCSI (Small Computer System Interface) – более дорогой и в настоящее время менее распространенный интерфейс. Один контроллер может обслуживать от 1 до 32 устройств в зависимости от конструкции. Контроллер SCSI внешне представляет собой либо плату расширения, либо устройство, встроенное в материнскую плату. В последнем случае мы можем видеть лишь 25х2-контактный игольчатый разъем. Скорость обмена по каналу SCSI до 20 Мбайт/с.
UWSCSI (Ultra Wide SCSI) является модификацией интерфейса SCSI. Внешне также представляет собой плату расширения или устройство, встроенное в материнскую плату, и тогда мы можем видеть 34х2-контактный трапецеидальный разъем плюс для поддержки SCSI 25x2-контактный игольчатый разъем. Скорость обмена по каналу UWSCSI до 80 Мбайт/с.
РАЗЪЕМЫ ПРОЦЕССОРОВ
Собственно говоря, про 
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·х

Приложенные файлы

  • doc 8828576
    Размер файла: 5 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий