Функционирование ЭВМ с шинной организацией

1. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ЭВМ С ШИННОЙ ОРГАНИЗАЦИЕЙ

• Упрощенная схема фон-неймановской ЭВМ
с шинной организацией
• Состав и функции блоков ЦП
• Память. Оперативная память
• Периферийные устройства
• Система шин. Виды программноуправляемой передачи информации в ЭВМ
• Обобщенный алгоритм функционирования
фон-неймановской ЭВМ

2. Упрощенная схема ЭВМ с шинной организацией

• Шинная организация является простейшей
формой организации ЭВМ. В соответствии с
принципами фон-Неймана подобная ЭВМ имеет в
своем составе 6 функциональных блоков.
• Центральный процессор (ЦП) —
функциональный блок, выполняющий основные
операции по обработке данных и управлению
работой других блоков.
• Центральный процессор состоит из следующих
взаимосвязанных составных элементов:
арифметико-логического устройства,
устройства управления и регистров.

3.

Центральный процессор
Генератор
тактовой
частоты
Арифметико-логическое устройство
Регистровая
память
Регистр
флагов
Выполняемая
операция
Пульт
управления
Устройство управления
Программный
счётчик
Регистр
адреса
Регистр
команды
Шина данных
Шина управления
Память
Адрес
Данные
Управление
Порты
Адрес
Данные
Ячейка 1
Ячейка 2
Порт 1
Порт 2
Ячейка 3
Порт 3
….
Ячейка n
Память
….
Порт m
Управление
Порты
устройств
вводавывода
Системная шина
Шина адреса

4. Состав и функции АЛУ

Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
состоит из блоков:
• Выполняемая операция
• Регистр флагов (флаговый регистр)
• Регистровая память (регистры процессора)
1. АЛУ выполняет основную работу по переработке
информации, хранимой в оперативной памяти. В
нем выполняются арифметические и
логические операции.
2. Кроме того, АЛУ вырабатывает управляющие
сигналы, позволяющие автоматически выбирать
путь вычислительного процесса в зависимости от
получаемых результатов.

5. Блок «Выполняемая операция»

• Формирует по двум входным переменным одну —
выходную, выполняя заданную операцию
(сложение, вычитание, сдвиг и т.д.). Выполняемая
операция определяется микрокомандой,
получаемой от устройства управления.
• Характеристика результата выполнения операции
над входными переменными передается в
специальное устройство (блок) АЛУ, называемое
регистром флагов.
• Операции выполняются с помощью электронных
схем, каждая из которых состоит из нескольких
тысяч элементов. Микросхемы АЛУ имеют
высокую плотность и быстродействие.

6. Блок «Регистр флагов»

• Предназначен для хранения характеристик
результата выполнения операции АЛУ.
• Отдельные разряды этого регистра указывают на
1. равенство результата операции нулю,
2. знак результата операции (+ или -),
3. правильность выполнения операции (наличие
переноса за пределы разрядной сетки или
переполнения разрядной сетки: индикаторы
переноса и переполнения).
• Программный анализ флагов АЛУ позволяет УУ
производить операции ветвления программы в
зависимости от конкретных значений данных.

7. Блок «Регистровая память»

• В АЛУ имеется набор программно-доступных
быстродействующих ячеек памяти различной
длины, которые называются регистрами
процессора.
• Регистры составляют основу архитектуры
процессора. Количество регистров и связей
между ними оказывает существенное влияние на
сложность и стоимость процессора.
• Однако, с другой стороны, наличие большого
количества регистров с богатым набором
возможностей упрощает программирование и
повышает гибкость программного обеспечения.

8. Обязательный набор регистров АЛУ

1. Регистр данных — служит для временного
хранения промежуточных результатов при
выполнении операций.
2. Регистр аккумулятор — регистр временного
хранения, который используется в процессе
вычислений (например, в нем формируется
результат выполнения команды умножения).
3. Регистр указатель стека — используется при
операциях со стеком. Стек используется для
организации подпрограмм в программе.
4. Индексные, указательные и базовые
регистры используются для хранения и
вычисления адресов операндов в памяти.

9.

5. Регистры-счетчики используются для
организации циклических участков в программе.
6. Регистры общего назначения (РОН),
имеющиеся во многих ЭВМ, могут использоваться
для любых целей. Точное назначение регистра
определяет программист при написании
программы. Они могут использоваться для
временного хранения данных, в качестве
аккумуляторов, а также в качестве
индексных, базовых, указательных регистров.
7. Внутренние системные регистры, не
доступные программно, используются во время
внутренних пересылок данных при выполнении
команд в АЛУ.

10. Функции УУ

• Устройство управления (УУ) — часть
центрального процессора, которая
вырабатывает распределенную во
времени и пространстве
последовательность внутренних и
внешних управляющих сигналов,
обеспечивающих выборку и выполнение
команд программы.
• На этапе выборки команды УУ
интерпретирует команду, выбранную из
оперативной памяти.

11.

• На этапе выполнения команды
УУ формирует микропрограмму.
Микропрограмма это последовательность
микрокоманд, соответствующих одной
команде в программе.
• Микрокоманды задают
последовательность простейших
низкоуровневых операций для АЛУ,
таких, как пересылка данных, сложение,
сдвиг данных, установка и анализ
признаков, запоминание результатов и др.

12. Состав устройства управления

Устройство управления (УУ) имеет в
своем составе три блока:
1.Регистр команды, который содержит
код команды во время ее выполнения
2.Программный счетчик, в котором
содержится адрес следующей,
подлежащей выполнению команды
3.Регистр адреса, в котором
вычисляются адреса операндов,
находящихся в оперативной памяти.

13.

Пульт управления
предусмотрен для связи пользователя с ЭВМ и
позволяет выполнять такие действия, как сброс
ЭВМ в начальное состояние, просмотр регистра
или ячейки памяти, запись адреса в программный
счетчик, пошаговое выполнение программы при ее
отладке и т.д.
Генератор тактовой частоты формирует
последовательность импульсов с целью
синхронизации работы всех устройств ЭВМ.
Память – устройство ЭВМ, предназначенное для
запоминания, хранения и выборки программ и
данных.

14.

Периферийные устройства (ПУ). В их число
входят устройства двух типов: устройства
внешней памяти, предназначенные для
долговременного хранения данных и программ, и
коммутационные устройства, предназначенные
для связи ЭВМ с внешним миром (с
пользователем, другими ЭВМ и т.д.).
Обмен данными с ПУ осуществляется через порты
ввода-вывода.
Порты – ячейки памяти, которые используются
для связи ЭВМ с периферийными устройствами
(чтения и записи данных). Так же, как и ячейки
памяти, порты имеют уникальные номера —
адреса портов ввода-вывода.

15. Память ЭВМ

• Память состоит из конечного числа ячеек, каждая
из которых имеет свой уникальный номер - адрес.
• Доступ к ячейке осуществляется указанием ее
адреса.
• Память способна выполнять два вида операций
над данными — чтение с сохранением
содержимого и запись нового значения со
стиранием предыдущего.
• Каждая ячейка памяти может использоваться для
хранения либо данных, либо команды.
Виды памяти ЭВМ (по быстродействию):
1. Регистровая память 2. Оперативная память
3. Внешняя память

16. Оперативная память (ОП)

• Оперативная память — функциональный блок
ЭВМ, хранящий информацию для УУ (команды) и
АЛУ (данные).
• ОП ЭВМ должна вмещать достаточно большое
количество информации, т.е. должна иметь
большую емкость.
• С другой стороны, оперативная память должна
обладать быстродействием, соответствующим
быстродействию других устройств ЭВМ.
• Быстродействие памяти определяется временем,
необходимым для выборки данных из памяти или
записи данных. Чем больше емкость памяти, тем
медленнее к ней доступ.

17. Системная шина

• Объединение функциональных блоков в ЭВМ
осуществляется посредством системы шин:
• шины данных, но которой осуществляется
обмен информацией между блоками ЭВМ,
• шины адреса, используемой для передачи
адресов (номеров ячеек памяти или портов
ввода-вывода, к которым производится
обращение),
• шины управления для передачи управляющих
сигналов.
• Совокупность этих трех шин называют
системной шиной, системной магистралью
или системным интерфейсом.

18. Принципиально общие закономерности в организации шин

1. Шина состоит из отдельных проводников - линий.
2. Сигналы по линиям шины могут передаваться
либо импульсами (наличие импульса
соответствует логической 1, а отсутствие — 0),
либо уровнем напряжения (высокий, низкий).
3. Шириной шины называется количество линий,
входящих в состав шины. Ширина шины адреса
определяет размер адресного пространства ОП
ЭВМ. Если количество линий адреса равно 20, то
общее количество адресуемых ячеек ОП
составит 220 = 1 048 576 ячеек. Ширина шины
данных определяется разрядностью ЦП (длиной
машинного слова).

19.

4. Обычно на шине в любой момент можно
выделить два активных устройства. Одно из
них называется задатчиком и инициирует
операцию обмена данными (формирует
адреса и управляющие сигналы).
Другое называется исполнителем и
выполняет операцию (дешифрирует адреса и
управляющие сигналы и принимает или
передает данные). В большинстве случаев
задатчиком является центральный
процессор. Память всегда выступает только в
качестве исполнителя.

20. Структура шины управления

• Линия занятости. Если линия находится в состоянии
«шина свободна», то задатчик (ЦП) может начать
операцию обмена данными по шине, иначе задатчику
придется ожидать, пока шина не освободится.
• Линия выполняемой операции. Указывает, какая
именно операция будет выполняться: чтение (задатчик
принимает данные от исполнителя), запись (задатчик
передает данные исполнителю).
• Линия синхронизации. Используется для передачи
сигналов синхронизации задатчика и исполнителя.
Синхронизация задатчика и исполнителя может
осуществляться по-разному,
• Один из распространенных способов называется
асинхронным и состоит в следующем.

21. Операция чтения

1. Процессор переводит шину в состояние
занято, на адресную шину помещает адрес
требуемой ячейки памяти, устанавливает на
шине управления сигнал чтение, выдает
сигнал синхронизации задатчика.
2. Память принимает адрес, дешифрирует его,
находит нужную ячейку и помещает ее
содержимое на шину данных. Далее память
выдает сигнал синхронизации исполнителя.
3. Получив ответ от памяти, процессор считывает
данные с шины данных, снимает свои
управляющие сигналы и освобождает шину.

22. Операция записи

1. Процессор переводит шину в состояние занято,
на адресную шину помещает адрес требуемой
ячейки памяти, на шину данных помещает
данные, которые надо записать в эту ячейку,
устанавливает на шине управления сигнал
запись, выдает сигнал синхронизации.
2. Память, получив сигнал синхронизации от ЦП,
принимает адрес, дешифрирует его, находит
нужную ячейку и помещает в нее содержимое с
шины данных. Далее память выдает сигнал
синхронизации исполнителя.
3. Получив ответ от памяти, ЦП снимает свои
управляющие сигналы и освобождает шину.

23. Квитирование

• Рассмотренный выше способ обмена
данными называется асинхронным
ответом , а сама операция
запроса — подтверждения носит
название квитирования или
рукопожатия (handshake) и широко
применяется при построении системы
шин различного назначения в разных
ЭВМ.

24. Виды программно-управляемой передачи данных

1. Синхронный – наиболее простой вид , требует
минимум технических и программных средств:
поскольку время выполнения операции
внешним устройством точно известно.
2. Асинхронный – интервал между командами
обмена задается внешним устройством
программным путем.
3. Обмен по прерываниям - готовность внешнего
устройства к обмену данными проверяется не
программным путем, а аппаратным, через
контроллеры прерываний.

25. Обобщенный алгоритм функционирования фон-неймановской ЭВМ с шинной организацией

Большинство ПЭВМ, мини - и микро ЭВМ
имеют шинную организацию и их
функционирование описывается
приведенным ниже алгоритмом, который
представляет собой последовательность
достаточно простых действий.

26.

Инициализация
Выборка команды
Увеличение программного счетчика
Дешифрация и выполнение команды
Нет
Команда «Остановка
процессора»
Да

27. Шаг 1. Инициализация

• После включения ЭВМ в регистры центрального
процессора заносятся некоторые начальные
значения. Обычно в процессе инициализации
после включения ЭВМ в память ЭВМ помещается
программа, называемая первичным загрузчиком.
Основное назначение этой программы — загрузить
в оперативную память с устройства внешней
памяти операционную систему.
• Пока будем полагать, что в оперативной памяти
оказалась первая из подлежащих выполнению
программ.
• Программному счетчику в УУ присваивается
начальное значение, равное адресу первой
команды программы, указанной выше.

28. Шаг 2. Выборка команды

• Центральный процессор производит
операцию считывания первой
команды программы из оперативной
памяти (выборка команды УУ).
• В качестве адреса ячейки памяти
используется содержимое
программного счетчика.

29. Шаг 3. Интерпретация команды

• Содержимое считанной ячейки памяти
помещается в регистр команды УУ. Устройство
управления приступает к интерпретации
команды. По полю кода операции из первого
слова команды УУ определяет ее длину и, если
это необходимо, организует дополнительные
операции считывания, пока вся команда
полностью не будет прочитана процессором.
• Вычисленная длина команды прибавляется к
исходному содержимому программного
счетчика, и когда команда полностью
прочитана, программный счетчик будет хранить
адрес следующей команды.

30. Шаг 4.

• По адресным полям команды
устройство управления определяет,
имеет ли команда операнды в памяти.
• Если это так, то на основе указанных в
адресных полях режимов адресации
вычисляются адреса операндов и
производятся операции чтения памяти
для считывания операндов.

31. Шаг 5.

• Устройство управления и арифметикологическое устройство выполняют
операцию, указанную в поле кода
операции команды.
• Во флаговом регистре АЛУ центрального
процессора запоминаются признаки
результатов операции (равно нулю или
нет, знак результата, наличие
переполнения, переноса и т.д.).

32. Шаг 6

• Если это необходимо, устройство
управления выполняет операцию
записи для того, чтобы поместить
результат выполнения команды в
память.

33. Шаг 7.

• Если последняя команда не была
командой остановить процессор, то
описанная последовательность
действий повторяется, начиная с шага 2.
• Описанная последовательность
достаточно простых действий
центрального процессора с шага 2 до
шага 7 называется циклом процессора.

34. Реализация цикла процессора

• В различных конфигурациях ЭВМ фон Неймана
реализация цикла процессора может несколько
отличаться. Так, например, по-разному может
осуществляться синхронизация задатчиков и
исполнителей;
• процессор может считывать из памяти не одну
команду, а сразу несколько и хранить их в
специальной очереди команд;
• часто используемые программой команды и
данные могут храниться не в основной памяти
ЭВМ, а в быстродействующей буферной памяти и
т.д.

35. Заключение

• Шинная организация. В этой схеме все
устройства симметрично подсоединяются к
одному каналу, называемому общей шиной.
• Симметрия подключения гарантирует свободное
подключение новых устройств, т.е. система имеет
теоретически неограниченное развитие.
• Между блоками ЭВМ (процессор, оперативная
память, внешние устройства) организуется обмен
информацией (последовательный).
• Так как потоки информации ограничены
возможностями одного канала, эта схема имеет
принципиальные ограничения скорости работ.