Канальная и шинная системотехника

Канальная и шинная системотехника Канальная и шинная системотехника Принципы фон­Неймана БольшинствосовременныхЭВМстроитсянабазепринципов,сформулированныхДж.Фон­ Нейманомв1945г.вегопредложенияхпомашинеEDVAC(однойизпервыхмашинсхранимойпрог раммой). Вцеломэтипринципысводятсякследующему: 1. основным блоками фон­неймановской машины являются: блок управления, арифмети ко­логическое устройство (АЛУ), память и устройства ввода­вывода; 2. информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые сло вами; 3. алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов (команд), к оторые определяют смысл операции. Совокупность команд, представляющаяалгоритм , называется программой; 4. программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Разнотипные слова различают ся по способу использования, но не по способу кодирования; 5. устройство управления и АЛУ обычно объединяются в одно ­ центральный процессор.  Они определяют действия, подлежащие выполнению, путем считываниякоманд из опе ративной памяти. Обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к посл едовательному выполнению команд в порядке, однозначноопределяемом программой. ЭВМможнопредставитькаксовокупностьузлов,соединенныхканаломсвязи.  узлы соединяют в себе функции хранения и преобразования;  по каналам связи передается информация от узла к узлу. Принципы фон­Неймана практически можно реализовать множеством различных способов:  шинная организация;  канальная организация (специализированные процессоры ­ каналы);  схемы с коммутацией;  архитектуры с распределенными функциями (распределенный интеллект);  с конвейерной организацией;  и др. Функционирование ЭВМ с шинной организацией Шинная организация является простейшей формой организации ЭВМ. Шина  среда передачи сигналов управления , адресов и данных, к которой парал лельно могутподключаться нескольк о компонентов вычислительной сист емы. Физически шина представляетс обой параллельные проводники на п лате, которые называются линиями.  алгоритмы, по которым по линиям п ередаются сигналы, правила интерпр етации сигналов налиниях устройств ами, присоединенными к шине; Шинасостоитизотдельныхпроводников(ли ний).Сигналыполиниямшиныобычнопереда ютсяуровнемнапряжения(например,высокийуровень– логическая1,низкий­0). Ширина шины – количество линий (проводников), входящих в состав шины. ­ количество бит (разрядов),передаваемых по шине за один момент времени. Обычно на шине в любой момент можно выделить два активных устройства: 1. задатчик ­ инициирует операцию обмена данными (формирует адреса и управляющие  сигналы). В большинстве случаев – ЦП; 2. исполнитель – выполняет операцию (дешифрирует адреса и управляющие сигналы и п ринимает или передает данные). Объединение функциональных блоков в ЭВМ осуществляется посредством системы шин: Шинаданных– шина,покоторойосуществляетсяобменинформациеймеждублокамиЭВМ. Шинаадреса– шина,используемаядляпередачиадресов(номеровячеекпамятиилипортовввода ­вывода,ккоторымпроизводитсяобращение). Шинауправления– шина,используемаядляпередачиуправляющихсигналов. С   истемнаяшина/системнаямагистраль/ системныйинтерфейс­ совокупностьША,ШД,ШУ. Составшиныуправления(управляющиелинии):  Линия занятости. Если она в состоянии «шина свободна», любой задатчик, включая  процесс, может начать операцию обмена данными на шине, иначе задатчикупридется о жидать, пока шина не освободится.  Линии выполняемой операции. Указывают, какая именно операция будет выполнятьс я (чтение, запись).  Линии синхронизации. Синхронизациязадатчиковиисполнителейможетосуществлятьсяпо­ разному.Одинизраспространенныхспособовобменаданныминазываетсяасинхроннымответо м,асамаоперация«запрос– подтверждение»носитназваниеквитированияилирукопожатия(handshake)иширокоприменя етсяприпостроениисистемшинразличногоназна чения. Задатчиквпроцессеоперацииобменавыставляетнашинесигналсинхронизациизадатчика,котор ыйраспространяетсяпошинеичерезнекотороевремядостигаетисполнителя.Получивсигналотз адатчика,исполнительвыполняетоперациюобмена(передаетипринимаетданные)ивыставляетн ашинеответныйсигналсинхронизацииисполнителя,которыйтакженачинаетраспространятьсяп ошине.Получивответотисполнителя,задатчикосвобождаетшину. Примеры: Операция считывания ячейки памяти  Процессор переводит шину в состояние «занято».  На адресную шину помещает адрес требуемой ячейки памяти, устанавливает на шине  управления сигнал «чтение», выдает сигнал синхронизации задатчика.  Память принимает адрес, дешифрирует его, находит нужную ячейку и помещает ее со держимое на шину данных и выдает сигнал синхронизации исполнителя.  Получив ответ от памяти, процессор считывает данные с шины, снимает свои управля ющие сигналы и освобождает шину. Операция«записьвпамять»  Шина переводится в состояние «занято»  Адрес требуемой ячейки памяти помещается на шину адреса. Данные, которые необхо димо записать в память, помещаются на шину данных. На шине управленияустанавлив ается сигнал «запись», выдается сигнал синхронизации задатчика.  Память принимает адрес, дешифрирует его, помещает в соответствующую ячейку дан ные с шины и выдает сигнал синхронизации исполнителя.  Получив ответ от памяти, процессор снимает управляющие сигналы и освобождает ши ну. Алгоритм функционированиеЭВМ с шиннойструктурой 1. Инициализация. После включения ЭВМ или операции сброса в регистры центрально п роцессора заносятся некоторые начальные значения. Обычно в процессеинициализации  в память ЭВМ помещается программа, называемая первичным загрузчиком, основное  назначение которого – загрузить в память с устройствавнешней памяти ОС. Эта прогр амма может быть размещена в энергонезависимом устройстве памяти или автоматичес ки считываться с некоторого устройствавнешней памяти. Программному счетчику при сваивается начальное значение, равное адресу первой команды программы, указанной  выше. 2. ЦП производит операцию считывания команды из памяти. В качестве адреса ячейки  памяти используется содержимое программного счетчика. 3. Содержимое считанной ячейки памяти интерпретируется процессором как команда и  помещается в регистр команды. Устройство управления приступает кинтерпретации п рочитанной команды. По полю кода операции из первого слова команды устройство у правления определяет ее длину и, если это необходимоорганизует дополнительные оп ерации считывания, пока вся команда полностью не будет прочитана процессором. Вы численная длина команды прибавляется кисходному содержимому программного счет чика, и когда команда полностью прочитана, программный счетчик будет хранить адр ес следующей команды. 4. По адресным полям команды устройство управления определяет, имеет ли команда оп еранды впамяти. Если это так, то на основе указанных в адресных полях режимов адре сации вычисляютсяадреса операндов и производятся операции чтения памяти для счи тывания операндов. 5. УУ и АЛУ выполняют операцию, указанну ю в поле кода операции команды. Во флагов ом регистрепроцессора запоминаются призн аки результата операции (равно нулю или не т, знак результата,наличие переполнения и т .д.) 6. Если это необходимо, УУ выполняет  операцию записи для того, чтобы поместить результат выполнения команды в память. 7. Если последняя команда не была командой  ОСТАНОВИТЬ ПРОЦЕССОР, то описанная последовательность действий повторяется,  начиная с шага 2 ПоследовательностьдействийЦПс1(2)по6называетсяцикломпроцессора. Канальная и шинная системотехника Канальная и шинная системотехника ФункционированиеЭВМсканальнойорганизацией К анал– этоспециализированныйпроцессор,осуществляющийвсюработупоуправлениюконтроллерами внешнихустройствиобмен уданнымимеждуосновной памятьюивнешнимиустро йствами. Устройствагруппируютсяпоха­ рактернойскоростииподключаютсяксоответствующимканалам. Каналы:  селекторные ­ «быстрые» устройства (напр., накопители на магнитных дисках). Устро йство получает канал в монопольное использование на все время выполненияоперации  обмена данными;  мультиплексные ­ «медленные» устройства. Канал разделяется (мультиплексируется)  между несколькими устройствам, при этом возможен одновременный обменданными с  несколькими устройствами. ДоступкоперативнойпамятиможетполучитьиЦП,иодинизканалов.Дляуправленияочередно­ стьюдоступаимеетсяконтроллероперативнойпамяти,которыйопределя­ етприоритетнуюдисциплинудоступаприодновременномобраще­ ниинесколькихустройствкпамяти.Приоритетобратнопропорциона  ­ ленчастотеобращенияустройствкпамяти(наименьшийприоритет– ЦП,средиканаловбольшийп риоритетимеютмедленныеканалы). ЗасчетсущественногоусложненияорганизацииЭВМ,упрощаетсяархитектураввода­ вывода.Связьмеждуотдельнымиузламиосуще­ ствляетсяпосхеме,напоминающейтреугольник.Опера­ цииобменаданнымистановятсяболеепростыми.Канал,посути,представляетсобойспециализир ованный«интеллектуальный»кон­ троллерпрямогодоступакпамяти.Дляускоренияобменаданнымиреализованынесколькотракто вобменаданными(процессор— основнаяпамять,каналы— основнаяпамять).Освоемсостояниика­ налможетинформироватьпроцессорспомощьюпрерываний.Всеконтроллерывнешнихустройст вподключаютсяк«своим»каналамспомощьюстандартногоинтерфейса.Свободаподключенияв нешнихустройствсохраняетсяблагодарястандартномупротоколуинтерфей­ са,приэтомпоявляетсявозможностьгруппироватьустройствапохарактеристикам. Каналвыполняетсвоюканальнуюпрограмму: ­состоитизканальныхкоманд; ­длинапрограммыпроизвольна; ­последняякомандасодержитпризнакконца; ­подготовкупрограммыизагрузкуеевоперативнуюпамятьосуществляетОС. ­послеподготовкиканальнаяпрограммы,адресееначалараз­ мещаетсявфиксированнойячейкепамяти,называемойСловомадресаканалаCAW(ChanelAdre ssWord). Командыпроцессорадляуправленияканалами:  НАЧАТЬ ВВОД­ВЫВОД ­ SIO M,N (Start Input­Output)­ инициирование операции обм ена данными:  М ­ номер канала;  N ­ номер устройства в канале.  ОПРОСИТЬ ВВОД­ВЫВОД — TIO (Test Input­Output) – проверка процессором состо яния канала КомандаSIOM,Nпередаетсявовсеканалы,новоспринимаетеетолькоканалМ.Есликаналзанят,т оонустанавливаетсоответствующеесостояниесвоихрегистров,ипроцессорпокомандеTIOмо­ жетвыяснить,чтозапускканальнойпрограммынесостоялся.Есликаналсвободен,онвыполняетсл едующиедействия. 1.выбираетизоперативнойпамятиCAWвсвойрегистр; 2.передаетподключеннымкнемуустройствамкомандуSIO. КомандаSIOM,Nпередаетсявсемустройствам,новос­ принимаетеетолькоустройствоN.Еслиустройствозанятоилинеготово,врегистрахканалаустана вливаетсясоответствующеесостоя­ ниеипроцессорпокомандеTIOможетузнатьотом,чтооперацияобменаданныминесостоялась.Ес лижеустройствосвободноиготовокобменуданными,оноустанавливаетвинтерфейсесигналожи­ дания.Всядальнейшаяобменнаяоперацияпротекаетпоинициативевнешнегоустройства. Получивсигналожидания,каналвыбираетпоадресуCAWадресканальнойкомандыипередаетеев контроллервнешнегоустройства,гдеонавыполняется. Канальныекоманды: ­подготовительныекоманды­ устанавливаютрежимыработывнешнихустройств,осуществляютоперациипоискаит.д. ­командыобменаданными­содержаткодыоперацийиадресаоператив­ нойпамяти.Обменпроисходитпоасинхроннойсхемепоинициативевнешнегоустройства.Данные извлекаютсяизпамятиипомещаютсявнеенапрямую,безпосредников. Послевыполнениякомандыканалпроверяетввыполненнойко­ мандепризнакконца.Еслиэтонепоследняякоманда,меняетсяадресCAWивыбираетсяследующа якоманда.Есликомандапоследняя,канал«привлекаетксебевнимание»процессораспомощьюси гналапрерывания.Посигналупрерываниязапускаетсяобработчик,яв­ ляющийсячастьюОС.Обработчикпрерываниявыполняетоперации,завершающиеобмен. Каналможетсгенерироватьсигналпрерываниядоокончанияка­ нальнойпрограммыпривозникновенииисключительнойситуации.Вэтомслучаеоперационнаяси стемазапрашиваетсостояниерегистровканалаивыясняет,чтоименнопроизошло,иопределяет,к акиедействиянеобходимопредпринятьввозникшейситуации. ОднойизпервыхмашинсканаламибылаЭВМвторогопоколенияIBM­ 704.ЯркимпримеромЭВМсканаламиявляютсямашинысемействаIBM­360/370. Другие схемы Организация с перекрестной  коммутацией Всесвя­ зимеждуузламиосуществляютсяспомощьюспециальногоустройства— коммутирующейматрицы,котораяможетсвязыватьмеждусобойлюбуюпаруузлов,причемтак ихпарможетбытьсколькоугодно— связинезависятдруготдруга.Втакойсхеменетконфликтовиз­ засвязей,естьконфликтытолькоиз­ заресурсов.Возможностьодновременнойсвязинесколькихпарустройствпозво­ ляетдостичьоченьвысокойпроизводительностикомплекса. Архитектура с распределенными функциями Обработкаинформациираспределяетсяпо«интеллектуальным»периферийнымустройствам. *Явля­ ласьосновнойидеейяпонскогопроектаЭВМпятогопоколения.Внастоящеевремяэтаидеяостала сьнереализованной. Конвейернаяорганизация Обрабатывающееустройствораз­ деляетсянапоследовательновключенныеоперационныеблоки,каж­ дыйизкоторыхспециализированнавыполнениестрогоопределеннойчастиоперации.Приэтомра ботаосуществляетсяследующимобразом: когдаi­йоперационныйблоквыполняетi­уючастьj­йоперации,(i­1)­ йоперационныйблоквыполняет(i­1)­уючасть(j+1)­йоперации,а(i+1)­ йоперационныйблоквыполняет(i+1)­уючасть(j­1)­йоперации.Вре­ зультатеобразуетсясвоегородаконвейеробработкиизасчетэтогоповышаетсяпроизводительнос тьсистемы. Данный курс связан с изучением одного из разделов современной информатики и  предназначен для формирования представлений об основных понятиях архитектуры  персонального компьютера (ПК). Основными целями курса по подготовке специалиста по информатики, работающего в сфере образования, являются ознакомление слушателей со следующими разделами: 1. Архитектура современного ПК. 2. Изучение языка низкого уровня (ассемблера) и методов программирования на нем. 3. Знакомство с устройством важнейших компонент аппаратных средств ПК. 4. Механизмы пересылки и управления информацией. 5. Основными правилами логического проектирования. Изучение дисциплины "Архитектура компьютера" является одной из важных составляющих  профессиональной подготовки учителя информатики. Бурное развитие информационных технологий и их основной технической базы – компьютеров, приводит к всё большему  насыщению ими практически всех сфер деятельности человека. В этих условиях для  учителя информатики необходимо знание основ аппаратной части компьютера, его  основных технических характеристик и функциональных возможностей. Это важно не  только для преподавания информатики в школе. Такое знание дает возможность более  осознанно осуществлять выбор, организовывать обслуживание, модернизацию персональных  компьютеров кабинета информатики, планировать развитие школьного компьютерного  центра и т.п. Особое внимание уделяется изучению и использованию языка ассемблера (макроассемблера) или их модели на всех этапах обучения. Контроль за усвоением материала осуществляется в течении семестра при выполнении  лабораторных работ и написании рефератов. Итоговый контроль – сдача зачета в конце  семестра. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ Основной целью курса является знакомство с основными понятиями архитектуры  современного персонального компьютера (ПК), изучение языка низкого уровня ­ ассемблера  и методов программирования на нём, знакомство с устройством важнейших компонентов  аппаратных средств ПК, механизмами пересылки и управления информацией, основными  правилами логического проектирования. Задачей курса «Архитектура компьютера является» получение студентами знаний об  аппаратной части компьютера и его технических характеристик и функциональных  возможностей. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ В результате изучения дисциплины студент должен:  знать: o классификацию компьютеров; o структурную и функциональную схему персонального компьютера; o назначение, виды и характеристики центральных и внешних устройств ЭВМ; o формы представления информации в ЭВМ; o принципы Фон­Неймана и классическую архитектуру современного компьютера; o архитектуру микропроцессора; o понятие о языке ассемблера (макроассемблера); o основные методы программирования на языке Ассемблера.  уметь: o выполнять разработку, ассемблирование и отладку простых программ; o создавать простейшие ассемблерные программы по управлению внешними  устройствами; o создавать ассемблерные программы для работы под управлением операционной  системы Windows; o создавать и использовать библиотеки макрокоманд; o производить техническое обслуживание компьютера; o находить и устранять неисправности. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ Вид занятий Всего часов Семестр IX Общая трудоемкость (по ГОС ВПО) Аудиторные занятия Лекции Лабораторные работы Самостоятельная работа Курсовые работы, рефераты Вид итогового контроля 80 40 14 26 40 — 80 40 14 26 40 — Зачет СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ РАЗДЕЛЫ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ ЗАНЯТИЙ № п.п. Раздел дисциплины Лекции Лабораторные работы – 4 8 8 6 – 2 2 4 4 2 2 1 2 3 4 5 6 Понятие об архитектуре компьютера Архитектура микропроцессора Программирование на ассемблере Макропрограммирование Внешние устройства компьютера Современные тенденции развития архитектуры  компьютера СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ №  п.п. Тематический план 1 2 3 4 ПОНЯТИЕ ОБ АРХИТЕКТУРЕ КОМПЬЮТЕРА История развития вычислительной техники. Классификация компьютеров.  Информационно­логические основы построения ЭВМ. Принципы фон Неймана и  классическая архитектура компьютера. Канальная и шинная системотехника. АРХИТЕКТУРА МИКРОПРОЦЕССОРА Функциональная схема персонального компьютера. Процессор. Регистры.  Оперативная память (RAM) и её конструктивные элементы. Постоянная память  (ROM). Механизмы адресации. Арифметико­логическое устройство. Программно  доступные регистры: аккумулятор, счетчик команд, указатель стека, индексный  регистр, регистр флагов. Система и механизм прерываний микропроцессора.  Материнская плата. ПРОГРАММИРОВАНИЕ НА АССЕМБЛЕРЕ Система команд. Команды и данные. Форматы данных. Мнемоническое кодирование.  Прерывания базовой системы ввода­вывода (BIOS) и операционной системы (ОС).  Ассемблирование и дизассемблирование. Отладка и трассировка программ. МАКРОПРОГРАММИРОВАНИЕ Понятие о макроподстановке. Макрокоманда. Параметры макрокоманды. Библиотека макрокоманд. Макроассемблер. Реализация управляющих конструкций (if­then­else, while­do и т.д.) языков высокого уровня средствами макропрограммирования. 5 ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА КОМПЬЮТЕРА Параллельный и последовательный интерфейсы. Внешние запоминающие устройства.  Устройства ввода и вывода информации: видеокарты и мониторы; принтеры;  манипуляторы; накопители на гибких и жестких магнитных дисках; оптические  диски; сканирующие устройства. Контроллеры внешних устройств. Драйверы  устройств. Техническое обслуживание компьютера. ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ №  п.п. № раздела  дисциплины Наименование лабораторных работ 1 2 3 4 5 6 7 8 1 1 2 3 3 3 4 5 Кодирование целых чисел в ЭВМ (2 ч.). Кодирование вещественных чисел в ЭВМ (2 ч.). Архитектура микропроцессора. Система команд (4 ч.). Вычисление целочисленных арифметических выражений (2  ч.). Организация циклов и работа с целочисленными  одномерными массивами (2 ч.). Использование цепочечных команд – команд обработки строк (4 ч.). Макропрограммирование (6 ч.). Программирование работы с внешними устройствами,  макроопределения (4 ч.). ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ 1. Персональные компьютеры (модели: Pentium III и выше) 2. Макроассемблер (Турбо­Ассемблер, Турбо Паскаль) МАТЕРИАЛЬНО­ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Для обеспечения дисциплины необходимы: 1. специально оборудованные аудитории и компьютерные классы; 2. персональные компьютеры (модели: Pentium III и выше); 3. различные технические и аудиовизуальные средства обучения. СОДЕРЖАНИЕ ТЕКУЩЕГО И ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОНТРОЛЯ ТЕКУЩИЙ КОНТРОЛЬ Вопросы к лабораторным работам и отчеты по лабораторным работам. ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ КОНТРОЛЬ: 1. История развития вычислительной техники. 2. Классификация компьютеров. 3. Принципы фон Неймана и классическая архитектура компьютера. 4. Канальная и шинная системотехника. 5. Функциональная схема персонального компьютера. 6. Архитектура микропроцессора. 7. Материнская плата. 8. Система команд микропроцессора. 9. Команды и данные. Форматы данных. 10.Прерывания базовой системы ввода­вывода (BIOS) и операционной системы. 11.Ассемблирование и дизассемблирование. 12.Отладка и трассировка программ. 13.Понятие о макроподстановке. Макрокоманда. 14.Параметры макрокоманды. 15.Библиотека макрокоманд. 16.Макроассемблер. 17.Реализация управляющих конструкций (if­then­else, while­do и т.д.) языков высокого  уровня средствами макропрограммирования. 18.Параллельный и последовательный интерфейсы. 19.Внешние запоминающие устройства. 20.Устройства ввода и вывода информации. 21.Видеокарты. 22.Принтеры. 23.Манипуляторы. 24.Накопители на гибких и жестких магнитных дисках. 25.Оптические диски. 26.Сканирующие устройства. 27.Контроллеры внешних устройств. 28.Драйверы устройств. 29.Техническое обслуживание компьютера. Перечень рекомендуемой учебной литературы 1. Абель П. Ассемблер: Язык и программирование для IBM PC. Киев: Век+, 2003. –  734 с. 2. Алексеев А.П. Информатика 2002. М.: СОЛОН, 2003. – 400 с. 3. Голубь Н.Г. Основы компьютерных вычислений: Эффективный учебный  курс. М.: ДиаСофтЮП, 2005. – 819 с. 4. Горнец Н.Н. Организация ЭВМ и систем. М.: Академия, 2006. – 316 с. 5. Юров В.И. Assembler. СПб.: Питер, 2006. – 636 с. 6. Бройдо В.Л. Архитектура ЭВМ и систем. СПб.: Питер, 2006. – 717 с. 7. Голубь Н.Г. Искусство программирования на ассемблере. М.: ДиаСофтЮП, 2002. –  644 с. 8. Поворознюк А.И. Архитектура компьютеров, ч.1. Харьков: Торнадо, 2004. – 355 с. 9. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. СПб.: Питер, 2003. – 699 с. 10.А.В.Могилев, Н.И.Пак, Е.К.Хеннер. Информатика. М.: Академия, 2007. – 841 с.