Интерфейсы магистрально модульных систем доклад

Обновлено: 05.07.2024

Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки данных на определенный интервал времени. Архитектура современных ПК основана на магистрально-модульном принципе.

Модульный принцип позволяет потребителю самому подобрать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости его модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Магистраль или системная шина - это набор электронных линий, связывающих воедино по адресации памяти, передачи данных и служебных сигналов процессор, память и периферийные устройства.

Обмен информацией между отдельными устройствами ЭВМ производится по трем многоразрядным шинам, соединяющим все модули, - шине данных, шине адресов и шине управления.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, а на программном обеспечивается драйверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответствующее устройство смогло принять этот сигнал и отреагировать на него. За реакцию устройства процессор не отвечает - это функция контроллера. Поэтому внешние устройства ЭВМ заменяемы, и набор таких модулей произволен.

Разрядность шины данных задается разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт.

Данные по шине данных могут передаваться как от процессора к какому-либо устройству, так и в обратную сторону, т. е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины передачи данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти и из внешних запоминающих устройств , чтение данных с устройств ввода, пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для ОЗУ - код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы передаются в одном направлении, от процессора к устройствам, т. е. эта шина является однонаправленной.

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией, и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Внешние устройства к шинам подключаются посредством интерфейса. Под интерфейсом понимают совокупность различных характеристик какого-либо переферийного устройства ПК, определяющих организацию обмена информацией между ним и центральным процессором. В случае несовместимости интерфейсов (например, интерфейс системной шины и интерфейс винчестера ) используют контроллеры.

Чтобы устройства, входящие в состав компьютера, могли взаимодействовать с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмотрена система прерываний (Interrupts). Система прерываний позволяет компьютеру приостановить текущее действие и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос, например, на нажатие клавиши на клавиатуре. Ведь с одной стороны, желательно, чтобы компьютер был занят возложенной на него работой, а с другой - необходима его мгновенная реакция на любой требующий внимания запрос. Прерывания обеспечивают немедленную реакцию системы.

Прогресс компьютерных технологий идет семимильными шагами. Каждый год появляются новые процессоры, платы, накопители и прочие периферийные устройства. Рост потенциальных возможностей ПК и появление новых более производительных компонентов неизбежно вызывает желание модернизировать свой компьютер . Однако нельзя в полной мере оценить новые достижения компьютерной технологии без сравнения их с существующими стандартами.

Разработка нового в области ПК всегда базируется на старых стандартах и принципах. Поэтому знание их является основополагающим фактором для (или против) выбора новой системы.

В состав ЭВМ входят следующие компоненты:

центральный процессор ( CPU );
оперативная память (memory);
устройства хранения информации ( storage devices );
устройства ввода ( input devices );
устройства вывода ( output devices );
устройства связи ( communication devices ).

Во всех вычислительных машинах до середины 50-х годов устройства обработки и управления представляли собой отдельные блоки, и только с появлением компьютеров, построенных на транзисторах, удалось объединить их в один блок, названный процессором.

Процессор - это мозг ЭВМ. Он контролирует действия всех остальных устройств (devices) компьютера и координирует выполнение программ. Процессор имеет свою внутреннюю память , называемую регистрами, управляющее и арифметико-логическое устройства .

Процесс общения процессора с внешним миром через устройства ввода-вывода по сравнению с информационными процессами внутри него протекает в сотни и тысячи раз медленнее. Это связано с тем, что устройства ввода и вывода информации часто имеют механический принцип действия (принтеры, клавиатура, мышь ) и работают медленно. Чтобы освободить процессор от простоя при ожидании окончания работы таких устройств, в компьютер вставляются специализированные микропроцессоры-контроллеры (от англ. controller - управляющий). Получив от центрального процессора компьютера команду на вывод информации, контроллер самостоятельно управляет работой внешнего устройства. Окончив вывод информации, контроллер сообщает процессору о завершении выполнения команды и готовности к получению следующей.

Число таких контроллеров соответствует числу подключенных к процессору устройств ввода и вывода. Так, для управления работой клавиатуры и мыши используется свой отдельный контроллер . Известно, что даже хорошая машинистка не способна набирать на клавиатуре больше 300 знаков в минуту, или 5 знаков в секунду. Чтобы определить, какая из ста клавиш нажата, процессор , не поддержанный контроллером, должен был бы опрашивать клавиши со скоростью 500 раз в секунду. Конечно, по его меркам это не бог весть какая скорость. Но это значит, что часть своего времени процессор будет тратить не на обработку уже имеющейся информации, а на ожидание нажатий клавиш клавиатуры.

Таким образом, использование специальных контроллеров для управления устройствами ввода-вывода, усложняя устройство компьютера, одновременно разгружает его центральный процессор от непроизводительных трат времени и повышает общую производительность компьютера.

Существует два типа оперативной памяти - память с произвольным доступом ( RAM или random access memory ) и память, доступная только на чтение ( ROM или read only memory ). Процессор ЭВМ может обмениваться данными с оперативной памятью с очень высокой скоростью, на несколько порядков превышающей скорость доступа к другим носителям информации, например дискам.

Оперативная память с произвольным доступом ( RAM ) служит для размещения программ, данных и промежуточных результатов вычислений в процессе работы компьютера. Данные могут выбираться из памяти в произвольном порядке, а не строго последовательно, как это имеет место , например, при работе с магнитной лентой. Память , доступная только на чтение ( ROM ) используется для постоянного размещения определенных программ (например, программы начальной загрузки ЭВМ). В процессе работы компьютера содержимое этой памяти не может быть изменено.

Оперативная память - временная, т. е. данные в ней хранятся только до выключения ПК. Для долговременного хранения информации служат дискеты, винчестеры , компакт-диски и т. п. Конструктивно элементы памяти выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем самым изменить объем общей оперативной памяти компьютера. Основными характеристиками элементов (микросхем) памяти являются: тип, емкость, разрядность и быстродействие .

В настоящее время отдельные микросхемы памяти не устанавливаются на материнскую плату . Они объединяются в специальных печатных платах, образуя вместе с некоторыми дополнительными элементами модули памяти ( SIMM - и DIMM -модули).

Устройства хранения информации используются для хранения информации в электронной форме. Любая информация - будь это текст, звук или графическое изображение, - представляется в виде последовательности нулей и единиц. Ниже перечислены наиболее распространенные устройства хранения информации.

Винчестеры (hard discs)

Жесткие диски - наиболее быстрые из внешних устройств хранения информации. Кроме того, информация, хранящаяся на винчестере, может быть считана с него в произвольном порядке (диск - устройство с произвольным доступом).

Емкость диска современного персонального компьютера составляет десятки гигабайт. В одной ЭВМ может быть установлено несколько винчестеров.

Оптические диски (cdroms)

Лазерные диски, как их еще называют, имеют емкость около 600 мегабайт и обеспечивают только считывание записанной на них однажды информации в режиме произвольного доступа. Скорость считывания информации определяется устройством, в которое вставляется компакт-диск (cdrom drive).

Магнито-оптические диски

В отличие от оптических дисков магнито-оптические диски позволяют не только читать, но и записывать информацию.

Флоппи диски (floppy discs)

В основе этих устройств хранения лежит гибкий магнитный диск, помещенный в твердую оболочку. Для того чтобы прочитать информацию, хранящуюся на дискете, ее необходимо вставить в дисковод (floppy disc drive ) компьютера. Емкость современных дискет всего 1.44 мегабайта. По способу доступа дискета подобна винчестеру.

Zip and Jaz Iomega discs

Это относительно новые носители информации, которые призваны заменить гибкие магнитные диски. Их можно рассматривать, как быстрые и большие по емкости (100 мегабайт - Zip, 1 гигабайт - Jaz) дискеты.

Под стандартом на интерфейс понимают совокупность условий, которые обеспечивают возможность соединения функциональных элементов определенной системы в различного вида структуры.

Принцип построения таких интерфейсов – унификация информационных, энергетических и конструктивных связей элементов.

С целью унификации информационных связей элементов автоматизированных систем (АС) устанавливается:

· Вид и количество сигналов, передаваемых через интерфейс;

· Пространственно-временные диаграммы передачи сигналов;

· Система кодирования сигналов;

· Допустимое расстояние передачи сигналов.

1. Сигналы данных - несут информацию о состоянии объекта автоматизации или управляют объектом автоматизации, линии данных: 8, 16, 24, 32, 64.

2. Статусно-управляющие сигналы – несут информацию о состоянии компонентов АС или предписывают этим элементам подготовку начала выполнения.

3. Адресные сигналы – для установления связи центрального устройства с одним из элементов.

Система координирования сигналов:

Чаще всего используется код ISO 7bit, а также используются коды двоичные, двоично-десятичные, шестнадцатеричные и т.д. Стандарт не накладывает ограничения.

Пространственно-временные диаграммы передачи сигналов определяют процедуры взаимодействия компонентов подсистемы, существует 2 вида процедур взаимодействия:

1. Синхронное взаимодействие;

2. Асинхронное взаимодействие.

При синхронном взаимодействии обмен данными выполняется за фиксированный интервал времени. Иными словами, источники приема должны иметь возможность приема информации в этот интервал времени, источники приема должны иметь одинаковое быстродействие.

При асинхронном взаимодействии (hand-shake) передающий модуль сообщает о готовности данных для передачи, затем принимающий сообщает, что данные приняты.

Синхронное взаимодействие более универсальное, но асинхронное обладает существенно большей помехоустойчивостью.

Унификация электрических связей устанавливает унификацию питающих напряжений, допустимые отклонения напряжения от номинала и допустимую токовую нагрузку.

Конструктивная совместимость предусматривает унификацию разъемных и кабельных соединений.

Преимущества стандартных интерфейсов при производстве:

1. Единообразие технологий при многообразии типов;

2. Возможность непрерывного наращивания номенклатуры по мере необходимости.

Преимущества при эксплуатации:

1. Упрощается эксплуатация и обслуживание систем;

2. Упрощается реорганизация систем;

3. Возможность использования опыта большого количества разработчиков и пользователей таких систем.

Будем рассматривать интерфейсы:

1. КАМАК (CAMAC - computer application for management and control);

2. Приборный интерфейс HP-IB.

С целью унификации информационных связей элементов автоматизированных систем (АС) устанавливается:

· Вид и количество сигналов, передаваемых через интерфейс;

· Пространственно-временные диаграммы передачи сигналов;

· Система кодирования сигналов;

· Допустимое расстояние передачи сигналов.

3. Адресные сигналы – для установления связи центрального устройства с одним из элементов.

Система координирования сигналов:

1. Синхронное взаимодействие;

2. Асинхронное взаимодействие.

Конструктивная совместимость предусматривает унификацию разъемных и кабельных соединений.

Преимущества стандартных интерфейсов при производстве:

1. Единообразие технологий при многообразии типов;

2. Возможность непрерывного наращивания номенклатуры по мере необходимости.

Преимущества при эксплуатации:

1. Упрощается эксплуатация и обслуживание систем;

2. Упрощается реорганизация систем;

3. Возможность использования опыта большого количества разработчиков и пользователей таких систем.

Будем рассматривать интерфейсы:

1. КАМАК (CAMAC - computer application for management and control);

Интерфейс в системах рассматривается как способ организации средств передачи информации между отдельными подсистемами, регламентирующий дисциплину работы и эффективность функционирования системы в целом. Интерфейсы содержат несколько магистралей, часть которых обеспечивает высокое быстродействие при взаимодействии модулей внутри блоков, а другая часть – обмен информацией между блоками.

Структура ММС

Общая архитектура (рис. 2.4) магистрально-модульной мультипроцессорной системы содержит несколько сегментов, каждый из которых включает одну или несколько машин, имеющих в своем составе одноплатную микро-ЭВМ и платы, расширяющие ее возможности и подсоединяемые посредством локальной магистрали (ЛМ). Несколько машин, входящих в состав одного сегмента, связываются между собой по системной магистрали (СМ), выполненной в виде объединительной печатной платы. Отдельные сегменты соединяются друг с другом последовательной магистралью (ПМ) или через сегментатор (СГМ).

Рис. 2.4. Общая архитектура ММС: Пр – процессор;

ЗУ – запоминающее устройство; ВВ – устройство ввода-вывода

Основной магистралью ММС, реализующей мультипроцессорную работу и объединяющей большинство модулей сегмента, является СМ. Самой быстродействующей магистралью, используемой обычно для расширения памяти процессоров, является ЛМ. Локальная магистраль имеет уменьшенное адресное пространство, меньшую нагрузочную способность по сравнению с СМ и может обслуживать один или два задатчика.

3. Интерфейсы периферийного оборудования

Использование различных функциональных классов периферийных устройств (ПУ), отличающихся физическими принципами работы, быстродействием, уровнями сигналов, обусловило унификацию их интерфейсов. Интерфейсы ПУ разделяются на две большие категории:

1) радиального подключения;

2) магистрального подключения.

В свою очередь, интерфейсы радиального и магистрального вида могут быть локального и удаленного, последовательного и параллельного подключения.

Интерфейс ирпр

Для подключения к ЭВМ стандартного периферийного оборудования (алфавитно-цифровых терминалов, устройств печати, перфоленточных устройств ввода-вывода и др.) используется радиальный параллельный интерфейс (ИРПР).

В зависимости от типа подключаемого оборудования конкретная реализация интерфейса может иметь те или иные отличия. Этот интерфейс можно также использовать и для сопряжения с ЭВМ нестандартного измерительного или управляющего оборудования, а также для связи ЭВМ при организации двух- и многомашинных комплексов. Функциональные характеристики ИРПР основаны на следующих принципах: метод передачи данных между источником (И) и приемником (П) не зависит от типа устройства; на передаваемые данные ограничения не накладываются.

Передача данных осуществляется между одним источником и одним приемником. Для дуплексного режима обмена требуется два сопряжения. Набор линий сопряжения приведен в таблице 3.1.

Линия Э служит для защиты от помех сигналов управления и передаваемых данных. Линия соединяется с металлическим корпусом устройства, подключенным к общей земле.

Линия ОВ подсоединяется к точке, принятой в данном устройстве за нулевую и изолированной от металлического корпуса.

Линии интерфейса ИРПР

Линии заземления

Линии управления

Линии сигнальные

* Контрольный разряд (КР)

* Данные (2 8 ..2 15 )

* КР старшего байта

Примечание. * Эти линии необязательны и могут отсутствовать

Сигнальные линии

Линии данных используются для передачи до 16 разрядов данных от источника. Контрольные разряды КР0 и КР1 устанавливаются такими, чтобы сумма единиц в соответствующем байте данных была нечетной.

Обмен данными

Рис. 3.1. Временная диаграмма обмена в ИРПР: Т_к – время задержки кабеля;

Т_и – время восприятия сигнала источником, Т_п – приемником;

Т₁, Т₃ – время выполнения операции источником, Т₂, Т₄ – приемником

Техническая реализация

Тип, требования к физической реализации, назначение контактов разъема для выхода на ИРПР не регламентируются. Интерфейсный кабель должен иметь волновое сопротивление 110 ± 20 Ом.

Передатчик не должен выходить из строя при:

1) коротком замыкании между сигнальной линией и линией ОВ, а также между двумя сигнальными линиями;

2) работе на кабель, отсоединенный на другом конце, или при отсоединенном кабеле;

3) работе на включенный или отключенный приемник непосредственно или через кабель.

Приемник должен:

2) не выходить из строя при соединении с включенным или отключенным передатчиком при любом его логическом состоянии.

Интерфейс должен быть работоспособным при использовании кабеля длиной до 15 м.

Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления.

По этой шине данные передаются между различными устройствами. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, т. е. количеством двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. За 25 лет, со времени создания первого персонального компьютера (1975 г.), разрядность шины данных увеличилась с 8 до 64 бит.

Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине. Разрядность шины адреса определяет адресное пространство процессора, т. е. количество ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса.

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию - считывание или запись информации из памяти — нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д. Устройство, управляющее магистралью — центральное процессорное устройство (ЦПУ) или, проще говоря, процессор.

1.2 Магистрально-модульный принцип строения ЭВМ

Магистраль (системная шина) – это набор электронных линий, связывающих центральный процессор, основную память и периферийные устройства воедино относительно передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти. Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать компьютер нужной ему конфигурации и производить при необходимости ее модернизацию.

Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией. Процессор выполняет арифметические и логические операции, взаимодействует с памятью, управляет и согласует работу периферийных устройств.

В современных персональных компьютерах разрядность шины адреса составляет 32 бита, а максимально возможное количество адресуемых ячеек памяти равно: N = 232 = 4 294 967 296. Выбор абонента по обмену данными производит процессор, формируя код адреса данного устройства, а для ОЗУ – код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении – от процессора к устройствам (однонаправленная шина).

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию – считывание или запись информации из памяти – нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т. д.

1.3 Классификация персональных компьютеров по конструктивным особенностям

Переносные компьютеры обычно нужны руководителям предприятий, менеджерам, ученым, журналистам, которым приходится работать вне офиса – дома, на презентациях или во время командировок.

Notebook (блокнот, записная книжка) по размерам ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Помещается в портфель-дипломат. Для связи с офисом его обычно комплектуют модемом. Ноутбуки зачастую снабжают приводами CD-ROM.

Многие современные ноутбуки включают в себя взаимозаменяемые блоки со стандартными разъемами. Такие модули предназначены для очень разных функций. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт-дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съемный винчестер. Ноутбук устойчив к сбоям в энергопитании. Даже если он получает энергию от обычной электросети, в случае какого-либо сбоя он мгновенно переходит на питание от аккумуляторов.

Palmtop (наладонник) – самые маленькие современные персональные компьютеры. Умещаются на ладони. Магнитные диски в них заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках – обмен информацией с обычными компьютерами идет по линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получится персональный цифровой помощник (Personal Digital Assistant).

1.4 Контроллер

Контроллер — это электронное устройство, предназначенное для подключения к магистрали компьютера разных по принципу действия, интерфейсу и конструктивному исполнению периферийных устройств К термину "контроллер" очень близок по смыслу другой термин — "адаптер". Назначение обоих одинаково, но контроллер несколько сложнее: "подразумевается его некоторая активность — способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор"". На уровне рядового пользователя данные понятия практически неразличимы и могут считаться синонимами.

Выбор метода обмена по системной шине определяется в основном требованиями к пропускной способности, времени отклика на событие, происходящее во внешнем устройстве и допустимой загрузкой процессора. Существуют два основных механизма обмена данными с внешними устройствами: программно-управляемый обмен (ввод-вывод) и прямой доступ к памяти.

Прямой доступ к памяти (DMA - Direct Memory Access) является способом обмена данными между внешним устройством и памятью без участия процессора и предназначен в основном для устройств, обменивающихся большими блоками данных с оперативной памятью. Инициатором обмена всегда выступает внешнее устройство. Процессор инициализирует контроллер DMA, и далее обмен выполняется под управлением контроллера. Если выбранный режим обмена не занимает всей пропускной способности шины, во время операций DMA процессор может продолжать работу. Этот тип обмена далее не рассматривается, поскольку он не предполагается к использованию в вариантах заданий на разработку систем.

Процессоры х86 имеют раздельную адресацию памяти и портов ввода-вывода и соответственно ввод-вывод может быть отображен либо в пространство ввода-вывода, либо вы пространство оперативной памяти (memory-mapped I/O). В последнем случае адрес памяти декодируется во внешнем устройстве и для выполнения ввода-вывода могут быть использованы все команды обращения к памяти.

Каждое адресуемый элемент адресного пространства ввода-вывода именуется портом ввода, портом вывода или портом ввода-вывода. Для обращения к портам предназначены четыре основные команды процессора: In (ввод в порт), Out (вывод из порта), Ins (ввод из порта в элемент строки памяти) и Outs (вывод элемента из строки памяти). Последние две строковые команды ввода-вывода используются для быстрой пересылки блоков данных между портом и памятью в случае последовательно расположенных адресов портов в внешнем устройстве. Обмен данными с портами, при котором используются строковые команды ввода-вывода, получил название PIO (Programmed Input/Output) - программированный ввод-вывод.

Что понимается под словом обмен? Во первых - это обращение программы к выбранному порту и пересылка информации. Пересылка - чтение или запись может производится в расчете на то, что порт всегда готов выдать или принять данные или же предваряется анализом готовности устройства. В последнем случае обмен включает операцию чтения регистра состояния устройства для анализа его готовности, ожидание готовности (зацикливание предыдущего шага), собственно обмен байтом или словом данных. Модификацией этого варианта является метод опроса - способ обнаружения асинхронных событий. При его использовании каждому возможному событию ставится в соответствие флажок, которому может обратиться программа.

1.5 АЛУ (Арифметико-логическое устройство)

Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические операции над данными. Основная часть АЛУ — операционный автомат, состоящий из сумматоров, счетчиков, регистров, логических преобразователей, который каждый раз перенастраивается на выполнение очередной операции. Результаты отдельных операций сохраняются для последующего использования на одном из регистров АЛУ или записываются в память. Результаты, полученные после выполнения всей последовательности вычислений, передаются на устройства вывода (УВыв) информации. В качестве УВыв может использоваться экран дисплея, принтер, графопостроитель и др.

Современные ЭВМ обладают достаточно развитыми системами машинных операций. Например, ЭВМ типа 1ВМ РС 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 микрокоманда — это простейшее преобразование данных типа алгебраического сложения, сдвига, перезаписи информации и т. п.

Соединение всех устройств в ПЭВМ 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), которое предназначено для записи и постоянного хранения наиболее часто используемых программ управления. Подключение всех внешних устройств (ВнУ), монитора (дисплея), клавиатуры, ВЗУ 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 — достаточно логичный и естественный стандарт для данного класса ЭВМ. Децентрализация построения и управления вызвала к жизни такие элементы, которые являются общим стандартом структур современных ЭВМ: модульность построения, магистральность и иерархия управления.

Персональный компьютер выполняется на базе сверхбольших интегральных микросхем, и практически все они располагаются в системном блоке на отдельных платах. Главной платой системного блока можно считать системную или материнскую плату. На ней расположены центральный процессор, сопроцессор, оперативная память и ряд разъёмов для установки контроллеров внешних устройств или соединения с ними. То есть она представляет собой комплект разных модулей, которые обеспечивают функционирование компьютера. Блок питания обеспечивает преобразование переменного напряжения электрической сети в несколько постоянных напряжений разной величины и полярности, которые необходимы для работы материнской платы и остальных устройств внутри системного блока. Для охлаждения компонентов системного блока и исключения перегрева, используется регулируемый вентилятор. Системная шина или магистраль, находящаяся в системном блоке, представляет собой набор электрических соединений для связи процессора с памятью и внешними устройствами. Клавиатура компьютера предназначается для ввода информационных данных в память компьютера посредством нажатия пользователем нужных клавиш. Обычная клавиатура, как правило, состоит из ста клавиш.

1.7 Северный и южный мосты

Для согласования тактовой частоты и разрядности устройств на системной плате устанавливают специальные микросхемы, включающие в себя контроллер оперативной памяти и видеопамяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост).

Сереный мост – это системный контроллер, являющийся одним из элементов чипсета материнской платы, отвечающий за работу с оперативной памятью, видеоадаптером и процессором.

Одной из основных функций северного моста является обеспечение взаимодействия системной платы и процессора, а также определение скорости работы. Частью северного моста во многих современных материнских платах является встроенный видеоадаптер. Таким образом, функциональная особенность северного моста являет собой ещё и управление шиной видеоадаптера и её быстродействием. Также северный мост обеспечивает связь всех вышеперечисленных устройств с южным мостом.

1.8 Малые ЭВМ

Малые ЭВМ используются как управляющие компьютеры для контроля над технологическими процессами. Применяются также для вычислений в многопользовательских системах, в системах автоматизации проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

По назначению микроЭВМ могут быть универсальными и специализированными. По числу пользователей, одновременно работающих за компьютером – много– и однопользовательские. Специализированные многопользовательские микроЭВМ (серверы – от англ. server) являются мощными компьютерами, используемыми в компьютерных сетях для обработки запросов всех компьютеров сети. Специализированные однопользовательские (рабочие станции – workstation, англ.) эксплуатируются в компьютерных сетях для выполнения прикладных задач. Универсальные многопользовательские микроЭВМ являются мощными компьютерами, оборудованными несколькими терминалами. Универсальные однопользовательские микроЭВМ общедоступны. К их числу относятся персональные компьютеры – ПК. Наиболее популярным представителем ПК в нашей стране является компьютер класса IBM PC (International Business Machines – Personal Computer).

По конструктивным особенностям ПК делятся на стационарные (настольные – тип DeskTop) и переносные.

1.9 Принцип открытой архитектуры

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

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

Рис. 1 Схема магистрали

1.10 Структура компьютера

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные.

Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных средств.

Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Вывод: Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами.

Развитие системы КАМАК характеризует следующие тенденции: модификация основного интерфейса EUR-4100 введением дополняющего его интерфейса EUR-6500, определяющего организацию многоконтроллерных систем в крейте; разработка принципиально нового интерфейса COMPEX (КОМПЕКС), обеспечивающего построение систем, более эффективно использующих магистраль крейта по сравнению с интерфейсом EUR-4100 (IEC 516) и EUR-6500 (IEC 729).

Интерфейс EUR-6500 предназначен для эффективного сочетания с ранее разработанным в части только внешней архитектуры интерфейсом IEC 516. В качестве контроллеров крейта (КК) могут использоваться модифицированные под EUR-6500 контроллеры типа А-2 (для параллельной ветви по EUR-4600) и типа L-2 (для последовательной ветви по EUR-6100), а также специализированные КК, выходящие на интерфейсы ввода-вывода различных мини- и микроЭВМ.

По стандарту EUR-6500 обеспечивается возможность иметь в крейте несколько дополнительных (вспомогательных) контроллеров (ДК), размещаемых в обычных местах и способных управлять операциями на магистрали крейта.

Предусмотрены два способа задания приоритетов контроллерам: наивысшего приоритета одному контроллеру посредством проходящей через все КК линии ACL; фиксированного приоритета контроллерам в соответствии с их расположением в крейте с помощью линий запроса RQ, общего для всех контроллеров; разрешения запроса (входной линии GI и выходной линии G0); запрета выдачи запросов.

Работа с несколькими ДК обеспечивается с помощью стандартной дополнительной магистрали крейта, размещаемой на основной (табл. 14.4.).

Таблица 14.4. Характеристика линий интерфейса EU – 6500

Наименование	Обозначение	Назначение
Вспомогательная магистраль
Запросы	AL1…AL24	Передача от КК запросов
Кодированные запросы	EN1…EN16	Передача в КК в двоичном виде закодированных запросов
Запрос	RQ	Признак запроса на управление от КК
Запрет запроса	PI	Признак занятости магистрали и запрет арбитража
Блокировка вспомогательной магистрали	ACL	Управление в ACL
Передние панели контроллеров
Запрос	RQ	Признак запроса на управление от КК
Разрешение-вход	GI	Разрешение от контроллера с более высоким приоритетом
Разрешение-выход	GO	Разрешение управления контроллеру с более низким приоритетом

Интерфейс COMPEX предназначен для более эффективного использования магистрали крейта посредством расширения системы адресации введением двунаправленных линий данных и использованием освободившихся 24 линий для адреса, введения асинхронной системы передачи данных на магистрали, улучшения системы обработки запросов, модернизации системы блочных передач.

Интерфейс обеспечивает механическую и электрическую совместимость с интерфейсом IEC-516 при использовании магистрали крейта соответствующим образом (см. табл. 14.2.).

В интерфейсе определены пять новых кодов операций (функций их числа резервных в исходном варианте IEC-516), приведенных в табл. 14.5, 14.6.

Таблица 14.5. Характеристика линий магистрали крейта, используемых в интерфейсе СОМРЕХ

Наименование	Обозначение	Источник сигнала
Информационные
Адрес	EW1…EW24	K
Данные	ER1…ER24	K
Синхронизации
Адрес и функции установлены	ES1	K
Команда принята	ES2	M
Известительные
Данные установлены	EQ	M, K
Вектор прерывания установлен	EX	M со старшим запросом
Конец блока данных	EA1	М, К
Системные
Начальная установка	EZ	К
Сброс	EC	К
Резервные
EA2, EA4, EA8

Примечания: К – контроллер; М – модуль.

Таблица 14.6. Коды функций, дополнительно используемые в интерфейсе СОМРЕХ

Код	Операция	Использование линий
N	ER, EW
F (7)	Опрос прерываний	НЕТ	ER - вектор
F (13)	Чтение географическое	ДА	EW - адрес
F (29)	Запись географическая	ДА	ER - данные
F (15)	Чтение логическое	НЕТ	НЕТ
F (31)	Запись логическая	НЕТ	НЕТ

Доступ КК к магистрали, которую можно рассматривать как функционально специализированную, осуществляется в соответствии с EUR-6500.

Операции чтения-записи КК выполняет следующим образом: получает доступ к магистрали; устанавливает команду (и данные при записи) и через 150 нс синхросигнал ES1; адресуемый модуль выдает (принимает при записи) данные и сигнал ES2; принимает данные (при чтении), снимает сигнал ES1 и через 50 нс снимает сигнал с линии адреса команды; модуль снимает сигнал ES2, а КК после этого освобождает магистраль.

Все задержки установления сигналов на линиях магистрали реализуются в КК. Минимальная длительность цикла не более 0,7 мкс.

Для предотвращения блокировки магистрали неисправным модулем каждый КК имеет таймер. При срабатывании таймера формируется сигнал ES1, по которому модули обязаны освободить магистраль (а также обеспечить реакцию на сигнал ACL от контроллера типа L-2.

Обработка запросов осуществляется централизованным способом под управлением блока запросов, который при поступлении запроса получает доступ к магистрали. Блок выдает команду F(7) и сигнал ES1. В ответ все модули, имеющие запросы, выдают на линии ER свои векторы прерывания, приоритет которых задается разрядами кода задачи.

Формат вектора прерывания: (R1…R10) – код задачи; (R11…R18) – адрес источника; (R19…R24) – адрес приемника.

Выдача и установление модулем на линиях ER вектора со старшим приоритетом аналогичны используемым в Fastbus. Следует отметить, что в проекте стандарта раздел обработки запросов приведен как рекомендательный.

Анализ интерфейсов магистрали крейта КАМАК показывает, что COMPEX наилучшим образом обеспечивает применение 16-разрядных МП, памяти большой емкости и устройств с различным быстродействием, а также в наибольшей степени удовлетворяет общим требованиям к магистралям МВС с раздельными линиями адреса и данных. Это позволяет в ряде случаев эмулировать на магистрали крейта также режимы работы аналогичных интерфейсов мини- и микроЭВМ, что упрощает создание комбинированных систем в конструктиве КАМАК.

При реализации КК и ДК, обеспечивающих выход на интерфейсы EUR-4100 и COMPEX, можно эффективно совместно эксплуатировать имеющиеся и новые модули, обладающие существенно большой информационной вместимостью. Тем не менее интерфейс COMPEX не устраняет одного из наиболее существенных недостатков системы КАМАК по сравнению с аналогичными современными МВС – не исключает неудобную вспомогательную магистраль.

Читайте также: