Урок 12
Принципы устройства компьютеров
§32. Принципы устройства компьютеров. §33. Магистрально-модульная организация компьютера
Содержание урока
§32. Принципы устройства компьютеров
§33. Магистрально-модульная организация компьютера
Что понимается под устройством компьютера?
Взаимодействие устройств
Обмен данными с внешними устройствами
§33. Магистрально-модульная организация компьютера
Взаимодействие устройств
Процессор должен обмениваться данными с внутренней памятью и устройствами ввода и вывода. Выделить отдельные каналы для связи процессора с каждым из многочисленных устройств нереально. Вместо этого сделана общая линия связи, доступ к которой имеют все устройства, использующие её по очереди. Такой информационный канал называется шиной.
Шина (или магистраль) — это группа линий связи для обмена данными между несколькими устройствами компьютера.
Традиционно шина делится на три части (рис. 5.10) — это:
• шина данных, по которой передаются данные;
• шина адреса, определяющая, куда именно передаётся информация;
• шина управления, которая организует процесс обмена (несёт сигналы чтение/запись, обращение к внутренней/ внешней памяти, данные готовы/не готовы и т. п.).
Рис. 5.10
Рассмотрим процесс записи данных из процессора в память. На шину данных процессор выставляет данные для записи, на шину адреса — нужный адрес памяти, а на шину управления — сигналы для записи информации в память. Далее он вынужден ожидать, пока данные будут «взяты» с шины. В это время все остальные устройства постоянно «слушают» шину (проверяют её состояние). В нашем примере по сигналам на шине память обнаруживает, что для неё имеются данные. Она сохраняет их по заданному адресу и должна по шине управления сообщить процессору, что операция завершена. На практике, учитывая высокую надёжность работы памяти, сигнал подтверждения часто не используется: процессор просто выжидает определённое время и продолжает выполнение программы. Из этого примера понятно, что для успешного обмена данными по шине должны быть введены чёткие правила (их принято называть протоколом шины), которые должны соблюдать все устройства.
По сравнению с первыми ЭВМ, взаимодействие процессора с внешними устройствами организуется теперь по-другому. В классической архитектуре процессор контролировал все процессы ввода/вывода. Получалось так, что быстродействующий процессор тратил много времени на ожидание при работе с значительно более медленными внешними устройствами. Поэтому появились специальные электронные схемы, которые руководят обменом данными между процессором и внешними устройствами. В третьем поколении такие устройства назывались каналами ввода/ вывода, а в четвёртом — контроллерами1 (на рис. 5.10 они обозначены буквой К).
Контроллер — это электронная схема для управления внешним устройством и простейшей предварительной обработки данных.
1 Это название происходит от английского слова control — управление; не следует путать с русским словом «контролёр».
Современный контроллер — это специальный микропроцессор, предназначенный для обслуживания одного или нескольких однотипных устройства ввода/вывода (УВВ) или внешней памяти. Нагрузка на центральный процессор при этом существенно снижается, и это увеличивает эффективность работы всей системы в целом. Контроллер, собранный в виде отдельной микросхемы, называют микроконтроллером.
В качестве примера рассмотрим контроллер современного жёсткого диска. Его основная задача — по принятым от процессора координатам найти на диске требуемые данные, прочитать их и передать в ОЗУ. Но контроллер способен выполнять и другие, порой весьма нетривиальные функции. Так, он сохраняет в служебной области диска информацию обо всех имеющихся на магнитной поверхности некачественно изготовленных секторах (а их при современной высокой плотности записи избежать не удаётся!) и способен «на ходу» подменять их резервными, что создаёт видимость диска, который полностью свободен от дефектов.
Как видно из приведённой на рис. 5.10 схемы, теперь данные могут передаваться между внешними устройствами и ОЗУ напрямую, минуя процессор. Кроме того, наличие шины существенно упрощает подсоединение к ней новых устройств. Архитектуру, которую можно легко расширять за счёт подключения к шине новых устройств, часто называют магистрально-модульной архитектурой.
Если спецификация на шину (детальное описание всех её логических и физических параметров) является открытой (опубликована), то производители могут разрабатывать к такой шине любые дополнительные устройства. Такой подход называют принципом открытой архитектуры. При этом в компьютере предусмотрены стандартные разъёмы для подключения новых устройств, удовлетворяющих стандарту. Поэтому пользователь может собрать такой компьютер, который ему нужен. Необходимо только помнить, что при подключении любого нового устройства нужно установить специальную программу — драйвер, которая управляет обменом данными между этим устройством и процессором.
В современных компьютерах для повышения эффективности работы используется несколько шин, например одна — между процессором и памятью, другая связывает процессор с видеосистемой и т. д.
Следующая страница 
Обмен данными с внешними устройствами
Cкачать материалы урока
