6. Аппаратное Обеспечение эвм
Принципы, сформулированные Нейманом, можно реализовать технически различными способами. Традиционно принято различать две принципиально разные архитектуры: с шинной и канальной организацией.
6.1. Шинная организация
Шинная организация является самой простой формой организации ЭВМ. Особенность такой структуры заключается в наличии системы шин, благодаря которой функциональные блоки объединяются в ЭВМ. Структурная схема ЭВМ с шинной организацией представлена на рис. 6.1. В состав компьютера входят центральный процессор, оперативное и постоянное запоминающие устройства, видео система, внутренние устройства и контроллер ввода вывода. Процессор состоит из двух обязательных компонентов: устройство управления (УУ), отвечающее за команды, и арифметико-логическое устройство (АЛУ), отвечающее за переработку данных. В нем выполняются арифметические и логические операции.
Различают следующие виды шин: шина данных – по ней осуществляется обмен информацией между блоками ЭВМ; шина адреса – используется для передачи адресов (номеров ячеек памяти или портов ввода-вывода, к которым производится обращение), и шина управления – для передачи управляющих сигналов. Совокупность этих шин называют системной шиной или системной магистралью. Состав и назначение шины, правило их использования, виды передаваемых сигналов и др. могут существенно различаться у разных видов шин. Однако существуют и некоторые общие закономерности в их организации.
Шина состоит из отдельных линий, по которым могут передаваться логические сигналы («0» или «1»). количество линий (проводников), входящих в состав шины называют шириной шины.
Другим общим свойством является процесс обмена данными между устройствами. В любой момент на шине можно выделить два устройства: задатчик и исполнитель. Первое инициирует операцию обмена данными (как правило, эту роль выполняет процессор), второе выполняет операции дешифрования адреса и управляющих сигналов и принимает или передаёт информацию.
К достоинствам шинной структуры можно отнести простоту и дешевизну построенных на её базе вычислительных систем. Недостатком является невозможность обработки информации несколькими устройствами одновременно – при процедуре обмена информацией шина полностью занимается на весь период времени, который необходим для выполнения требуемых операций. Это снижает общую производительность таких систем и делает её в большой степени зависимой от быстродействия системной магистрали.
Процесс работы ЭВМ с шинной организацией удобно рассмотреть на примере общения группы из трёх человек. В беседе в любой момент времени задействовано двое: один говорит, другой слушает (третий отдыхает). Потом они могут меняться ролями.
Рис. 6.1. Структура ЭВМ с шинной организацией
Рассказать про частоту и разрядность системной шины в матплатах, шины данных в видеоадаптерах, частоту работы отдельных компонентов и быстродействие ЭВМ.
6.2. Канальная организация
В основе этого типа организации ЭВМ лежит множественность каналов связи между устройствами и функциональная специализация узлов. Структурная схема ЭВМ с канальной организацией приведена на рис. 6.2. Помимо обычного набора устройств в состав компьютера входят устройства, называемые каналами. Канал – это специализированный процессор, осуществляющий всю работу по управлению контроллерами внешних устройств и обмену данными между основной памятью и внешними устройствами.
Все устройства разделяются по скорости работы на медленные и быстрые. Быстрые устройства подсоединяются к селекторным каналам, а медленные – к мультиплексным. Устройство, подключенное через селекторный канал получает монопольный доступ к каналу на всё время выполнения операции обмена данными. Мультиплексный канал разделяется между несколькими устройствами, при этом возможен обмен данными с несколькими устройствами одновременно. Для управления очередностью доступа используют контроллер оперативной памяти. При такой системе организации процессор практически полностью освобождается от работы по обеспечению ввода-вывода. Управление контроллерами внешних устройств (ВУ) берет на себя канал. Наличие нескольких путей передачи данных повышает скорость обмена, что ведет к возрастанию общей производительности системы.
В современных архитектурах ЭВМ примером канала является контроллер прямого доступа к памяти (DMA-direct memory access). Благодаря ему процессор разгружается от организации передачи данных между двумя устройствами. В эффективности работы DMA можно убедиться, сравнив скорость передачи данных между жесткими дисками в режимах UDMA и PIO (programs input-output). Скорость передачи данных с включенным контроллером прямого доступа в 10-20 раз выше, чем при программной передаче данных посредством процессора.
Рис. 6.2. Структура ЭВМ с канальной организацией
Примером машин с канальной организацией является семейство IBM-360/370.