59.1 Синтез комбинационных логических схем в различных базисах.

Синтез комбинационных логических схем (КЛЦ).

КЛЦ – цепь, логическое состояние выходов которой зависит только от комбинации логических сигналов на ее входах в данный момент времени.

1. Составить таблицу функционирования или таблицу истинности. Если функция задана аналитически, то аргументам задают значения «0» и «1», а по формуле находят значение функции.

2. Заполняют Карту Карно и производят минимизацию.

3. На заданном элементном базисе составляют элементарную схему, соответствующую минимизированному выражению. Для удобства составления схемы используют правило Де-Моргана. Для базиса И – НЕ приводят к логическому умножению. Для базиса ИЛИ – НЕ – к логическому сложению.

Пример: Задана функция F. Используя базисные элементы И–НЕ синтезировать комбинационную логическую схему.

1. Составляем таблицу истинности.

a	b	c
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	1
1	0	1	0
1	1	0	1
1	1	1	1

2. Используя Законы Де-Моргана и основные логические операции, преобразуем исходную функцию:

Заполним Карту Карно:

Производим минимизацию:

Таким образом получаем функцию:

3. Приведем функцию к логическому умножению:

Составляем элементную схему:

59.2 Интерфейс программного обмена данными. Структура системной шины.

ВНУТРИМАШИННЫЙ ИНТЕРФЕЙС

Периферийные устройства различных типов имеют разные характеристики, что определяется принципом действия, скоростью обмена, природой устройств и т. д. Каждое из них может работать только под действием определенных электрических сигналов. Вследствие этого подключение периферийных устройств непосредственно к шинам данных, связывающих микропроцессор и память, практически невозможно. Для этого используется специальная аппаратура сопряжения, а также специальные программы для согласования скоростей обмена информацией, обработки прерываний, распознавания типов информации (управляющая или передаваемая) и т. д. Аппаратура сопряжения – это специальные электронные схемы. Вместе с программами она составляет интерфейс ЭВМ.

ВНУТРИМАШИННЫЙ СИСТЕМНЫЙ ИНТЕРФЕЙС

Внутримашинный системный интерфейс – система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой – представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Существуют два варианта организации внутримашинного интерфейса:

1) Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами; многосвязный интерфейс применяется, как правило, только в простейших бытовых ПК.

2) Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину.

В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:

• шины расширений – шины общего назначения, позволяющие подключать большое число самых разнообразных устройств;

• локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.

ОРГАНИЗАЦИЯ ИНТЕРФЕЙСА

Управление работой всех устройств осуществляется следующими сигналами, передаваемыми от микропроцессора к периферийным устройствам: ЗАПИСЬ, ЧТЕНИЕ, ВВОД, ВЫВОД, ОЖИДАНИЕ, ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ПРЕРЫВАНИЯ, ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ЗАПРОСА НА ПРЯМОЙ ДОСТУП К ПАМЯТИ.

Сигналы, передаваемые от периферийных устройств “микропроцессору, следующие: ГОТОВНОСТЬ, ЗАПРОС ПРЕРЫВАНИЯ, ЗАПРОС НА ПРЯМОЙ ДОСТУП К ПАМЯТИ.

Названия сигналов определяют их назначение, поэтому нет необходимости в их описании.

Устройства сопряжения ЭВМ – контроллеры дисплея, флоппи–дисков и др. – интерфейсные устройства, обеспечивающие сопряжение периферийных устройств с микропроцессором и памятью, т. е. в соответствии с вышеприведенным определением – интерфейс. Отдельные электронные схемы, составляющие интерфейс, называются интерфейсными модулями.

Большинство типов ЭВМ имеет организацию интерфейса на основе двух шин или одной общей шины, по которым передаются данные, адреса, управляющие сигналы.

При организации интерфейса с общей шиной все устройства ЭВМ объединяются с помощью одной группы шин для передачи данных, адресов, управляющих сигналов. Обращение к периферийным устройствам осуществляется теми же командами, которые используются при обмене данными с памятью. В данной организации интерфейса обмен данными между устройствами происходит по единым правилам, кроме того, не требуется отдельных специальных управляющих сигналов для памяти и периферийных устройств, а также нет необходимости иметь, отдельные команды ввода – вывода. В связи с тем, что команды обмена данными имеют адреса памяти, при их использовании для обмена данными с периферийными устройствами часть памяти зарезервирована для адресации этих устройств. Несмотря на такой недостаток, как сокращение памяти, важным преимуществом одношинной организации интерфейса является возможность обмена информацией напрямую между устройствами в соответствии с управляющими сигналами микропроцессора.

При двухшинной организации интерфейса. Обращение микропроцессора к памяти и периферийным устройствам производится разными командами.

Для обращения к периферийным устройствам применяются специальные команды, не использующие для адресации память. Передача данных между устройствами ЭВМ производится только через аккумулятор микропроцессора. Поэтому, если требуется переслать информацию из одного периферийного устройства в другое устройство или в память, она в любом случае проходит не напрямую, а через микропроцессор.

Аппаратные средства интерфейса. Для организации интерфейса используются различные модули, изготавливаемые в виде интегральных схем.

Наиболее широко используются в периферийных устройствах такие модули, как буферные регистры, к которым подсоединяется шина данных.

Основные функции буферного регистра: запись, хранение и считывание информации, формирование сигнала прерывания.

Модуль прерываний обеспечивает проверку приоритетов запросов от различных устройств на их обслуживание. В случае возникновения запроса на прерывание с приоритетом выше имеющегося формируется сигнал прерывания данной работы и затем передается микропроцессору на исполнение.

Обмен данными между устройствами может осуществляться в последовательном либо параллельном коде или формате. В последовательном формате каждый символ передается автономно, т. е. имеет определенный идентифицирующий начальный и конечный признак.

При подаче на вход микропроцессора слева для обработки специальный интерфейсный модуль должен предварительно образовать это слово из принятых символов. Тот же интерфейсный модуль при выдаче из микропроцессора данных обязан выполнить обратные преобразования. В этом случае интерфейс называют последовательным. При параллельном интерфейсе специальными интерфейсными модулями обеспечивается передача данных в виде слов от нескольких периферийных устройств.

В ряде случаев, чаще всего в управляющих вычислительных комплексах, где ЭВМ связаны с управляемыми объектами, требуется выдача из ЭВМ управляющих сигналов в определенные промежутки времени. Это обеспечивается с помощью специального интерфейсного модуля – интервального таймера, который может формировать временные задержки и т. д.

Вышеперечисленные средства интерфейса типичны для ЭВМ, однако перечень аппаратных средств гораздо шире.

Шинырасширений

ШинаMultibus 1 имеетдвемодификации: PC/XTbus (personalComputereXtendedTechnology) – ПКсрасширеннойтехлогией )иPC/ATbus (PCAdvachnology – ПКсусовершенствованнойтехнологией ).

Шина PC/XT bus – 8-раазрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, рассчитанная на тактовую частоту 4,77 МГц; имеет 3 линии для адаптерных прерываний и 3 канала для прямого доступа в память ( каналы DMA – Direkt Memory Access). Шина адреса ограничивала адресное пространство микропроцессора величиной 1 Мбайт. Используется с МП 8086,8088.

Шина PC/At bus – 16 разрядная шина данных и 24–разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота до 8 МГц , но может использоваться и МП с тактовой частотой 16 МГц, так как контроллер шины может делить частоту пополам; имеет 7 линий для адаптерных прерываний и 4 канала DMA . Используется с МП 80286.

Шина ISA(Industry Standard Architecture – архитектура промышленного стандарта) – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, рабочая тактовая частота 16 МГц, но может использоваться и МП с тактовой частотой 50 МГц (коэффициент деления увеличен ); по сравнению с шинами PC/XT и PC /AT увеличено количество линий аппаратных прерываний с 7 до 15 и каналов прямого доступа к памяти DMA с 7 до 11. Благодаря 24-разрядной шине адреса адресное пространство увеличилось с 1 до 16 Мбайт. Теоретическая пропускная способность шины данных равна 16 Мбайт /с, но реально она ниже, около 3–5 Мбайт/с, ввиду ряда особенностей ее использования. С появлением 32–разрядных высокоскоростных МП шина ISA стала существенным препятствием увеличения быстродействия ПК.

Шина EISA (Extended ISA) – 32–разрядная шина данных и 32–разрядная шина адреса, создана в 1989 г. Адресное пространство шины 4 Гбайта, пропускная способность 33 Мбайт /с, причем скорость обмена по каналу МП–КЭШ–ОП определяется параметрами микросхем памяти, увеличено число разъемов расширений, ( теоретически может подключаться до 15 устройств, практически до – 10). Улучшена система прерываний, шина EISA обеспечивает автоматическое конфигурирование системы и управление DMA; полностью совместима с шина ISA( есть разъемы для подключения ISA), шина поддерживает многопроцессорную архитектуру вычислительных систем. Шина EISA весьма дорогая и применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях.

Шина MCA (Micro Channel Architecture) – 32-разрядная шина, созданная фирмой IBM в 1987 г. для машин PC /2 , пропускная способность 76 Мбайт/с, рабочая частота 10–20 Мгц. По своим прочим характеристикам близка к шине EISA, но не совместима ни с ISA, ни с EISA. Поскольку ЭВМ PS/2 не получили широкого распространения, в первую очередь ввиду отсутствия наработанного обилия прикладных программ, шина MCA также используется не очень широко.

Локальные шины

Современные вычислительные системы характеризуются:

1) стремительным ростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт /с по 64–разрядной шине данных) и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);

2) появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики в Windows , работа в среде Multimedia).

3) В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, ибо компьютеры стали подолгу "задумываться ".

Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП, (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП, устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и др.

Сейчас существуют два основных стандарта универсальных локальных шин: VLB и PCI.

Шина VLB (VЕSA Local Bus – локальная шина VESA) – разработана в 1992 г. Ассоциацией стандартов видеооборудования (VESA – Video Electronics Standards Association) , поэтому часто ее называют шиной VESA.

Шина VLB, по существу, является расширением внутренней шины МП для связи с видеоадаптером и реже с винчестером, на подходе 64-разрядный вариант шины. Реальная скорость передачи данных по VLB – 80 Мбайт /с (теоретически достижимая – 132 Мбайт /с).

Недостатки шины:

1) рассчитана на работу МП 80386, 80486, не адаптирована для процессоров Pentium, Pentium Pro, Power PC;

2) жесткая зависимость от тактовой частоты МП (каждая шина VLB рассчитана только на конкретную частоту);

3) малое количество подключаемых устройств – к шине VLB могут подключаться только четыре устройства;

4) отсутствует арбитраж шины – могут быть конфликты между подключаемыми устройствами.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect – соединение внешних устройств)– разработана в 1993 г. фирмой Intel.

Шина PCI является на много более универсальной, чем VLB. Имеет свой адаптер, позволяющий ей настраиваться на работу с любым МП: 80486, Pentium, Pentium Pro, Power PC и др.; она позволяет подключать 10 устройств самой разной конфигурации с возможностью автоконфигурирования, имеет свой "арбитраж", средства управления передачей данных.

Разрядность PCI – 32 бита с возможностью расширения до 64 бит, теоретическая пропускная способность 132 Мбайта/с (реальная вдвое ниже).

Шина PCI хотя и является локальной, выполняет и многие функции шины расширения, в частности, шины расширения ISA, EISA, MCA (а она совместима сними) при наличии шины PCI подключаются не посредственно к МП (как это имеет место при использовании шины VLB ), а к самой шине PCI (через интерфейс расширения).

Следует иметь ввиду, что использование в ПК шин VLB и PCI возможно только при наличии соответствующей VLB– или PCI–материнской платы.

Шина AGP (AcceleratedGraphicsPort) – предназначена для видеоадаптеров с высокой пропускной способностью или так называемых 3D-ускорителей. Разработана в 1994 году. Это высокоскоростная локальная шина ввода/вывода, предназначенная исключительно для нужд видеосистемы. Она связывает видеоадаптер с системной памятью ПК. Шина AGP разработана на основе арх-ры шины PCI, поэтому она также является 32-разрядной. Вместе с тем, у нее имеется ряд важных отличий, позволяющих увеличить пропускную способность:

1) использование более высоких тактовых частот;

2) частичное демультиплексирование;

3) пакетная передача данных;

4) режим прямого исполнения в системной памяти;

5) порт AGP на мат. плате только один, поэтому нет характерной для PCI проблемы арбитража (когда несколько устройств одновр-но требуют доступ к шине).

В 2004 году появился новый стандарт универсальной шины – PCI-Express, призванный заменить шину PCI, исправно работающую в компьютерной технике уже более десяти лет. Шина Peripheral Components Interconnect (PCI) всвоевремяпришланасмену «первомупоколению» — шине Industrial Standard Architecture (ISA). Однако, на сей раз изменения при переходе на новый стандарт куда большие, чем при переходе от ISA к PCI – они в PCI Express носят не столько количественный, сколько качественный характер и в целом их можно охарактеризовать как «переход от параллельных шин к последовательным», что является сейчас общеиндустриальной тенденцией развития шин передачи данных.

Помимо PCI в современной компьютерной системе осталось, по большому счету, лишь две параллельных шины — процессорная и шина памяти. С переводом в первой «последовательный вариант» впереди идет AMD с ее удачным HyperTransport (строго говоря — более быстрая параллельная процессорная шина спрятана в сам кристалл процессора, а наружу выходит последовательная шина HyperTransport для связи процессора с «внешним миром»). Вторую же пробовала перевести на новые рельсы компания Rambus. Конечно, надо понимать, что в обоих случаях шины не «чисто последовательные» однобитной ширины, а более широкие – от 8 до 16 и даже 32 бит, что, впрочем, не сильно меняет дело — шина возможна и однобитная, просто скорость будет при этом недостаточно высока. Главное – данные передаются в виде пакетов и логический уровень передачи данных четко отделен от физического уровня.

С параллельными шинами передачи данных микропроцессорам проще работать, они обеспечивают лучшую производительность при меньшей частоте, но, к сожалению, их тяжело масштабировать на высокие частоты — при этом очень сильно повышаются требования к физической разводке шины, заметно возрастает латентность (чтобы согласовать по времени «одновременные» сигналы во всех проводах шины), да и работать с ними неудобно, поскольку они занимают много места – сравните, например, шлейфы IDE (UltraATA) и SerialATA. Поскольку себестоимость производства чипа сегодня все равно выходит примерно одинаковой (если не считать экономию на «ножках микросхемы»), то порой дешевле делать более сложный кристалл контроллера шины, чем плодить золотые контакты и многочисленные проводники на печатной плате. Поэтому стремление разработчиков перейти на параллельные шины довольно естественно даже хотя бы сточки зрения экономии средств (экономия контактов и места на разводку собственно шины) С другой – последовательную шину гораздо проще заставить работать на повышенных тактовых частотах, поэтому удается не только скомпенсировать падение, но даже значительно поднять производительность. Более того, отличная масштабируемость последовательных шин вроде PCI Express и HyperTransport относительно легко достигается путем, как повышения частоты работы, так и добавлением нескольких последовательных линий к шине.

Шина PCI Express помимо низкой латентности обладает очень высокой скоростью передачи данных в расчете на один сигнальный контакт — около 100 Мбайт/с. Для сравнения: у обычной шины PCI этот показатель — всего лишь 1,58 Мбайт/с на контакт (32 бит х 33 МГц / 84 сигнальных контакта), у 133-мегагерцовой PCI-X 1.0 — 11,4 Мбайт/с на контакт (64х133/93), у AGP 8X — 19,75 Мбайт/сна контакт (32х533/108), а у Intel Hub Link 2 — 26,6 Мбайт/с на контакт (2x16 бит на 8х66 МГц/40 контактов). Это позволяет, во-первых, экономить за счет контактов (на корпусах микросхем и позолоченных разъемах), а во-вторых — за счет более компактной разводки шин.

Электрические улучшения (пониженное затухание в линиях передачи и повышенная чувствительность приемников данных), позволяют снизить требования к импедансу входных цепей и увеличить длину проводников шины на платах: сейчас она ограничивается 30,5 см для системных плат (от чипа до разъема), 9 см для плат контроллеров (и видеокарт) и 38 см для соединений между чипами на одной плате. Причем разводка может быть как четырех-, так и шестислойной — без каких-то особо критичных требований

Технология PCI Express является открытым стандартом и разработана с расчетом на разнообразные применения — от полной замены шин PCI и PCI-X внутри настольных и серверных компьютеров, до использования в мобильных, встроенных и коммуникационных устройствах. Номинальной рабочей частотой шины PCI Express является 2,5 ГГц. При этом теоретическая пиковая производительность шины (на один канал передачи данных) примерно вдвое больше, нежели производительность «обычной» 33-мегагерцовой PCI — 250 против 133 Мбайт/с (или 200 против 100 Мбайт/сдля реальной эффективной полосы пропускания данных). То есть для перехода на последовательную шину с сопоставимой производительностью понадобилось 75-кратное (!) увеличение тактовой частоты — до значений, о которых два-три года назад можно было только мечтать. Неудивительно, что PCI Express появилась только сегодня — раньше для нее просто не было достаточных технических предпосылок.

Итак, что же нам предлагается? Разработчики PCI Express не стали мудрствовать лукаво и взяли за основу новой шины наработки в области сетевого оборудования. Получилось что-то очень напоминающее Gigabit Ethernet – и на физическом уровне, и на уровне протоколов передачи данных. Первое и самое главное отличие новой шины: PCI Express является последовательной, а следовательно, четко разнесены уровни представления данных и уровень их передачи. Если в параллельной шине, например, PCI, передаваемые данные непосредственно появляются на шине (вместе с какой-то дополнительной информацией — CRC, адресом получателя и подобной вспомогательной информацией), что и обуславливает простоту их посылки и получения, то в последовательной шине сказать что-либо о «физическом носителе» заранее невозможно. Информация, которую необходимо передать, просто упаковывается в пакеты, куда заносится и информация о получателе и коды обнаружения и исправления ошибок — и получившийся сплошной поток данных (где идут вперемешку данные, приложения и вспомогательная информация) уже передается — абсолютно неважно каким способом — через физическую среду.

Приемник в свою очередь распаковывает прибывшие данные, исправляет ошибки или запрашивает повторную передачу, определяет получателя и перенаправляет пакет далее. Собственно «последовательность» шины вовсе не означает, что данные в ней передаются побитно (хотя в случае с PCI Express это действительно так) — последовательность понимается в смысле того, что данные и служебная информация передаются последовательно, по одним и тем же каналам данных (в отличие от параллельной передачи той же информации). Стандарт PCI Express предусматривает следующую схему организации данных (см. рис.). Не вдаваясь глубоко в технические подробности — PCI Express использует традиционную многоуровневую модель, аналогичную сетевой ISO/SOI.

В «десктопных» системах шина PCI-Express 16x в первую очередь вытеснит AGP 8x в качестве «графической шины», соединяющей видеокарту и северный мост чипсета. Во вторую очередь на PCI-Express пересадят многие интегрированные устройства — гигабитный сетевой контроллер, RAID-контроллер и прочие. К обычным PCI-слотам добавят пару PCI-Express x1. В качестве межчипсетной шины (соединяющей мосты чипсета) PCI Express будет выступать вместе со старыми шинами (Intel HubLink, VIA VLink, SiS MuTIOL) – производители чипсетов пока не желают отказываться от своих проприетарных шин.