Основные устройства ввода/вывода Клавиатура
Клавиатура является одним из базовых устройств ввода, обеспечивающих общение пользователя с ЭВМ. Она содержит контроллер клавиатуры, который воспринимает каждое нажатие на клавишу и выдает последовательный скан-код. Скан-код представляет собой идентификационный номер, присвоенный каждой клавише.
При поступлении скан-кода в порт вывода вызывается прерывание клавиатуры. Процессор прекращает обработку текущей операции и выполняет процедуру, анализирующую скан-код. Так как нажатия клавиш могут происходить достаточно часто, то для того, чтобы центральный процессор успевал обрабатывать все нажатия клавиш, контроллер клавиатуры должен иметь буфер FIFO.
Рисунок 7 – Клавиатура
Монитор
Монитор служит для отображения алфавитно-цифровой и графической информации. Монитор, как и всякое другое периферийное устройство, подключается через контроллер (видеоадаптер) к системной шине. Монитор является пассивным отображающим устройством, не посылающим запросы на прерывание.
Рисунок 8 – Монитор
Жесткий диск
Жесткий диск является одним из основных видов энергонезависимой памяти. Он используется для сохранения различных данных, которые генерируются исполняемыми программами. Жесткий диск подключается через контроллер ПДП, что позволяет производить запись на жесткий диск и чтение с него.
Разработка функциональной схемы кэш памяти команд и данных
КЭШ-память (CashMemory) – сверхоперативная память (СОЗУ). КЭШ-память не является самостоятельным хранилищем информации. КЭШ команд и данных предназначен для хранения наиболее часто используемых команд и данных. Использование КЭШ памяти увеличивает эффективность работы процессора, так как позволяет снизить среднее время чтения данных и команд из памяти.
КЭШ память может быть смешанной, то есть хранить и команды и данные, как в нашем варианте, либо раздельной, когда для хранения команд и данных используются разные схемы. Смешанная КЭШ память обладает преимуществом перед раздельной памятью по вероятности попаданий, так как в ней оптимальный баланс между командами и данными устанавливается автоматически. Например, если в выполняемом фрагменте программы обращения к памяти связаны в основном с выборкой команд, а доля обращений к данным относительно мала, КЭШ-память имеет тенденцию насыщаться командами, и наоборот. Однако у раздельной организации тоже есть свои преимущества, например при раздельной организации можно одновременно выбирать данные и команды, что не возможно при смешанной организации.
В общем виде использование кэш-память можно описать следующим образом. Когда ЦП пытается прочитать слово из основной памяти, то сначала осуществляется поиск копии этого слова в КЭШ памяти. Если такая копия существует, то обращение к ОП не производится (прерывается), а в ЦП передается слово, извлеченное из КЭШ памяти. Такую ситуацию называют успешным попаданием. При отсутствии слова в КЭШ памяти, то есть при промахе, - требуемое слово передается в ЦП из основной памяти и одновременно из ОП в КЭШ память пересылается блок данных, содержащий это слово.
КЭШ не может хранить копию всей ОП, т.к. его объем во много раз меньше объема ОП. Поэтому при взаимодействии с КЭШ ОП рассматривается как некоторое количество блоков фиксированной длины по Х слов в каждом. КЭШ память тоже состоит из некоторого количество блоков (строк КЭШ памяти) аналогичного размера, но их число значительно меньше числа блоков в ОП. При считывании слова из какого-либо блока ОП этот блок копируется в одну из строк КЭШ памяти. Так как число блоков ОП намного больше числа строк КЭШ, отдельная строка не может быть выделена постоянно одному и тому же блоку ОП. В одну строку КЭШ памяти могу отображаться множество блоков памяти. Чтобы однозначно определять какой блок хранится в КЭШ памяти, каждой строке КЭШ памяти соответствует некоторый признак, именуемый тегом. В качестве тега используется часть адреса ОП.
Существуют различные реализации КЭШ памяти, от прямого отображения и до полностью ассоциативного отображения.
В данной работе мы будем рассматривать промежуточный вариант, частично ассоциативный КЭШ. В основном современны микросхемы КЭШ памяти создаются к 4- и 8-направленные блоки. Для удобства разработки выберем 4-направленный вариант.
В нашем случае выберем емкость КЭШ-памяти 2Кслова. Тогда каждое направление КЭШ памяти должно отвечать за 512 слов. В одной строке КЭШ памяти будем хранить по 4 слова (так как ОП состоит из четырех блоков). Таким образом, получаем 128 строк в блоке. Так как емкость ОП 221слов, то для ее адресации нужно 21 разряд адреса. Для выбора слова в строке достаточно 2 младших битов адреса (AB[1..0]), для выбора строки требуется – 7 бит (AB[8..2]). Остальные разряды адреса отведем под тег (AB[20..9]).