Принцип работы вычислительного устройства

Передача данных в вычислительных устройствах осуществляется с использованием ША, ШД и ШУ набором сигналов управления (ШУ).

Шина – объединение n–го числа сигнальных линий. Например, шина данных (ШД) -32-разрядная, шина адреса (ША) – 64-разрядная.

Шина данных (ШД) – представляет собой набор n линий (разрядов), по которым передаются данные между процессором, регистром устройства ввода/вывода или УВВ.

Каждый разряд имеет собственный вес, определяемый как

, где n = 0…N-1. Например, N = 8; 16; 32; 64.

Шина адреса (ША) – набор из m линий (разрядов), 2-ичная комбинация которых определяет уникальный адрес устройства ввода/вывода или ячейки памяти, с которой производится обмен данными. Обмен данными производится только с одним регистром устройства ввода/вывода или ячейкой памяти. Все остальные устройства/ячейки памяти находятся в нейтральном состоянии, или «z-состоянии», при котором его вход/выход отключён от шины. Такая организация исключает конкуренцию сигналов.

Для работы вычислительного устройства необходим тактовый генератор (ТГ), формирующий непрерывную последовательность импульсов, по фронтам которых процессор производит все действия. Один период импульса соответствует одному такту генератора.

- АЛУ – арифметико-логическое устройство

- Г – генератор

- П – процессор

- У_ВВ – устройство ввода

- У_В – устройство вывода

Процессы, производимые ВУ:

1) Процессы внутри арифметическо-логического устройства АЛУ (процессора):

- арифметические,

- логические.

Такие операции осуществляются между n регистрами (разрядами) процессора.

2) Операции обмена данными между процессором и периферией, т.е. с внешними по отношению к процессору устройствами:

- чтение данных;

- запись данных.

Для выполнения вышеперечисленных процессов необходим тактовый генератор (ТГ), который формирует непрерывную последовательность импульсов, по фронтам которых процессор производит все действия.

Характеристики импульсов:

- период импульсов T;

- частота импульсов ;

- длительность импульса τ;

- скважность  - равна отношению периода к длительности импульсов и показывает, насколько длительность импульса отличается от периода Т).

Форма сигнала со скважностью S = 2 называется «миандр».

Миандр – это импульсная последовательность, в которой длительность импульса равна половине периода.

В ВУ используются импульсные последовательности в форме миандр.

1 – передний фронт (увеличение напряжения U)

2 – задний фронт (уменьшение напряжения U)

ТГ обеспечивает последовательность импульсов. Его частоту обеспечивает кварц. Чем выше частота, тем больше операций, следовательно, увеличивается ток. Это приводит к увеличению энергозатрат.

Для работы ВУ необходима стабильная тактовая частота. Эта стабильность обеспечивается кварцевыми резонаторами в ТГ.

Кварцевый ТГ – ТГ, использующий кварцевый резонатор для обеспечения стабильности.

Разновидностью ТГ является ТГ с R-C элементами. Его основное достоинство – частота, недостатки – невысокая стабильность и точность генерируемой частоты.

Современные вычислительные системы ПК работают на частоте примерно 2,4 ГГц, но отсутствуют кварцевые резонаторы, обеспечивающие такие частоты. В ПК и в ряде других высокопроизводительных ВУ для увеличения их производительности применяют процедуру умножения частоты, суть которой сводится к тому, что по фронтам импульсов генерируются дополнительные импульсы.

[Генерация своего импульса]

Умноженная частота присутствует только внутри микропроцессора и используется для КЭШ-памяти процессора.

Для обмена данными с периферией используется частота шины. Ограничения частоты работы шин связано с волновыми процессами при передаче сверхвысоких частот (СВЧ). Это приводит к снижению производительности системы.

Для компенсации снижения производительности применяют КЭШ-память –

– буферная память, имеющая способность работать на частоте процессора; в нее заносится область памяти, в которой работает программа.

Для обмена данными между КЭШ и оперативной памятью используется DMA-контроллер – контроллер прямого доступа к памяти (ПДП), передающий данные более эффективно, чем микропроцессор.