Структура памяти. Структура магистрали

IBM PC – AT

Как мы уже говорили память предназначена для хранения программ и данных. В микро-ЭВМ используются несколько видов памяти, которые подразделяются на внутреннюю и внешнюю. Наиболее важную, для понимания работы микро-ЭВМ, роль играет внутренняя оперативная память, организацию которой мы и рассмотрим. Оперативная память представляет собой электронное устройство, включающее в себя большое количество запоминающих элементов для записи бит информации, а также схемы управления ими. Элементы группируются в байты и слова. У каждого слова и каждого байта есть адрес – номер, по которому к ним обращается центральный процессор. Все байты оперативной памяти нумеруются, начиная с нуля. Слова нумеруются четными числами, причем четные байты считаются младшими в слове и занимают разряды 0÷7 слова, нечетные байты слова занимают старшие разряды 8÷15.

В микро-ЭВМ предусмотрена возможность обращения, как к словам, так и к байтам.

Разрядность адреса памяти определяет максимальную область памяти или адресное пространство памяти, доступное для процессора. Так, 16 – разрядный адрес позволяет обращаться к 64Кбайтам (1Кб=2¹⁰=1024 байт, 1Мб=2²⁰=1024Кб) или к 32Ксловам, 32 разрядный к 4Гбайтам (2³²) или к 1Гслову (для 32 разрядных слов).

Структура стандартной памяти ОЗУ размером в 1Мб IBM PC совместимого компьютера класса PC-AT286 представлена на рис. 2.1.

Ряд адресов памяти закреплен для специальных целей. Адреса памяти с 00000 по 00400H (H - обозначение шестнадцатеричной системы счисления) зарезервированы под векторы прерываний и использовать их для других целей нельзя. Программы и данные располагаются в ячейках памяти с адресами 00400H÷9FFFFH.

Рисунок 2.1 – Структура стандартной памяти ОЗУ IBM PC-AT286.

В IBM – совместимых ПК, для обеспечения совместимости с предыдущими моделями, адреса задаются совокупностью двух шестнадцатеричных слов, которые называются сегментом и смещением. Сегмент – это участок памяти, имеющий длину 64Кб и начинающийся с физического адреса, кратного 16 (т.е. 0, 16, 32, 48 и т.д.). Смещение указывает сколько байт от начала сегмента необходимо пропустить, чтобы обратиться к нужному адресу. Для адресации в пределах 1Мб необходимо 20 двоичных разрядов, которые получаются из сегмента и смещения следующим образом: содержимое сегмента смещается влево на 4 разряда, освободившиеся правые разряды заполняются нулями, результат складывается с содержимым смещения (рис 2.2). Поэтому абсолютный адрес состоит из двух частей сегмента и смещения разделенных двоеточием 8000:10F0.

Рисунок 2.2 – Образование двадцатиразрядного адреса.

В микро – ЭВМ используется оперативная память различных типов. Память, сохраняющая свое содержимое при выключении питания, называется энергонезависимой, в противном случае она энергозависима. Наиболее распространена энергонезависимая память, выполненная на флеш – микросхемах, а энергозависимая на МОП БИС.

В настоящее время в качестве оперативной памяти микро – ЭВМ чаще всего используются динамические запоминающиеся устройства на МОП – структурах. Динамическим ЗУ присущ существенный недостаток: для сохранения содержимого необходимо периодически считывать и записывать элементы памяти, этот процесс называется регенерацией памяти. Типичный период регенерации составляет 2 мс. В зависимости от конкретного исполнения ЗУ доступ к нему может блокироваться на время регенерации или быть «прозрачным» для центрального процессора. При работе ЭВМ в линию с экспериментом это необходимо учитывать. Тем не менее три достоинства: высокая степень интеграции, малое потребление энергии, малая удельная стоимость бита информации, определяют широкое применение динамических ЗУ в ЭВМ.

Динамические ЗУ позволяют записывать и считывать данные по любому адресу в произвольный момент времени. Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ) допускают только считывание содержимого ячеек памяти по любому адресу. Запись данных в ПЗУ производится с помощью специального оборудования – программатора. Существуют три основных типа ПЗУ, которые различаются по способу записи их содержимого. В ПЗУ первого типа (масочные ПЗУ) данные записываются один раз, при производстве соответствующей БИС. Содержимое ПЗУ второго типа (программируемые ПЗУ или ППЗУ) при наличии специального оборудования может задавать пользователь. Обычно ППЗУ реализуются с помощью диодных матриц, расположенных в корпусе БИС. Используя внешние контакты, выбранные диоды можно выжечь, записав тем самым в ячейки необходимую информацию. После программирования содержимое таких ПЗУ изменить нельзя. ПЗУ третьего типа при наличии соответствующего оборудования пользователь может программировать и репрограммировать много раз (РПЗУ).

ПЗУ первого типа обычно используются в управляющей памяти Ц.П. ППЗУ и РПЗУ могут использоваться для записи программ обслуживания технологических процессов или обработки его результатов при условии, что программы неизменны.

Центральный процессор (ЦП), память и устройства ввода-вывода (УВВ) связаны между собой магистралью, представляющей набор проводников, по которым передается различная информация. В некоторых микро-ЭВМ используются две магистрали, одна – для связи центрального процессора с памятью, а другая - для связи с УВВ.

Линии магистрали подразделяются на три группы: линии данных, адреса и управления. В некоторых микро – ЭВМ линии адреса и данных физически совмещены и попеременно используются для передачи адресов и данных, например магистраль PCI в компьютерах IBM PC. На рис. 2.3 приведена схема магистрали компьютера класса IBM PC-AT, а на рис 2.4 более сложная организация компьютера класса Pentium.

Рисунок 2.3-Схема магистрали компьютера класса IBM PC-AT

Линии данных используются для передачи информации между отдельными частями микро – ЭВМ. При взаимодействии, например ЦП с памятью этой информацией являются команды или данные, которые либо считываются из соответствующих ячеек памяти, либо записываются в них, а при взаимодействии с УВВ – данные, состояние УВВ, приказы или информация о прерывании. Число линий данных в магистрали определяет число передаваемых одновременно бит и обычно совпадает с длинной слова, выраженной в битах. Как правило, линии данных являются двунаправленными, т.е. передача данных по ним возможна в двух направлениях. Направление передачи определяется специальными сигналами, передаваемыми по линиям управления; в конкретный момент времени может производится передача только в одном направлении.

Линии адреса предназначены для передачи комбинаций бит, с помощью которых происходит обращение к ячейке памяти, каждая из которых имеет свой адрес. Число бит, используемых для задания адреса, определяет множество

Рисунок 2.4 – Магистральная организация компьютера класса Pentium.

возможных адресов, которое образует адресное пространство машины. Так, 16 линий адреса позволяют адресоваться к 32 Кслов (64 Кб) памяти, при этом формируемый ЦП 16-разрядный адрес непосредственно поступает на линии адреса магистрали. Увеличение числа адресных линий до 24 позволяет расширить адресное пространство до 16 Мб, 32 линии до 4Гб.

На магистрали применяется синхронный способ передачи адреса и данных, который вводится с помощью сигналов управления. Сигналы управления передаются по линиям управления. Хотя в разных микро-ЭВМ линии управления функционально различаются, информация, передаваемая по ним, представляет собой совокупность определенных сигналов:

· запросы на использование магистрали, которые формируются различными устройствами, подключенными к магистрали;

· разрешение использования магистрали, которое формируется в соответствии с назначенными приоритетами в схемах приоритетов (эти схемы могут находиться в центральном процессоре или реализуются на отдельных БИС);

· сигналы прерываний, фиксирующие внешние события, требующие внимания ЦП и разрешающие их в соответствии с приоритетами;

· сигналы синхронизации для координации передач по линиям адресов и данных;

· сигналы о неисправностях или выключении питания.

Устройства ввода – вывода

Микро-ЭВМ связана с устройствами ввода-вывода, которые подключаются к магистрали. УВВ, называемые также периферийными или внешними устройствами, подразделяются на стандартные и нестандартные. К стандартным принято относить устройства, используемые при взаимодействии оператора с ЭВМ, а также при организации вычислительного процесса: видеотерминалы, накопители на гибких и жестких магнитных дисках, магнитных лентах, принтеры, видеоадаптеры и т.д. К нестандартной периферии мы будем относить УВВ, обеспечивающие связь микро-ЭВМ с технологическим объектом: аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, модули управления шаговыми двигателями, различные счетчики, аппаратура в стандарте КАМАК, КОП и т.д..

В каждом УВВ, подключаемом к магистрали ЭВМ в общем случае можно выделить две части: функциональную и контроллер (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Устройство ввода/вывода.

Функциональная часть реализует принцип работы данного УВВ. Контроллер управляет работой функциональной части по командам ЦП и выполняет некоторую комбинацию следующих функций:

· передача состояния УВВ в ЭВМ;

· обеспечение приема и буферного хранения данных, вводимых и выводимых из ЭВМ в УВВ;

· передача команд от ЭВМ в УВВ;

· сигнализация ЭВМ о завершении операции и об ошибке, возникшей во время операции;

· сигнализация ЭВМ о необходимости обмена и о способе обмена.

Для организации обмена с ЭВМ контроллер содержит один или несколько регистров, предназначенных для хранения информации, принятой с магистрали по линиям данных или которую необходимо выставить на линии данных. Процессор работает с регистрами УВВ так же, как с ячейками памяти. Среди регистров УВВ выделяют следующие:

· регистр управления и состояния CSR (Control and Status Register) содержит информацию об операции, выполняемой УВВ, характеризует состояние УВВ и участвует в операциях по предоставлению прерывания;

· регистр данных DSR (Data Storage Registor) испопьзуется при обмене данными между ЦП и УВВ.

Определенные разряды CSR иногда.называют флагами, говоря, что флаг установлен, если в разряде записана единица, или флаг сброшен, если в разряде записан нуль. В каждой микро-ЭВМ имеется рекомендуемый формат CSR, который используется для разработки интерфейсов.

Операционные системы микро-ЭВМ предусматривают подключение стандартных УВВ, за каждым из которых закреплены стандартные для этой системы адреса, определены форматы CSR и DSR и выполняемые функции. При подключении нестандартных УВВ, что часто возникает в задачах технологического управления, приходится разрабатывать контроллеры и программное обеспечение для их обслуживания.