Вычислительные машины и системы, 2 семестр

ВТОРОЙ СЕМЕСТР ЛЕКЦИЯ N 1 ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ. Запоминающие устройства классифицируют 1. По типу запоминающих элементов полупроводниковые, магнит- ные, конденсаторные, оптоэлектронные, голографические, криоген- ные . 2. По функциональному назначению оперативные ОЗУ , буферные БЗУ , сверхоперативные СОЗУ , внешние ВЗУ , постоянные ПЗУ . 3. По способу организации обращения с последовательным поис- ком, с прямым доступом, адресные, ассоциативные, стековые, мага- зинные . 4. По характеру считывания с разрушением или без разрушения информации . 5. По способу хранения статические или динамические . 6. По способу организации однокоординатные, двухкоординатные, трехкоординатные, двух трехкоординатные . ПАМЯТЬ ЭВМ - совокупность всех запоминающих устройств, вхо- дящих в состав ЭВМ. Обычно в состав ЭВМ входит несколько различ- ных типов ЗУ. Производительность и вычислительные возможности ЭВМ в значи- тельной степени определяются составом и характеристиками ее ЗУ. Основными операциями в памяти в общем случае являются зане- сение информации в память - запись и выборка информации из памя- ти - считывание.

Обе эти операции называются обращением к памяти или, подробнее, обращением при считывании и обращением при запи- си. При обращении к памяти производится считывание или запись некоторой единицы данных - различной для устройств разного типа. Такой единицей может быть бит, байт, машинное слово или блок дан- ных. Важнейшими характеристиками отдельных устройств памяти явля- ются емкость памяти, удельная емкость, быстродействие.

ЕМКОСТЬ ПАМЯТИ определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться. Емкость измеряется в двоичных еди- ницах битах , машинных словах, но большей частью в байтах.

УДЕЛЬНАЯ ЕМКОСТЬ есть отношение емкости ЗУ к его физическому объему.БЫСТРОДЕЙСТВИЕ ПАМЯТИ определяется продолжительностью опера- ций обращения, т.е. временем, затрачиваемым на поиск единицы информации в памяти и на ее считывание, или временем на поиск места в памяти, предназначенного для хранения данной единицы ин- формации, и на ее запись 2 - В некоторых устройствах памяти считывание информации сопро- вождается ее разрушением стиранием . В таком случае цикл обраще- ния должен содержать операцию восстановления регенерации счи- танной информации на прежнем месте в памяти.

Таким образом, продолжительность обращения к памяти при счи- тывании t4обр с0 t4дост с0 t4счит0 t4рег0, где t4дост с0 - промежуток времени между моментом начала операции считывания и моментом, когда становится возможным доступ к данной единице информации t4счит0 - продолжительность самого физического процесса считывания t4рег0 - время, затрачиваемое на регенерацию информации равно нулю для ЗУ, которым регенерация не требуется . Продолжительность обращения при записи t4обр з0 t4дост з0 t4подг0 t4зап0, где t4дост з0 - промежуток времени между моментом начала операции записи и моментом, когда становится возможным доступ к запоминаю- щим элементам t4подг0 - время подготовки, расходуемое на приведе- ние в исходное состояние запоминающих элементов для записи заданной единицы информации t4зап0 - время занесения информации.

В качестве продолжительности цикла обращения к памяти прини- мается величина t4обр0 max t4обр с0,t4обр з0 . Принято разделять все запоминающие устройства на два основ- ных типа оперативные и внешние.

Основным критерием для такого разделения служит скорость доступа к информации.ОЗУ оперативное запоминающее устройство - запоминающее устройство, предназначенное для информации, непосредственно участвующей в процессе выполнения операций, выполняемых процессо- ром. ОЗУ должно обеспечивать поступление новой информации в процессор с той же скоростью, с какой он ее обрабатывает.

ВЗУ внешнее запоминающее устройство - запоминающее устрой- ство, предназначенное для длительного хранения массивов информа- ции и обмена ими с ОЗУ. Обычно строятся на базе магнитных носи- телей информации.Само название этого класса устройств имеет исторический характер и произошло от больших ЭВМ, в которых все ВЗУ, как более медленные и громоздкие, размещались в собственном корпусе, а не в корпусе основного модуля 3 - Внутренняя память ЭВМ организуется как взаимосвязанная сово- купность нескольких типов ЗУ. В ее состав, кроме ОЗУ, могут входить следующие типы ЗУ ПОСТОЯННОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ПЗУ - запоминающее уст- ройство, из которого может производиться только выдача хранящейся в нем информации.

Занесение информации в ПЗУ производится при его изготовлении.

ПОЛУПОСТОЯННОЕ ПРОГРАММИРУЕМОЕ ЗУ ППЗУ - ЗУ, в котором информация может обновляться с помощью специальной аппаратуры пе- ред режимом автоматической работы ЭВМ. Если возможно многократное обновление информации, то иногда такое ППЗУ называют репрограмми- руемым РППЗУ . БУФЕРНОЕ ЗАПОМИНАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО БЗУ - запоминающее уст- ройство, предназначенное для промежуточного хранения информации при обмене данными между устройствами ЭВМ, работающими с различ- ными скоростями.

Конструктивно оно может быть частью любого из функциональных устройств. Местная память cверхоперативное ЗУ, СОЗУ - буферное запо- минающее устройство, включаемое между ОЗУ и процессором или каналами. Различают местную память процессора и местную память каналов.СТЕК магазин - специально организованоое ОЗУ, блок хране- ния которого состоит из регистров, соединенных друг с другом в цепочку, по которой их содержимое при обращении к ЗУ передается сдвигается в прямом или обратном направлении.

Кеш-память - разновидность стека, в котором хранятся копии некоторых команд из ОЗУ. ВИДЕОПАМЯТЬ - область ОЗУ ЭВМ, в которой размещены данные, видимые на экране дисплея.АДРЕСНАЯ, АССОЦИАТИВНАЯ И СТЕКОВАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПАМЯТИ Запоминающее устройство, как правило, содержит множество одинаковых запоминающих элементов, образующих запоминающий мас- сив. Массив разделен на отдельные ячейки каждая из них предназ- начена для хранения двоичного кода, число разрядов в котором определяется шириной выборки памяти байт, машинное слово или несколько слов . Способ организации памяти зависит от методов размещения и поиска информации в запоминающем массиве.

По этому признаку различают адресную, ассоциативную и стековую память 4 - АДРЕСНАЯ ПАМЯТЬ При адресной организации памяти размещение и поиск информа- ции в запоминающем массиве основаны на использовании адреса хранения слова.Адресом служит номер ячейки массива, в которой это слово размещается.

При записи или считывании слова в запоминающий массив инициирующая эту операцию команда должна указывать адрес, по которому производится запись считывание . г БУС 0 n-1 L ШИВх T k-1 БАВ 0 n-1 V V ША . РгА . ЗМ РгИ 0 n-1 L T T 0 N-1 L L ПрРгА Выборка V ШИВых Обра Считывание щение ПрРгИ Опе- БУП ПрШИВых рация Запись БУЗ L 0 n-1 L L - Типичная структура адресной памяти содержит запоминающий массив из N n-разрядных ячеек обычно n равно 1, 4, 8 или 16 и его аппаратурное обрамление, включающее регистр адреса РгА, имеющий k разрядов k больше или равно логарифму по основанию 2 от N , информационный регистр РгИ, блок адресной выборки БАВ, блок усилителей считывания БУС, блок разрядных усилителей-форми- рователей сигналов записи БУЗ и блок управления памятью БУП 5 - По коду адреса в регистре адреса блок адресной выборки формирует в соответствующей ячейке памяти сигналы, позволяющие произвести считывание или запись слова в ячейку.

Цикл обращения к памяти инициируется поступлением в блок управления памятью сигнала Обращение . Общая часть цикла обраще- ния включает в себя 1 прием в регистр адреса с шины адреса ША адреса обращения 2 прием блоком управления и расшифровку управляющего сигнала Операция , указывающего вид операции считывание или запись . Далее, при считывании 3 блок адресной выборки дешифрирует адрес и посылает сигналы считывания в заданную ячейку, при этом код записанного в ячейке слова считывается усилителями считывания и передается в информа- ционный регистр РгИ 4 в памяти с разрушающим считыванием при считывании все запо- минающие ячейки устанавливаются в нулевое состояние производится регенерация информации в ячейке путем записи в нее из информаци- онного регистра РгИ считанного ранее слова 5 считанное слово выдается из информационного регистра на выходную информационную шину ШИВых. При записи 3 производится прием записываемого слова с выходной информаци- онной шины ШИВх в информационный регистр 4 блок адресной выборки производит выборку и очистку ячейки, заданной в регистре адреса в памяти с разрушающим считыванием для этого производится считывание без записи в информационный регистр 5 в выбранную ячейку записывается слово из информационного регистра.

Блок управления БУП генерирует необходимые последователь- ности управляющих сигналов, инициирующих работу отдельных узлов памяти.

АССОЦИАТИВНАЯ ПАМЯТЬ В памяти этого типа поиск нужной информации производится не по адресу, а по ее содержанию по ассоциативному признаку . При этом поиск по ассоциативному признаку или последовательно по отдельным его разрядам происходит параллельно во времени для всех ячеек запоминающего массива.

Во многих случаях ассоциативный поиск позволяет существенно упростить и ускорить обработку дан- ных. Это достигается за счет того, что в памяти этого типа опера- ция считывания информации совмещена с выполнением ряда логических операций.

Память этого типа применяется в специализированных вычисли- тельных машинах - машинах баз данных 6 - СТЕКОВАЯ ПАМЯТЬ Стековая память, как и ассоциативная, является безадресной.

В стековой памяти ячейки образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов. Запись нового слова производится в верхнюю ячейку ячей- ку 0 , при этом все ранее записанные слова сдвигаются вниз, в соседние ячейки с большими на 1 номерами.Считывание возможно только из верхней ячейки памяти. Если производится считывание с удалением, все остальные слова в памяти сдвигаются в верх, в ячейки с меньшими номерами.

В этой памяти порядок считывания слов соответствует правилу FIFO последним поступил, первым обслужива- ется. В ряде устройств рассматриваемого типа предусматривается также операция простого считывания слова из нулевой ячейки без его удаления и сдвига слов в памяти.Иногда стековая память снабжается счетчиком стека, показыва- ющим количество занесенных в память слов. В вычислительных машинах часто стековую память организуют, используя адресную память и специальный регистр - указатель сте- ка. ВТОРОЙ СЕМЕСТР ЛЕКЦИЯ N 2-3 2СТРУКТУРЫ АДРЕСНЫХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ Тип используемых запоминающих элементов определенным образом влияет на структуру памяти, в результате чего существует большое разнообразие структур ЗУ. Совокупность определенным образом соединенных запоминающих элементов ЗЭ образует запоминающую матрицу массив ЗМ, где каждый запоминающий элемент хранит бит информации.

Запоминающий элемент должен реализовывать следующие режимы работы 1 хранение состояния 2 выдача сигнала состояния считывание 3 запись 0 или 1. К запоминающим элементам должны поступать управляющие сигна- лы для задания режима работы, а также информационный сигнал при записи.

При считывании запоминающий элемент должен выдавать сигнал о своем состоянии. Запоминающий массив имеет систему адресных и разрядных линий проводников . Адресные линии используются для выделения по адресу совокупности запоминающих элементов, которым устанавлива- ется режим считывания или записи.

Выделение отдельных разрядов осуществляется разрядными линиями, по которым передается записы- ваемая или считываемая информация. Запоминающие устройства строятся из специальных запоминающих элементов, для которых характерно использование троичных сигналов и совмещение линий входных и выходных сигналов.Адресные и разрядные линии носят общее название линий выбор- ки. В зависимости от числа таких линий, соединенных с одним запо- минающим элементом различают двух трехкоординатные ЗУ и т.д называемые соответственно 2D, 3D и т.д. Запоминающие устройства типа 2D Организация ЗУ типа 2D обеспечивает двухкоординатную выборку каждого запоминающего элемента. Основу ЗУ составляет плоская мат- рица из запоминающих элементов, сгруппированых в 25k0 ячеек по n разрядов.

Обращение к ячейке задается k-разрядным адресом, выде- ление разрядов производится разрядными линиями записи и считыва- ния 2 - ШИВых 0 n-1 УсСч L-T T T 05 0 j5 0 n-15 5 0 5 0 5 5 - 0 5 - 0 5 - 5 0ЗЭ 5 0 5- 0 5 0ЗЭ 5 0 5- 0 5 0ЗЭ 5 0 5- 5L 0 5L 0 5L 5 005 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 5 0 0- 5 . 0 5 . 0 5 . 0 5 0.5 . 0 5 . 0 5 . 5 0.5 - 0 5 - 0 5 - 5 0.5 - 0 5 - 0 5 - 5 0 5 0ЗЭ5 0 5- 0 5 0ЗЭ5 0 5- 0 5 0ЗЭ5 0 5- 5 L 0 5L 0 5L Адрес 5 0i5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 АдрФ5 0- 5 . 0 5 . 0 5 . 0 5 0 5 0.5 . 0 5 . 0 5 . 0 5 5 0 5 0.5 0 5 0 5 5 0 5 0.5 - 0 5 - 0 5 - 5 0 5 0 5 0ЗЭ5 0 5-0 5 0ЗЭ5 0 5-0 5 0ЗЭ5 0 5-0 5 0 5 L 0 5L 0 5L 0 5 0 5 025k0-1 5 0k-1 5 0 5 0 5 0- L 0 j n-1 - УсЗап 0 n-1 Зап Чт L ИнфВх Адрес ячейки i поступает на схему адресного формирователя АдрФ, управляемого сигналами Чтение и Запись . Основу адресно- го формирователя составляет дешифратор с 25k0 выходами, который при поступлении на его входы адреса формирует сигнал для выборки линии i. При этом под действием сигнала Чтение формируется сигнал, настраивающий запоминающий элемент на выдачу сигнала состояния, а под действием сигнала Запись - соответственно на запись. Выделение разряда j в i-ом слове производится второй коорди- натной линией.

При записи по линии j от усилителя записи поступа- ет сигнал, устанавливающий выбранный для записи элемент в 0 или 1. При считывании на усилитель считывания по линии j поступа- ет сигнал о состоянии элемента.

Используемые запоминающие элементы должны допускать объеди- нение выходов для работы на общую линию с передачей сигналов только от выбранного элемента 3 - Каждая адресная линия передает три значения сигнала 1 выборка при записи, 2 выборка при считывании, 3 отсутствие выборки.

Каждая разрядная линия записи передает в запоминающий эле- мент записываемый бит информации, а разрядная линия считывания - считываемый бит информации.

Линии записи и считывания могут быть объединены в одну при использовании элементов, допускающих объ- единение выхода со входом записи.Совмещение функций записи и считывания на разрядной линии широко используется в современных полупроводниковых ЗУ. Запоминающие устройства типа 2D являются быстродействующими и достаточно удобными для реализации.

Однако они неэкономичны по объему оборудования из-за наличия дешифратора с большим числом выходов. Поэтому структура 2D применяется только в ЗУ небольшой емкости. СТРУКТУРЫ АДРЕСНЫХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ Запоминающие устройства типа 3D Некоторые запоминающие элементы имеют не один, а два входа выборк. Чтобы выполнялась операция выборки, требуется наличие сигнала выборки на обеих входах.Использование таких элементов позволяет строить ЗУ с трехкоординатным выделением ячеек.

Запоминающий массив ЗУ типа 3D представляет собой прост- ранственную матрицу, составленную из n плоских матриц, представ- ляющих собой запоминающий массив для отдельных разрядов ячеек памяти.Запоминающие элементы для разряда сгруппированы в квад- ратную матрицу 4 - ИнфВых УсСч L-T T T 0 j n-1 T T 5 - 0 5 - 0 5 - 5 0ЗЭ 5 0 5- 0 - 5 0ЗЭ 5 0 5- 0 - 5 0ЗЭ 5 0 5- 5L 0 5L 0 5L 5 0 5 005 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 0 5 0 5 -0- 5 0 -5 0- 5 0 5 0.5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0. 5 0 5 0.5 0 5 - 0 5 0 5 - 0 5 0 5 - 0 5 0 5 0 5 0 - 5 0ЗЭ5 0 5- 0 - 5 0ЗЭ5 0 5- 0 - 5 0ЗЭ5 0 5- 5 0 5 0 5 L 0 5L 0 5L Адрес 5 0 5 0i 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 5 0 АдрФ15 0 5 0-5-0 -5 -0- 5 0- 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0. L 5 0 5 0.5 0 5 - 0 5 - 0 5 - 5 0 5 0.5 0 - 5 0ЗЭ5 0 5-0 - 5 0ЗЭ5 0 5-0 - 5 0ЗЭ5 0 5-0 5 0k-1 5 0 5 L 0 5L 0 5L 0 5 0 - 15 0 5 0 2 5 0 5 0 5 0 5 0- L L - L L 0 i k-1 АдрФ2 k-1 2 L Зап Чт Адрес 0 j n-1 - УсЗап L ИнфВх Для адресной выборки запоминающего элемента выдается две его координаты в массиве.

Код ячейки памяти разделяется на старшую и младшую части, каждая из которых поступает на свой адресный фор- мирователь.

Адресные формирователи выдают код в соответствующие адресные линии. В результате в массиве оказывается выбранным эле- мент, находящийся на пересечении двух адресных линий.Адресные формирователи управляются сигналами Чтение и Запись и в зависимости от них выдают сигналы выборки для считывания или для записи. При считывании сигнал о состоянии выбранного элемента поступает по линии считывания в усилитель.

При записи в запомина- ющий элемент будет занесена информация, поступившая с соот- ветствующего усилителя записи 5 - Для полупроводниковых ЗУ характерно объединение в одну линию разрядных линий записи и считывания.Запоминающие устройства типа 3D более экономичны, чем ЗУ 2D. Однако элементы с тремя входами, используемыми при записи не всегда удается реализовать. Запоминающие устройства типа 2,5D В ЗУ этого типа при считывании состояния приложение элемента в запоминающем массиве определяется тремя координатами две коор- динаты для выборки и одна для выходного сигнала , а при записи в запоминающий элемент - двумя координатами.

Считывание при этом осуществляется так же, как в ЗУ типа 3D, а запись сходна с за- писью в ЗУ типа 2D. Структура одноразрядного ЗУ типа 2,5D ИнфВых УсСч L T T T 5 - 0 5 - 0 5 - 5 0ЗЭ 5 0 5- 0 5 0ЗЭ 5 0 5- 0 5 0ЗЭ 5 0 5- 5L 0 5L 0 5L 5 0-5 005 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 0 5 0 5 0- 5 0.5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0. 5 0.5 0 5 - 0 5 0 5 - 0 5 0 5 - 0 5 0 5 0 5 0ЗЭ5 0 5- 0 5 0ЗЭ5 0 5- 0 5 0ЗЭ5 0 5- 5 0 5 L 0 5L 0 5L Адрес 5 0i 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 5 0АдрФ5 0 -5 0- -5 0- 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0. L 5 0 5 0.5 0 5 - 0 5 - 0 5 - 5 0 5 0.5 0 5 0ЗЭ5 0 5-0 5 0ЗЭ5 0 5-0 5 0ЗЭ5 0 5-0 5 0 5 0 5 L 0 5L 0 5L 0 5 0 5 025r0 5 0r-1 5 0 5 0 -5 0 5 0- L L 0 i 4 0 ВхИнф РАдрФ4j0 r k-1 0 1 L Зап Чт Адрес Запоминающий массив ЗУ типа 2,5D можно рассматривать как группу запоминающих массивов - по одному для каждого разряда памяти.

Код адреса ячейки, как и в ЗУ типа 3D, разделяется на две части i и i , каждая из которых отдельно дешифрируется 6 - Адресный формирователь АдрФ выдает сигнал выборки на линию i . Разрядно-адресный формирователь j-го разряда РАдрФj выдает сигнал на линию i . При считывании оба сигнала, являющиеся сигналами вы- борки для считывания, опрашивают запоминающий элемент, выходной сигнал которого поступает на усилитель считывания разряда j. При записи адресный формирователь АдрФ выдает сигнал выборки для записи, а разрядно-адресный формирователь j-го разряда РАдрФj выдает по линии i сигнал записи 0 или 1 в зависимости от назна- чения входного информационного сигнала j-го разряда ВхИнФj. На остальных линиях разрядно-адресного формирователя устанавлива- ется сигнал Хранение , и поэтому изменяется состояние только элемента, лежащего на пересечении линий i и i . Из запоминающих массивов отдельных разрядов формируется за- поминающий массив всего ЗУ. Структура n-разрядного ЗУ типа 2,5D n n ИнфВых - T T УсСч 0 j n-1 L 0 - Адрес АдрФ - ЗМ400 ЗМ400 ЗМ400 r-1 - L L L L 4 -0 РАдрФ400 РАдрФ4j0 РАдрФ4n-10 L L L 4 0 0 j n-1 4 0 n ИнфВх Адрес r7 0k-1 L 4 0 - Недостатком ЗУ типа 2,5D является то, что сигналы на линиях разрядно-адресного формирователя должны иметь 4 значения чтения, запись 0, запись 1 и хранение.

Для запоминающих элементов с раз- рушающим считыванием сигналы Чтение и Запись 0 совпадают, и потребуется лишь три значения сигнала. В связи с этим ЗУ типа 2,5D используются лишь для запоминающих элементов с разрушающим считыванием.

Запоминающие устройства типа 2D-M Для построения современных полупроводниковых ЗУ из элементов с неразрушающим считыванием используется структура 2D-M с двухко- ординатным выделением элементов и мультиплексированием выходных сигналов при считывании.

Запоминающие элементы таких ЗУ имеют два входа и один выход. При наличии сигнала Хранение хотя бы на одном из входов элемент при записи находится в режиме хранения.

Сигнал Чтение опрашива- ет состояние элемента.

Сигналы Запись и Запись 0 устанавлива- ют элемент в состояние 0, а Запись и Запись 1 - в состояние 1. Выход запоминающего элемента объединяется со входом записи.Код адреса i-й ячейки разделяется на две части i и i , одна из которых поступает на адресный формирователь АдрФ, а другая - на разрядно-адресный коммутатор РАдрК. Пока на адресный формирова- тель и коммутатор не приходит сигнал обращения к памяти, на их - 7 - выходных линиях устанавливаются сигналы Хранение . При наличии сигнала обращения выполняется считывание или запись в зависимости от значения сигнала Чтение Запись . При считывании адресный формирователь по линии i выдает сигнал выборки для считывания, по которому со всех запоминающих элементов линии i сигналы их состояний поступают на коммутатор.

Коммутатор РАдрК мультиплексирует эти сигналы и передает на выход ИнфВых сигнал с линии i . При записи адресный формирователь выдает по линии i сигнал выборки для записи.

Коммутатор в зависимости от значения ИнфВх выдает сигнал записи 0 или 1 в линию i и сигналы хранения в остальные линии.В результате запись производится только в эле- мент, лежащий на пересечении линий i и i . Структура 2D-M наиболее удобна для построения полупроводни- ковых ЗУ и широко применяется в настоящее время для построения ОЗУ и ПЗУ большой емкости.

Статические и динамические ОЗУ Микросхемы ОЗУ по типу элементов памяти разделяют на стати- ческие и динамические. В микросхемах статических ОЗУ в качестве элементов памяти применены статические триггеры на биполярных или МДП-транзисторах. Как известно, статический триггер способен при наличии напряжения питания сохранять свое состояние неограничен- ное время.Число состояний, в которых может находиться триггер, равно двум, что и позволяет использовать его для хранения двоич- ной единицы информации.

В микросхемах динамических ОЗУ элементы памяти выполнены на основе электрических конденсаторов, сформированных внутри полуп- роводникового кристалла. Для обеспечения сохранности информации необходимо периодическое восстановление регенерация заряда кон- денсатора, поскольку из-за токов утечки запоминающий конденсатор может разряжаться.Это осуществляется с помощью периодических циклов регенерации, во время которых информация из элементов па- мяти считывается и вновь записывается обратно.

Периодичность восстановления информации в элементах памяти называется периодом регенерации.Период регенерации Трег резко уменьшается с увеличе- нием температуры окружающей среды, однако для большинства серийно выпускаемых микросхем при наихудших условиях окружающей среды максимальное значение периода регенерации не менее 2 мс. Длитель- ность циклов регенерации обычно равна длительности циклов считы- вания или записи информации, но для полной регенерации информации в микросхеме необходимо несколько сотен таких циклов.

Микросхемы динамических ОЗУ отличаются от микросхем стати- ческих ОЗУ большей информационной емкостью, что обусловлено меньшим числом компонентов в одном элементе памяти, и, следова- тельно, более плотным их размещением в полупроводниковом крис- талле. Однако динамические ОЗУ сложнее в применении, поскольку нуждаются в организации принудительной регенерации, в дополни- тельном оборудовании и более сложных устройствах управления.Серийные микросхемы динамических ОЗУ в настоящее время имеют емкость 1, 4 или 16 Мбит и применяются для создания основного ОЗУ ЭВМ. В ближайшее десятилетие планируется освоение серийного производства микросхем емкостью 256 Мбит. Емкость микросхем статических ОЗУ не превышает 256 Кбит. Они применяются для создания сверхоперативной памяти ЭВМ, а также в устройствах автоматики, микроконтроллерах и т.п. С точки зрения разработчика электронной аппаратуры тип ОЗУ - 8 - гораздо важнее его внутренней организации, так как использование динамических ОЗУ значительно усложняет как схему разрабатываемого устройства, так и моделирование его работы в процессе разработки.

Регенерация требует как правило прерывания работы процессора и поглощает заметную часть процессорного времени 5 - 10 , что крайне не желательно в системах реального времени.

ПОСТОЯННЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА Постоянные запоминающие устройства в рабочем режиме ЭВМ допускают только считывание хранимой информации.В зависимости от типа ПЗУ занесение в него информации производится или в процессе изготовления, или в зксплуатационных условиях путем программиро- вания с помощью специального оборудования.

Постоянные запоминающие устройства обычно строятся как ад- ресные ЗУ. Функционирование ПЗУ можно рассматривать, как выполне- ние однозначного преобразования k-разрядного кода адреса ячейки запоминающего массива в n-разрядный код хранящегося в ней слова.По сравнению с ОЗУ, ПЗУ строятся из более простых элементов и по более простым схемам, поэтому их быстродействие и надежность выше, а стоимость ниже, чем у ОЗУ. ПЗУ широко используются для хранения рабочих программ специ- ализированных ЭВМ и программ запуска и тестирования универсальных ЭВМ. В ПЗУ со структурой типа 2D запоминающий массив образуется системой взаимно перпендикулярных линий, в пересечениях которых устанавливаются элементы, которые либо связывают состояние 1 , либо не связывают состояние 0 между собой горизонтальную и вер- тикальную линии.

Дешифратор Дш по коду адреса в РгА выбирает одну из горизон- тальных линий, в которую подается сигнал выборки.

Выходной сигнал появляется в тех вертикальных разрядных линиях, которые имеют связь с возбужденной разрядной линией.В зависимости от типа запоминающих элементов различают ре- зисторные, емкостные, индуктивные, полупроводниковые и другие ПЗУ. Полупроводниковые интегральные ПЗУ, в отличие от ОЗУ явля- ются энергонезависимыми, т.е. информация в них не исчезает при выключении питания.

По способу занесения информации различают следующие типы ин- тегральных полупроводниковых ПЗУ 1 с программированием в процессе изготовления путем нанесения с помощью фотошаблонов перемычек в необходимых местах 2 с программированием путем выжигания перемычек или разрушения p-n-переходов 3 с электрическим программированием и ультрафиолетовым стира- нием 4 с электрическим программированием и электрическим стиранием информации так называемая флеш-память . Микросхемы, программируемые в процессе изготовления или путем выжигания перемычек, обычно строятся на базе ТТЛ логики и имеют небольшую емкость не выше 64 Кбит , но малое время досту- па, и применяются в простых устройствах автоматики, а также для хранения матриц шрифтов в контроллерах дисплеев и принтеров.

Пов- торное использование микросхем этих типов невозможно, так как в них нельзя стереть и перезаписать информацию.Микросхемы ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации имеют - 9 - емкость до 1 Мбит и применяются при создании контроллеров различ- ных устройств ЭВМ для хранения программ, а также для хранения программ тестирования ЭВМ и начальной загрузки операционной системы.

Новая технология памяти - с электрическим программированием и электрическим стиранием, именуемая ETOX III или флеш-технологи- ей, была анонсирована фирмой Intel в 1989 году. Изготовляемые по этой технологии микросхемы имеют емкость 8 Мбит с организацией 1 Мбит x 8 и время цикла чтения 85 нс. Длительность цикла записи байта составляет 9 мкс, длительность цикла стирания - 10 мс, дли- тельность автоматического стирания блока в 64 Кбайт составляет 1,5 с. Микросхемы этого типа применяются для создания электронных дисков переносных и карманных персональных компьютеров.

ВТОРОЙ СЕМЕСТР ЛЕКЦИЯ N 4 2ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ ВВОДА-ВЫВОДА ЭВМ Передача информации с периферийного устройства в ядро ЭВМ называется операцией ввода, а передача из ядра ЭВМ в периферийное устройство - операцией вывода.Связь устройств ЭВМ друг с другом осуществляется с помощью средств сопряжения - интерфейсов.

Интерфейс представляет собой совокупность линий и шин, сигналов, электронных схем и алгоритмов, предназначенную для осуществления обмена информацией между устройствами. От характе- ристик интерфейсов во многом зависят производительность и надеж- ность вычислительной машины.При разработке систем ввода-вывода должны быть решены следу- ющие проблемы 1 Должна быть обеспечена возможность реализации машин с переменным составом оборудования. 2 Для эффективного использования оборудования ЭВМ должны реализовываться параллельная во времени работа процессора над программой и выполнение периферийными устройствами процедур ввода-вывода. 3 Необходимо стандартизировать программирование операций вво- да-вывода для обеспечения их независимости от особенностей пери- ферийного устройства. 4 Необходимо обеспечить автоматическое распознавание и реакцию ядра ЭВМ на многообразие ситуаций, возникающих в ПУ готовность устройства, различные неисправности и т.п При конструировании ЭВМ широко применяются различные сред- ства унификации.

Средства вычислительной техники проектируются на основе модульного принципа, который заключается в том, что отдельные устройства выполняются в виде конструктивно законченных модулей, из которых можно собирать ЭВМ в различных конфигурациях.

При обмене межд ПУ и ЭВМ используются унифицированные форматы данных.Преобразование унифицированных форматов данных в индивидуальные, приспособленные для отдельных ПУ, производится в самих ПУ. Унификации также подвергают все компоненты интерфейса, а также формат и набор команд процессора для операций ввода-вывода.

Унификация распространяется на семейство моделей ЭВМ. Для обеспечения параллельной работы процессора и периферий- ных устройств схемы управления вводом-выводом отделяют от процес- сора. Выполнение общих функций возлагают на общие для групп пери- ферийного оборудования унифицированные устройства - контроллеры прямого доступа к памяти, процессоры ввода-вывода 2 - ПРЯМОЙ ДОСТУП К ПАМЯТИ В системах ввода-вывода ЭВМ используются два основных спосо- ба организации передачи данных между памятью и периферийными устройствами программно-управляемая передача и прямой доступ к памяти.

Программно-управляемая передача данных осуществляется при непосредственном участии и под управлением процессора, который при этом выполняет специальную подпрограмму процедуры ввода-выво- да. Данные между памятью и периферийным устройством пересылаются через процессор. Операция ввода - вывода инициируется текущей командой программы или запросом прерывания от периферийного устройства.

При этом процессор на все время выполнения операции ввода-вывода отвлекается от выполнения основной программы.Кроме того при пересылке блока данных процессору приходится для каждой единицы передаваемых данных выполнять несколько команд, чтобы обеспечить буферизацию, преобразование форматов данных, подсчет количества переданных данных, формирование адре- сов в памяти и т.п. Это сильно снижает скорость передачи данных не выше 100 Кб сек , что недопустимо при работе с высокоскорост- ными ПУ. Между тем потенциально возможная скорость обмена данными при вводе-выводе определяется пропускной способностью памяти.

Для быстрого ввода-вывода блоков данных используется прямой доступ к памяти.Прямым доступом к памяти называется способ обмена данными, обеспечивающий независимую от процессора передачу данных между памятью и периферийным устройством.

Прямым доступом к памяти управляет контроллер ПДП, который выполняет следующие функции 1 управление инициируемой процессором или ПУ передачей данных между ОП и ПУ 2 задание размера блока данных, который подлежит передаче, и области памяти, используемой при передаче 3 формирование адресов ячеек ОП, участвующих в передаче 4 подсчет числа переданных единиц данных байт или слов и определение момента завершения операции ввода-вывода.Указанные функции реализуются контроллером ПДП с помощью одного или нескольких буферных регистров, регистра - счетчика текущего адреса данных и регистра-счетчика подлежащих передаче данных.

При инициировании операции ввода-вывода в счетчик подлежащих передаче данных заносится размер передаваемого блока число байт или слов , а в счетчик текущего адреса - начальный адрес области памяти, используемой при передаче.При передаче каждого байта содержимое счетчика адреса увеличивается на 1, при этом формиру- ется адрес очередной ячейки памяти, участвующей в передаче.

Одновременно уменьшается на 1 содержимое счетчика подлежащих - 3 - передаче данных обнуление этого счетчика указывает на завершение передачи. Контроллер ПДП обычно имеет более высокий приоритет в занятии цикла обращения к памяти по сравнению с процессором. Управление памятью переходит к контроллеру ПДП, как только завер- шается цикл обращения к памяти для текущей команды процессора.Прямой доступ к памяти обеспечивает высокую скорость обмена данными за счет того, что управление обменом производится не программными, а аппаратными средствами.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ВВОДА-ВЫВОДА Можно выделить два характерных принципа построения систем ввода-вывода ЭВМ с одним общим интерфейсом и ЭВМ с множеством интерфейсов и процессорами каналами ввода-вывода.Структура с одним общим интерфейсом Структура с одним общим интерфейсом предполагает наличие общей шины, к которой подсоединяются все модули, в совокупности образующие ЭВМ процессор, оперативная и постоянная память и периферийные устройства. В каждый данный момент через общую шину может происходить обмен данными только между одной парой присое- диненных к ней модулей.

Таким образом, модули ЭВМ разделяют во времени один общий интерфейс, причем процессор выступает как один из модулей системы 4 - Общая шина A A A A A A V V V V V V Про- БУ БУ Контролллер Контролллер цессор ОП L L ПДП ПДП A A A L L L L A A A V V V V V V ПУ ПУ ПУ L L L ПУ ПУ ПУ L L L Периферийные устройства подсоединяются к общей шине с помо- щью блоков управления периферийными устройствами контроллеров , осуществляющих согласование форматов данных периферийных уст- ройств с форматом, принятым для передачи по общей шине. Если в периферийном устройстве операции ввода - вывода производятся для отдельных байт или слов, то используется программно-управляемая передача данных через процессор и под его управлением. Конструкция контроллера при этом сильно упрощается.

Для перифериийных устройств с поблочной передачей данных ЗУ на дисках, лентах и др. применяется прямой доступ к памяти и контроллеры ПДП. При общем интерфейсе аппаратура управления вводом-выводом рассредоточена по отдельным модулям ЭВМ. Процессор при этом не полностью освобождается от управления операциями ввода-вывода. Более того, на все время операции передачи данных интерфейс ока- зывается занятым, а связь процессора с памятью блокированной.

Интерфейс с общей шиной применяется только в малых и микро-ЭВМ, которые имеют короткое машинное слово, небольшой объем периферийного оборудования и от которых не требуется высокой про- изводительности.

Структура с каналами ввода-вывода Структура системы с процессорами каналами ввода-вывода применяется в высокопроизводительных ЭВМ. В таких ЭВМ система ввода-вывода строится путем централизации аппаратуры управления вводом-выводом на основе применения программно-управляемых про- цессоров каналов ввода-вывода.Обмен информацией между памятью и периферийным устройством осуществляется через канал ввода-выво- да 5 - Основная память L A V Интерфейс основной памяти A A A V Процессор L A V Интерфейс процессор-каналы A A V V V V Канал Канал ввода-вывода ввода-вывода L L A A Интерфейс ввода-вывода V V A A A V V V БУ БУ БУ L L L A A A V V V ПУ ПУ ПУ L L L Каналы ввода - вывода полностью освобождают процессор от управления операциями ввода-вывода.

В вычислительной машине с каналами ввода-вывода форматы передаваемых данных неоднородны, поэтому неоходимо использовать в ЭВМ несколько специализированных интерфейсов. Можно выделить 4 типа интерфейсов интерфейс основной памя- ти, интерфейс процессор-каналы, интерфейсы ввода-вывода, интер 6 - фейсы периферийных устройств малые интерфейсы . Через интерфейс основной памяти производится обмен информа- цией между памятью, с одной стороны, и процессором и каналами - с другой.

Интерфейс процессор-каналы предназначается для передачи ин- формации между процессорами и каналами ввода-вывода.

Через интерфейс ввода-вывода происходит обмен информацией между каналами и блоками управления периферийных устройств. Интерфейс периферийного устройства служат для обмена данными между периферийным устройством и его блоком управления. Унифика- ции малые интерфейсы не поддаются, так как ПУ весьма разнообразны по принципу действия, используемым форматам данных и сигналам.ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИНТЕРФЕЙСОВ Интерфейсы характеризуются следующими параметрами 1 Пропускная способность интерфейса - это количество информа- ции, которое может быть передано через интерфейс в единицу време- ни имеет диапазон от десятков байт до сотен мегабайт . 2 Максимальная частота передачи информационных сигналов через интерфейс от десятков герц до сотен мегагерц . 3 Максимально допустимое расстояние между соединяемыми уст- ройствами имеет диапазон от десятков сантиметров до нескольких километров при использовании оптоволоконных линий . 4 Динамические параметры интерфейса время передачи отдельного слова и блока данных с учетом продолжительности процедур подго- товки и завершения передачи.

Эти параметры особенно важны для систем реального времени. 5 Общее число линий проводов в интерфейсе. 6 Информационная ширина интерфейса - число бит данных, переда- ваемых параллельно через интерфейс.

Различные интерфейсы имеют ширину 1, 8, 16, 32, 64, 128 или 256 бит. 7 Связность интерфейса интерфейс может быть односвязным, когда существует лишь единственный путь передачи информации между парой устройств машины, и многосвязным, позволяющим устройствам обмениваться информацией по нескольким независимым путям.

Много- связность интерфейсов требует дополнительной аппаратуры, но повы- шает надежность и живучесть вычислительной машины, обеспечивает возможность автоматической реконфигурации вычислительного комп- лекса при выходе из строя отдельных устройств.ВТОРОЙ СЕМЕСТР ЛЕКЦИЯ N 5 2КАНАЛЫ ВВОДА-ВЫВОДА Для того, чтобы операции ввода-вывода выполнялись параллель- но с выполнением вычислений, необходимо освободить процессор от управления операциями обмена информацией между периферийными устройствами и памятью.

Эта задача возлагается на процессоры ввода-вывода каналы , управляемые канальными программами. Процессор должен только выполнить инициирование операции ввода-вывода, задать номера канала и периферийного устройства, участвующих в операции, и код выполняемой операции.Канал должен обеспечивать прямой доступ к памяти, осущест- влять буферизацию и преобразование форматов передаваемых данных для согласования работы оперативной памяти и периферийного уст- ройства.

Поэтому в состав канала, кроме специального процессора и ПЗУ программ, входит контроллер ПДП и буферное ОЗУ реально все эти компоненты могут быть раэмещены в одной микросхеме . Для извещения процессора об окончании каждой операции ввода- вывода, а также о возникновении ошибок, канал формирует запросы прерываний.Кроме того, канал может выполнять ряд дополнительных функций для минимизации участия процессора в операциях ввода-вывода 1 Организация цепочки блоков данных если данные в памяти состоят из нескольких массивов, произвольно размещенных в памяти, то канал должен допускать задание цепочки блоков, чтобы не отвле- кать основной процессор после передачи каждого блока. 2 Организация выборочного чтения информации иногда необходимо вводить с носителя информации отдельные части некоторого массива, пропуская ненужные данные. 3 Организация цепочки операций иногда выгодно задавать не отдельные операции ввода-вывода, а сразу группу последовательных операций. 4 Блокировка контроля неправильной длины считанного массива бывает полезной при попытках извлечения хотя бы части информации из искаженного массива данных.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КАНАЛОВ ВВОДА-ВЫВОДА Способ организации взаимодействия периферийного устройства с каналом определяется соотношением быстродействия оперативной памяти и периферийного устройства. По этому признаку периферийные устройства можно классифицировать на две группы быстродействую- щие ЗУ на дисках и лентах - со скоростью обмена информацией 100 Кбайт с - 100 Мбайт с, и медленнодействующие перфоленточные устройства, принтеры и т.п со скоростью от десятков байт до десятков килобайт в секунду.

Оперативная память может выдавать и принимать данные со скоростью 1 - 100 Мбайт с в зависимости от - 2 - типа микросхем памяти и архитектуры ОЗУ. В зависимости от соотношения быстродействия памяти и перифе- рийных устройств в каналах ввода-вывода может быть реализован один из двух режимов работы - монопольный или мультиплексный.

Монопольный режим После установления связи между каналом и периферийным уст- ройством последнее занимает канал на все время, пока полностью не завершится инициированная процессором канальная программа работы с данным устройством и не будут произведены все предусмотренные этой программой передачи данных между памятью и устройством.

На все время выполнения данной канальной программы канал не- доступен другим периферийным устройствам.

Канал, работающий в монопольном режиме, называют 2селектор- 2ным0. При работе с селекторным каналом периферийное устройство после запуска операции остается связанным с каналом до ее завер- шения. Запросы на обслуживание от других устройств и команды за- пуска новых операций ввода-вывода от процессора в это время игно- рируются. Селекторные каналы применяются при работе с быстрыми уст- ройствами ввода-вывода.Мультиплексный режим режим разделения времени В таком режиме несколько периферийных устройств разделяют во времени канал ввода-вывода.

При этом каждое из параллельно рабо- тающих устройств связывается с каналом на короткие промежутки времени только после того, как оно подготовлено к приему или вы- даче очередной порции информации. Промежуток времени, в течение которого происходит передача информации между каналом и периферийным устройством называется 2сеансом связи0. Сеансы связи различных ПУ чередуются между собой.Во время сеанса связи одного из устройств с каналом другие уст- ройства могут выполнять работу, не требующую использования средств канала.

Канал, осуществляющий мультиплексирование периферийных уст- ройств, называют 2мультиплексным0. Мультиплексный канал одновременно обслуживает несколько па- раллельно работающих устройств, попеременно организуя с ними сеансы связи для приема или передачи небольших порций информации от одного до нескольких сотен байт . Мультиплексные каналы применяются при работе с медленными устройствами ввода-вывода алфавитно-цифровыми дисплеями, принте- рами, датчиками и рагуляторами телемеханических систем и т.п 3 - 2МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ МЕЖДУ УСТРОЙСТВАМИ ЭВМ Используются два метода передачи дискретных сигналов синх- ронный и асинхронный. При синхронном методе передающее устройство устанавливает одно из двух возможнных состояний сигнала 0 или 1 и поддерживает его в течение строго определенного интервала вре- мени, после истечения которого состояние сигнала на передающей стороне может быть изменено. 2Время передачи0 сигнала, которое складывается из времени передачи сигнала по линии и времени распознавания и фиксации сигнала в регистре приемного устройства, зависит от параметров линии связи и характеристик приемного и передающего устройств.

Период синхронной передачи информации должен превышать максималь- ное время передачи сигнала.

Он задается специальными тактовыми импульсами, как правило поступающими от тактового генератора с кварцевым резонатором.

При асинхронной передаче передающее устройство устанавливает соответствующее передаваемому коду состояние сигнала на информа- ционной линии, а принимающее устройство после приема сигнала информирует об этом передающее устройство изменением состояния сигнала на линии подтверждения приема. Передающее устройство, получив сигнал подтверждения, снимает передаваемый сигнал.Обычно при передаче сигналов на короткие расстояния десятки сантиметров более быстрым оказывается синхронный метод, а при передаче на большие расстояния - асинхронный.

При передаче параллельного кода по параллельным линиям сиг- налы поступят в приемное устройство 2в разное время0 из-за разброса параметров цепей, формирующих сигналы, и линий интерфейса так называемая проблема 2состязаний0 . Используется 2два метода0 передачи параллельного кода по нескольким линиям со стробированием, использующим синхронную передачу, и с квитированием, в котором используется асинхронная передача.При передаче со 2стробировением0 кроме N информационных линий используется линия готовность данных вначале устанавливаются значения передаваемых сигналов на информационных линиях, затем на линии готовности устанавливается уровень 1. Через строго опреде- ленный период времени превышающий максимальное время передачи сигнал готовности сбрасывается в 0, процесс передачи завершается, после чего можно изменить сигналы на информационных линиях и передавать следующую порцию данных.

При передаче с 2квитированием0 кроме N информационных линий и линии готовности данных используется линия подтверждения приема вначале устанавливаются значения передаваемых сигналов на инфор- мационных линиях, затем на линии готовности устанавливается уровень 1. Приняв фронт сигнала готовности, приемное устройство считывает сигналы с информационных линий и посылает передатчику сигнал подтверждения приема.

Приняв фронт сигнала подтверждения - 4 - передатчик снимает сигнал готовности, после чего может приступать к передаче новой порции данных. 2ЦИКЛ ШИНЫ МИКРОПРОЦЕССОРА 8086 Микропроцессор 8086 взаимодействует с внешней средой с помощью 20-битной шины адреса данных состояния и нескольких управляющих сигналов. Собственно взаимодействие заключается в выполнении одной из двух операций МП либо выводит записывает данные, либо вводит считывает данные или команды.

В каждой из этих операций процессор должен указывать то устройство, с которым он будет взаимодействовать другими словами, процессор должен 2адресовать0 ячейку памяти либо порт ввода или вывода.

Для передачи данных или выборки команды процессор инициирует так называемый цикл шины кроме процессора цикл шины могут иници- ировать и другие устройства, например, процессор ввода-вывода или арифметический сопроцессор . 2Цикл шины0 представляет собой последовательность событий, в течение которой процессор выдает адрес ячейки памяти или перифе- рийного устройства, а затем формирует сигнал записи или считыва- ния, а также выдает данные в операции записи.

Выбранное устройс- тво воспринимает данные с шины в цикле записи или помещает данные на шину в цикле считывания. По окончании цикла шины устройство фиксирует записываемые данные или снимает считываемые данные.Цикл шины состоит минимум из четырех тактов синхронизации, называемых также состояниями T, которые идентифицируются спадаю- щим фронтом сигнала синхронизации CLC. В первом такте T1 про- цессор выдает на шину адреса данных состояния адрес устройства, которое будет источником или получателем информации в текущем цикле шины. Во втором такте T2 процессор снимает адрес с шины и либо переводит тристабильные буфера линий AD15-AD0 в высокоимпе- дансное состояние, подготавливая их к выводу информации в цикле считывания, либо выдает на них данные в цикле записи.

Работа шинных формирователей разрешается в тактах T1 или T2 в зависимости от системной конфигурации и направления передачи информации.Управляющие сигналы, инициирующие считывание, запись или подтверждение прерываний, всегда выдаются в такте T2. В мак- симальной конфигурации системы сигнал записи формируется в такте T3, чтобы гарантировать стабилизацию сигналов данных до начала действия этого сигнала.

В такте T2 старшие четыре линии адреса состояния переключа- ются с режима выдачи адреса на режим выдачи состояния ST6 - ST3. Сигналы состояния предназначены в основном для диагностических целей.Сигналы ST4 - ST3, например, идентифицируют сегментный регистр, который участвует в формировании адреса памяти.

В течение такта T3 поцессор сохраняет на линиях ST6 - ST3 информацию о состоянии. На шине AD в цикле записи сохраняются выводимые данные, а в цикле считывания производится опрос вводи 5 - мых данных.Если память или периферийное устройство не может работать синхронно с процессором, оно должно до начала такта T3 сформировать низкий уровень сигнала готовности RDY. Это заставля- ет процессор ввести после такта T3 дополнительные такты, называе- мые тактами ожидания Tw. В тактах Tw на линиях шины действуют такие же уровни сигналов, что и в такте T3. Когда адресованное медленное устройство завершает операцию, оно формирует высокий уровень на входе готовности микропоцессора, что заставляет его перейти к такту T4, которым заканчивается цикл шины. В этом такте снимаются все управляющие сигналы и выбранное устройство отключа- ется от шины. Таким образом, цикл шины для памяти или периферийного уст- ройства представляет собой асинхронное действие.

Устройство может управлять циклом шины только путем введения состояний ожидания.

Процессор выполняет цикл шины в том случае, когда ему необ- ходимо осуществить запись или считывание информации.Если циклы шины не требуются, шинный интерфейс реализует холостые состояния Ti, в течение которых процессор сохраняет на линиях ST6 - ST3 сигналы состояния от предидущего цикла шины. Процессор выбирает во внутреннюю очередь до 6 байт командно- го потока, поэтому между выборкой команды и относящимися к ней передачами данных могут выполняться циклы шины для выборки других команд.

Для правильного функционирования памяти и периферийных уст- ройств обычно требуется стабильный адрес а течение всего цикла шины. Поэтому адрес, выдаваемый на линии AD и A S в такте T1, необходимо запомнить в регистрах защелках и использовать зафикси- рованный адрес для выбора периферийного устройства или ячейки памяти.Специально для демультиплексирования шины адреса дан- ных состояния процессор формирует сигнал стробирования STB, по которому производится запись адреса в регистры-защелки. Шина адреса дан- ных состояния 20 Шина адреса Демульти- 20 разрядов плексор Микропро- Шина данных цессор 8086 L 16 разрядов A Шина управления L 6 - СИСТЕМНАЯ ШИНА ПЭВМ IBM PC В персональном компьютере IBM PC имеется не одна, а несколь- ко шин. Основных шин всего три L-шина, S-шина и X-шина. Каждая из этих шин в свою очередь состоит из шины адреса, шины данных и шины управления.

L-шина S-шина X-шина A A A Периферийные Микро- микросхемы процессор Буфер Буфер на системной L L L плате L V V M-шина A Буфер Оперативная L память L V V Линии, идущие от микропроцессора, образуют так называемую L-шину. Входящая в состав L-шины адресная шина состоит из 20 ли- ний в IBM PC XT процессор 8088 и 24 линий в IBM PC AT процес- сор 80286 и является однонаправленной.

Шина данных состоит из 8 линий в IBM PC XT, 16 линий в IBM PC AT на базе процессоров 80286 и 80386sx и 32 линий в ЭВМ на базе процессора 80386DX. Она явля- ется двунаправленной.

Шина управления формируется сигналами, пос- тупающими непосредственно от микропроцессора, сигналами от шинно- го контроллера, а также сигналами, идущими к микропроцессору от других микросхем и периферийных адаптеров. Основной шиной, связывающей компьютер в единое целое являет- ся S-шина. Именно она выведена на специальные разъемы-слоты, в которые вставляются платы периферийных адаптеров.L-шина отделена от S-шины специальными буферными регистрами, которые не только повышают нагрузочную способность линий, но и разъединяют адресные линии этих шин, когда осуществляется прямой доступ к памяти. В режиме ПДП адреса на S-шину выставляет контроллер ПДП и страничные регистры, подключенные к X-шине, которая также через буферные регистры соединена с системной S-шиной.

Таким образом, наличие трех шин позволяет выставлять адреса на системную шину различным микросхемам.Кроме этих трех шин в компьютере имеется M-шина, предназна- ченная для отделения системной S-шины от оперативной памяти. Эта - 7 - шина включает шину управления, 16-разрядную шину данных и 10-раз- рядную шину адреса.

Передача адреса с системной шины на шину памяти осуществляется через мультиплексоры сначала выставляется 10 младших разрядов адреса, затем 10 старших разрядов.Разряд- ность адресной части шины памяти зависит от типа ЭВМ в самых первых моделях она была равна 8, а в последних превышает 10. ВТОРОЙ СЕМЕСТР ЛЕКЦИЯ N 6 2ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ В состав современных ЭВМ входят многочисленные и разнообраз- ные по выполняемым функциям, принципам действия и характеристикам периферийные устройства, которые по назначению можно разделить на две группы 1 внешние запоминающие устройства, предназначенные для хра- нения больших объемов информации 2 устройства ввода-вывода, обеспечивающие связь машины с внешней средой путем ввода и вывода информации из ЭВМ, ее регист- рации и отображения.

Операции ввода и вывода определяются относительно ядра ЭВМ - процессора и основной памяти.

Операцией ввода называется передача в ядро ЭВМ информации из внешней среды в том числе от пользователя , или из внешних запо- минающих устройств. Операцией вывода называется передача информации из ядра ЭВМ во внешнюю среду или во внешние запоминающие устройства. Общей характеристикой для всех периферийных устройств является скорость, с которой устройство может принимать или передавать данные.Большинство периферийных устройств имеет электромеханические узлы, скорость работы которых значительно ниже скорости работы электронных устройств ЭВМ. Скорости передачи данных, с которыми работают различные периферийные устройства, отличаются весьма значительно от нескольких единиц до нескольких миллионов байт с. Периферийные устройства различают по реализованному в них синхронному или асинхронному режиму передачи данных.

При синхрон- ном режиме передача данных производится в определенном темпе, который задается рабочей скоростью движения носителя информации, например магнитной ленты.

При асинхронном режиме передача данных может происходить в свободном темпе с остановом после передачи любого байта. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВНЕШНИХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ Одной из основных характеристик ВЗУ является общий объем хранимой информации, или емкость ВЗУ, обычно измеряемая в байтах.Из-за большого различия быстродействия оперативной памяти и ВЗУ обращения к внешней памяти вызывают потери производительности ЭВМ. Поэтому быстродействие ВЗУ является показателем не менее важным, чем его емкость 2 - Обращение к ВЗУ в общем случае предполагает последовательное выполнение двух процессов 1 доступа к ВЗУ - установки головок на участок носителя, с которого требуется считать или на который нужно записать информа- цию 2 считывания и передачи информации из ВЗУ в оперативную па- мять или передачи информации из памяти в ВЗУ и записи ее на носи- тель. Соответственно быстродействие ВЗУ определяется двумя показа- телями временем доступа и скоростью передачи информации. Разли- чают среднее и максимальное время доступа.

В связи с определенными техническими особенностями магнитных носителей информации, на них нельзя записать и с них нельзя считать отдельный байт. Запись и считывание информации могут производиться только группами байт строго определенного размера - блоками.

Внешние ЗУ делятся на устройства с прямым и последовательным доступом. В устройствах с прямым доступом, к которым относятся магнитные диски и барабаны, время доступа мало зависит от положе- ния носителя относительно головки в момент обращения к ВЗУ, что достигается циклическим движением носителя с большой скоростью относительно головки.

В устройствах с последовательным доступом ВЗУ на магнитных лентах для поиска нужного участка носителя требуется последова- тельный просмотр записанной на носителе информации, для чего может потребоваться несколько минут.К важным характеристикам ВЗУ также относятся достоверность функционирования и относительная стоимость устройства.

Обычно достоверность работы ВЗУ оценивается числом правильно воспроизводимых в режиме записи-считывания двоичных знаков на один ошибочный знак. Относительная стоимость ВЗУ определяется как отношение стои- мости устройства к его емкости. Плотность записи информации Основные характеристики ВЗУ прямо зависят от плотности записи информации на носитель. Поверхностная плотность записи информации является произ- ведением продольной плотности записи на поперечную плотность записи.Продольная плотность записи равна числу бит, записываемых на единицу длины дорожки бит мм, бит см или бит дюйм . Поперечная плотность записи равна числу дорожек, приходящихся на единицу длины в направлении, перпендикулярном движению носителя доро- жек мм, дорожек см или дорожек дюйм . Поверхностная плотность записи, таким образом, измеряется числом бит на квадратный милли- метр, квадратный сантиметр или квадратный дюйм 3 - Допустимая продольная плотность записи зависит от характе- ристик магнитного носителя, зазора между носителем и головкой, конструкции головки, способа записи информации и других факторов.

Увеличения поперечной плотности записи можно достигнуть уменьшением ширины дорожки и расстояния между центрами дорожек.

Минимальная ширина дорожки ограничена технологическими трудностя- ми изготовления головок. При уменьшении расстояния между центрами дорожек увеличиваются перекрестные электромагнитные наводки в головках.Наибольшую плотность удается получить при контактной записи, когда магнитный носитель непосредственно соприкасается с голов- кой. Такой способ работы применяется только в устройствах с магнитными лентами и гибкими дисками, так как трение между магнитным носителем и головкой, вызывая их износ, ограничивает допустимую скорость движения носителя относительно головки.

Скорость перемещения носителя влияет на такие важные харак- теристики ВЗУ, как время доступа и скорость передачи информации.С увеличением этой скорости время доступа уменьшается, а скорость передачи информации увеличивается.

В устройствах на жестких дисках для увеличения линейной скорости движения носителя приме- няется бесконтактная запись. Для обеспечения высокой плотности записи зазор между головками и поверхностью диска должен быть минимальным, однако этому препятствуют механические неточности изготовления дисков и температурные деформации.Для уменьшения зазора используются различные аэродинами- ческие эффекты, создающие между головками и диском воздушную подушку толщиной в несколько микрометров.

МЕТОДЫ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ НА МАГНИТНЫЙ НОСИТЕЛЬ Характеристики методов записи 1 относительная плотность записи 2 помехоустойчивость метода 3 способ синхронизации с самосинхронизацией или с внешней синхронизацией 4 наличие или отсутствие потребности в стирании ранее запи- санной информации перед записью новой информации.Все реально используемые методы записи имеют два общих свойства 1 используются потенциальные сигналы, поступающие на голов- ку записи 2 не требуется предварительного стирания ранее записанной информации 4 - Метод записи без возврата к нулю с переключением потока по единицам При записи 1 ток в обмотке записи изменяет направление, и носитель соответственно переходит из состояния насыщения одного знака в состояние насыщения другого знака.

При записи 0 направле- ние тока в обмотке и состояние носителя не меняются.При считыва- нии 1 в обмотке головки индуцируются разнополярные импульсы, а при считывании 0 сигнал с дорожки не поступает.

Поэтому для распознавания информации при считывании необходимы синхросигналы для каждого такта. Этот метод используется только в устройствах на магнитных лентах выделяется специальная дорожка, на которую либо записывают синхросигнал, либо разряд контроля по нечетности. В последнем случае в каждом такте хотя бы с одной дорожки посту- пает сигнал 1, чем достигается самосинхронизация считываемой информации.Метод записи с фазовой модуляцией На границе каждого такта записи происходит смена направления тока в записывающей головке.

Полярность тока изменяется в одном направлении при записи 0, и в противоположном при записи 1. Кроме того логическая схема тракта записи анализирует значение следую- щего записываемого двоичного знака если должен быть записан тот же знак, что и в предыдущем такте, то в середине такта изменяется направление тока записи в головке. При считывании 1 и 0 распозна- ются по полярности импульса ЭДС в первом полутакте.По сравнению с предыдущим, при использовании этого метода частота изменения тока записи увеличивается в 2 раза, но за счет самосинхронизации и более высокой помехозащищенности он обеспечивает большую плот- ность записи.

Этот устаревший метод использовался при работе с гибкими дисками.Метод частотной модуляции FM Ток записи изменяет направление на границе каждого такта записи и, кроме того, посередине такта при записи 1. Таким обра- зом, при записи 1 частота переключения тока вдвое больше, чем при записи 0. При считывании 1 соответствует наличие импульса произ- вольной полярности во втором полутакте, а при считывании 0 - его отсутствие. Этот метод является самосинхронизирующимся.

Метод частотной модуляции применялся ранее в некоторых ЗУ на жестких дисках 5 - Метод записи с модифицированной частотной модуляцией MFM Этот метод обеспечивает самосинхронизацию и более высокую плотность записи, чем описанные ранее методы.Переключение тока в головке при записи 1 всегда происходит в начале такта записи, а при записи 0 - посередине такта, но только в том случае, если следующий записываемый знак также 0. При считывании каждое изме- нение полярности намагничивания индуцирует в обмотке головки импульс той или иной полярности.

Этот импульс соответствует 1, если он совпадает по времени с синхросигналом, и 0 в противном случае.Метод записи с групповым кодированием RLL Для повышения информационной емкости диска необходимо умень- шить отношение объема записываемой на диск синхронизирующей ин- формации к объему полезной информации. Для методов FM и MFM это соотношение составляет 1 1. В методе записи с групповым кодированием вместо синхроим- пульсов используется самосинхронизирующийся код, и отношение объема синхронизирующей информации к полезной составляет 1 4, что позволяет примерно в 1,5 раза увеличить скорость передачи данных и плотность записи информации на диск. Принцип RLL следующий каждый байт поступающих данных разде- ляется на два полубайта, а затем полубайты кодируются специальным 5-разрядным кодом, отличающимся тем, что при записи каждой из кодовых комбинаций происходит по крайней мере одна перемена направления магнитного потока.

При считывании каждые две 5-раз- рядные кодовые комбинации переводятся обратно в двоичные полубай- ты, объединяются и передаются в виде полного байта.

От 5-разрядного кода также требуется, чтобы в любой кодовой комбинации было не более двух стоящих рядом 0, и чтобы в любой комбинации 5-разрядных кодов также было не более двух стоящих ря- дом 0. Из 32 кодовых комбинаций, возможных при 5-разрядном коде, этим условиям удовлетворяет 16. Они и приняты для кодирования по методу RLL 6 - T Шестнадцатиричное число Кодовая группа RLL 0 11001 1 11011 2 10010 3 10011 4 11101 5 10101 6 10110 7 10111 8 11010 9 01001 A 01010 B 01011 C 11110 D 01101 E 01110 F 01111 L ОСНОВНЫЕ ТИПЫ УСТРОЙСТВ ВВОДА-ВЫВОДА ИНФОРМАЦИИ Устройство ввода позволяет вводить в машину данные и прог- раммы.

Устройства вывода служат для вывода из ЭВМ результатов об- работки данных, в том числе для их регистрации и отображения.

Типы устройств ввода информации 1 Ручного ввода клавиатура пульта управления. 2 Полуавтоматического ввода клавиатура дисплея, ручной мани- пулятор мышь , световое перо, сканер, планшет, джойстик, устрой- ство ввода с перфолент, устройство ввода с магнитных носителей. 3 Автоматического ввода читающие автоматы, речевые анализа- торы, устройства ввода с каналов связи, аналого-цифровой преобра- зователи, телетайпы.

Типы устройств вывода информации 1 Устройства фиксации на машинных носителях перфораторы, устройства записи на магнитные носители. 2 Устройства регистрации знакогенерирующие АЦПУ и графи- ческие графопостроители . 3 Устройства наглядного отображения дисплеи и индикаторы. 4 Устройства передачи кодирующие устройства, цифро-аналого- вые преобразователи, модемы, телетайпы.ВТОРОЙ СЕМЕСТР ЛЕКЦИЯ N 7 2ПЕЧАТАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА В зависимости от порядка вывода информации на носитель запи- си различают посимвольные, построчные и постраничные печатающие устройства.

Посимвольные ПУ выводят информацию на носитель записи после- довательно символ за символом, при этом за один цикл печати формируется один знак. Построчные ПУ формируют и выводят за один цикл печати всю строку, а постраничные - всю страницу. По принципу формирования изображений символов на носите.