Организация архитектуры персонального компьютера

Архитектура компьютера ( по Фон-Нейману)

Архитектура компьютера (Фон-Неймана)
Процессор
Память
Устройства ввода – вывода и хранения (периферийные устройства ПУ)
Контроллеры шин устройств ввода вывода и хранения (контроллеры ввода-вывода)
Системные контроллеры
Шина ввода-вывода – связывает процессор с контроллером ПУ и системными контроллерами
Периферийное устройство преобразует информацию, понятную человеку в информацию, понятную компьютеру.

Обобщенная архитектура процессора

Работа процессора
В счетчик команд заносится адрес ячейки памяти, содержащий первую команду программы.
Адрес поступает в регистр адреса памяти и храниться там на время обращения к памяти

Работа процессора
Адрес команды через регистр адреса поступает на шину адреса памяти.
По сигналу управления процессор считывает команду, находящуюся по этому адресу на шину данных и записывает её в регистр данных процессора.

Работа процессора
Из регистра данных текущая команда поступает в регистр команды. Там команда дешифруется и анализируется устройством управления.
В зависимости от кода операции Устройство управления вырабатывает управляющие сигналы для управления внутренними элементами процессора.

Работа процессора
Если машинная команда использует данные из памяти, УУ определяет их адреса и вырабатывает сигналы для чтения данных из памяти во внутренние регистры.

Работа процессора
Содержимое счетчика команд во время выполнения текущей команды увеличивается на длину команды и в нем уже содержится адрес следующей команды.

Работа процессора
АЛУ выполняет операцию над данными, находящимися в регистрах и сохраняет результат в аккумуляторе.

Работа процессора
В регистре слова состояния программы устанавливаются признаки выполнения команды

Работа процессора
Считывается следующая команда и цикл повторяется.

Шина или аппаратный интерфейс
Набор аппаратных средства и правила обмена (протоколов), обеспечивающих взаимосвязь устройств между собой
Физически шина состоит из отдельных линий.
Линия шины – это электрический проводник (провод, линия печатного монтажа), по которому распространяется электрический сигнал.
Одна шина может состоять из нескольких подшин, каждая из которых соответствует своему функциональному назначению (шина адреса, шина данных, шина управления и.т.д.)

Классификация интерфейсов
По способу передачи данных.
Параллельные
Одновременная передача всех разрядов (байта, слова и др.) по линиям интерфейса.
Имеет столько линий сколько одновременно передается разрядов.
Последовательные
Последовательная передача бит данных.
Данные передаются пакетами
Для передачи данных требуется минимум две физические линии.
Последовательно - параллельные
Параллельная передача пакетов по нескольким последовательным шинам.

По направлению обмена:
Симплексные – только передача или прием в одну сторону
Теле и радио вещание.
Полудуплексные – передача или прием в обе стороны, но в разные моменты времени, по одной и той же линии.
Радиосвязь
Дуплексные – передача и прием в обе стороны одновременно. Требуются отдельные линии для передачи и приема в каждую сторону.
По способу обмена данными:
Синхронные (данные передаются со специальными синхронизирующими сигналами )
Асинхронные (данные передаются без синхросигналов)
Классификация интерфейсов

Классификация интерфейсов
По способу реализации:
Внутренние - для связи электронных модулей внутри материнской платы:
Системная шина - для связи процессора и памяти
Шина ввода –вывода - для связи процессора с контроллерами интерфейсов устройств ввода вывода (ISA, PCI, PCI-Express).
Внешние (интерфесы ПУ) – для подключения внешних устройств к контроллерам интерфейсов устройств ввода вывода и хранеия

Контроллер интерфейса ввода вывода
ПУ не может подключиться напрямую к процессору
КВВ - промежуточное устройство, которое преобразует сигналы шины ввода вывода процессора в сигналы интерфейса периферийного устройства и управляет работой ПУ.

Контроллер ввода-вывода
Содержит, как правило, группу регистров, называемых ПОРТАМИ ввода-вывода.
Типичный состав регистров/портов:
Регистр состояния – хранит текущее состояние контроллера В/В (готов/не готов);
Регистр команд –хранит команды управления контроллером В/В
Регистр данных – для передачи или приема данных;
Регистр адреса – хранит базовый адрес заданный контроллеру
Каждый регистр имеет уникальный адрес на шине ввода вывода процессора, по которому процессор может к нему обращаться.
Адрес регистра состоит из суммы базового адреса назначенного контроллеру ввода вывода + смещение, которое определяет номер регистра в контроллере (30h, 31h, 32h);
Буфер памяти
Временно хранит данные, принимаемые(передаваемые) периферийному устройству.
Служит для выравнивания скоростей работы процессора и ПУ

Одно адресное пространство
Адреса портов отображаются на адресное пространство памяти MMIO – Memory Mapped IO
Каждому регистру, как ячейке памяти, выделен уникальный адрес в общем поле памяти, который физически располагается в контроллере ввода-вывода.
Адресация портов контроллеров на шине ввода – вывода
Для обращения к портам используются те же команды, что и для
обращения к памяти
MOV, LODSB,..

Для обращения к портам используются специальные инструкции .
in ACCUM, PORT;
out PORT, ACCUM;
Адресация портов контроллеров на шине ввода - вывода
Два адресных пространства
Для адресации портов используется отдельное адресное пространство.
Для х86 оно составляет 64 Кбайта (16 бит)
PMIO – Port Mapped IO

Используется в х86;
Внутренняя память (буфер) контроллера (если имеется) , находится в адресном пространстве памяти, а адресам портов ввода вывода отводится отдельное адресное пространство.
Гибридный вариант
Адресация портов контроллеров на шине ввода - вывода

Memory Mapped IO

ОРГАНИЗАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ АРХИТЕКТУРЫ НА БАЗЕ ПРОЦЕССОРА Х8086

Intel 8008
Intel 8008 (апрель 1972 )
первый 8-битный процессор, для продвинутых калькуляторов, терминалов ввода-вывода;
Тактовая частота процессора – 500 – 800 Кгц

Intel 8080
Intel 8080 (апрель 1974 года ) — 8-битный микропроцессор
Количество регистров: 7
Разрядность регистров: 8 бит
Разрядность шины данных: 8 бит
Разрядность шины адреса: 16 бит
Объём адресуемой памяти: 64 Кбайт
Количество инструкций: 80
Количество транзисторов 4758
Тактовая частота 2 – 4Мгц
Altair-8800.
Отечественный аналог – микропроцессорный комплект серии 580ВМ80

Микропроцессорный комплект
К процессору i8080 компанией Intel был выпущен микропроцессорный комплект поддержки (Сhipset ) в составе:
8259 — контроллер прерываний;
8257 — контроллер прямого доступа в память;
8253 — 3-канальный таймер/счётчик;
8251 — микросхема последовательного интерфейса;
8255 — микросхема трёхканального параллельного интерфейса;
8271 — контроллер накопителя на гибких магнитных дисках;
8275 — контроллер монитора;
8355 — микросхема интерфейса с периферией (с 16 Кбайт ПЗУ).
8216/8226 — шинные формирователи с большой нагрузочной способностью;
8224 — тактовый генератор;
8232 — процессор чисел с плавающей запятой (позднее был заменен на сопроцессор Intel 8087);

Intel 8086
Intel 8086 (июнь 1978)
Количество регистров: 14
Разрядность регистров: 16 бит
Разрядность шины данных: 16 бит
Разрядность шины адреса: 20 бит
Объём адресуемой (адресное пространство) памяти: 1 Мбайт
Адресное пространство I/O: 64 Кбайт
Количество инструкций: 98
Кэш-буфер команд: 6 байт
Количество транзисторов: 29 000

8086

Intel 8088
Intel 8088 (июль 1979)
Количество регистров: 14
Разрядность регистров: 16 бит
Разрядность шины данных: 8 бит
Разрядность шины адреса: 20 бит
Объём адресуемой памяти: 1 Мбайт
Адресное пространство I/O: 64 Кбайт
Количество инструкций: 98
Тактовая частота 5 -10 Мгц.

Структурная схема i8086

Формирование физического адреса команд и данных (реальный режим)
Физический адрес = сдвинутое на 4 разряда значение сегментного регистра + смещение;
Внутренняя шина и регистры - 16 бит
Внешняя шина адреса памяти - 20 бит

Назначение выводов х8086

Машинный цикл процессора (чтение/запись )
Машинный цикл чтения / записи занимает четыре такта генератора
Частота тактового генератора 2-6 МГЦ

Минимальный режим
Минимальный – сигналы управления внешней шиной
вырабатывает один процессор

Максимальный режим
Мультипроцессорный режим - для подключения нескольких процессоров (сопроцессора) к общей шине .
Сигналы управления внешней шиной вырабатывает специальный контроллер шины.

Структурная схема IBM PC XT
Сигнал CS =0 переводит выходы соответствующего контроллера из третьего
состояния (выводит его из состояния «спячки»)

Схема включения процессора
RGA – регистр адреса
Служит для хранения адреса памяти или порта В/В на ША в течение времени обращения процессора по данному адресу.
Усилитель
служит для выбора направления передачи данных от процессора или к процессору и усиления сигналов данных на ШД
DS1
дешифрирует разряды А5-А9 адреса для выбора контроллера В/В (базовый адрес). Выходы дешифратора в виде сигналов CS (Chip Select ) подаются на аналогичные входы контроллеров ввода-вывода.
Смещение относительно базового адреса задается разрядами А0-А4 адреса, поступающими на адресные входы выбранных контроллеров.
DS2
дешифрирует сигналы R, W, М/IO процессора в сигналы на ШУ MR, MW, RIO, WIO для записи/чтения ячейки памяти или выбранного сигналом CS регистра контроллера ввода-вывода
КПДП – контроллер прямого доступа к памяти

Обобщенная схема

Контроллер прямого доступа к памяти КПДП
запись в регистры

Контроллер прерываний и трехканальный таймер

Программируемы параллельный интерфейс
ROM, RAM

Слоты расширения

Контроллер прямого доступа
Контроллер прямого доступа к памяти (DMA - Direct Memory Access) обеспечивает высокоскоростной обмен данными между контроллером ввода-вывода и ОЗУ без участия центрального процессора.
Позволяет освободить процессор для выполнения вычислений параллельно с обменом.
Функции контроллера ПДП выполняла микросхема i8237А

Контроллер ПДП
Регистры RGP1 и RGP2 служат для расширения адреса до 20 бит.

Основные сигналы
DRQ – запрос от устройства к КПДП на ПДП
HOLD – запрос от КПДП к процессору на захват шины
HLDA – ответ процессора КПДП и отключение от шины
DACK – захват шины КПДП и разрешение устройству ПДП
А0-А7, А9-А15 - адрес выставляемый КПДП
IOR,IOW,MR,MW – запись чтение устройства и памяти.
D0-D7 – данные
DMA CS – сигнал CS от выбор

Диаграмма работы
Контроллер может работать в режиме передачи блока данных
и в режиме одиночной передачи.
Контроллер ПДП может быть выполнен в виде отдельного устройства (системный КПДП) или в виде внутреннего устройства соответствуюещего контроллера ввода вывода (контроллера HDD, USB и др,. т.е. может быть несколько )

Внутренние регистры
Адреса регистров в диапазоне 00h – 0Fh

Последовательность передачи при ПДП
на примере контроллера HDD

Инициализация контроллера DMA
Процессор «знает» с какой областью памяти работает внешнее устройство (начальный адрес области памяти и количество передаваемых байт)
При инициализации КПДП задается :
начальный адрес оперативной памяти для обмена;
число передаваемых байт;
направление обмена, а также устанавливаются требуемые режимы работы (одиночная или блочная передача и т. д.).

Последовательность операций при ПДП
1. Инициализация контроллера
2. Принять Запрос (DRЕQ) на ПДП от контроллера HDD к контроллеру ПДП
3. Выставить запрос (HRQ) от контроллера ПДП к процессору на захват шины
4. Ответ процессора (HLDA) контроллеру ПДП (процессор переводит свои выводы в третье состояние и отключается от ША, ШД, ШУ)
5. Контроллер ПДП берет на себя управление шинами и выставляет адрес памяти на шину адреса и передает сигнал ответа DACK N в контроллер HDD
6. Контроллер ПДП последовательно вырабатывает сигналы IOR и MEMW при записи в память и IOW и MEMR при чтении памяти. Байт данных переписывается напрямую из буфера КВВ HDD в ОП.
7. Пункты 5-6 повторяются пока не будут переданы все данные, количество которых задано в КПДП.
8. Контролер ПДП вырабатывает запрос на прерывание по окончании передачи

Внутренняя структура

Каскадирование контроллеров ПДП

Каналы ПДП для РС ХТ
В РС ХТ на нулевой канал КПДП каждые 15 мкс подается сигнал от первого канала таймера, по которому КПДП совершает «перебор» ячеек ОП для регенерации их содержимого.

Контроллер прерываний i8259
IRQ0-IRQ7 входы запросов на прерывание
INTCS – выбор чипа контроллера прерываний от дешифратора базового адреса
INT – запрос на прерывание к процессору
INTА – ответ процессора
А0 – выбор внутренних регистров, RD/WR – запись/чтение
D0-D7 шина данных,

Контроллер прерываний i8259

Внутренние регистры
Регистр запросов IRR ( Interrupt request register ) – запоминает все запросы на входе IRQ.
Регистр состояния ISR ( Interrupt Status Register ) – задает приоритет обработки прерываний
Регистр маскирования IMR ( Interrupt Mask Register ) – запрещает отдельные прерывания
Адреса регистров
ISR: 20H
IMR:21H
Обращение к IRR с помощью специальных управляющих слов

Временная диаграмма

Порядок операций при прерывании
1. Инициализация контроллера
2. Контроллер устройства В/В вырабатывает сигнал запроса на прерывание, который поступает на входы IRQ0-IRQ7 КПР
3. КПР вырабатывает сигнал запроса на прерывание INTR процессору, который поступает на соответствующий вход процессора
4. Процессор в ответ вырабатывает два раз сигнал подтверждения прерывания INT A контроллеру В/В.
Первый раз биты запроса на прерывание фиксируется в регистре запросов IRR.
Второй раз номер прерывания (вектора) по шине данных считывается в процессор, разрешая запись новых запросов прерываний IRR.
5. В процессоре номер вектора умножается на 4 (сдвигается влево на два бита) и получается адрес в таблице векторов прерываний, по которому хранится адрес начала обработчика прерываний.

Приоритеты прерываний
IRQ# Номер вектора Устройство
0 08h Системный таймер
1 09h Клавиатура
2 0Ah Зарезервировано(2-ой 8259)
3 0Bh Последовательный порт(COM1)
4 0Ch Последовательный порт(COM2)
5 0Dh Жесткий диск
6 0Eh Дисковод
7 0Fh Принтер(LPT1)
В реальном режиме для обработки прерываний IRQ0-IRQ7 используются номера прерываний от 08h до 0Fh.
Немаскируемые прерывания (HMI)
1) От сопроцессора
2) Ошибки паритета памяти
3) От контролеров внешних устройств, размещенных в слотах расширения

Инициализация контроллера
Программирование i8259 осуществляется двумя типами управляющих слов:
Командные слова инициализации ICW (Initialization Command Word) ICW1-ICW3 загружаются перед началом работы и устанавливают режим работы контроллера:
Количество каскадно-соединенных контроллеров
Тип процессора
Начальный вектор блока векторов прерываний (для диапазона 08h – 0Fh загружается 08h )
И др.
Командные слова операций OCW (Operation Command Word). Для оперативного управления работой контроллера.
Управление приоритетом прерываний
Управление логикой контроллера (например, чтение и сброс битов регистра IRR )

Каскадирование контроллеров

Трехканальный таймер
040h - нулевой канал
041h – первый канал
042h - второй канал
043h – для задания режимов работы каналов таймера.

Таймер i8253
Каждый канал представляет собой независимый счетчик с программно-управляемым коэффициентом пересчета, который может работать в шести режимах

Трехканальный таймер i8253 для РС ХТ
Нулевой канал
Используется для ведения системного времени, вызывая каждую 1/18 секунды прерывание процессора и запуская программу, увеличивающую содержимое четырех байт памяти (начиная с адреса 046Сh) на 1.
Первый канал
Каждые 15мкс обращается к каналу контроллера ПДП и запускает процедуру регенерации ОЗУ.
Второй канал
Генерирует частоту, выдаваемую на звуковую головку для генерации звуковых сигналов. (например, при ошибках памяти )

PPI (Programmable Parallel Interface) i8255A.
Код нажатой клавиши запоминается в специальном регистре и по нему вырабатывается
запрос на прерывание, который поступает на вход IRQ1, контроллера прерываний

Структурная схема i8255

Программируемый параллельный интерфейс
PPI (Programmable Parallel Interface) i8255A.
Включает три двунаправленных байтовых порта (А, В и С).
Порт А (адрес 60h)
Для чтения поступающего с клавиатуры сканкода нажатой клавиши (после нажатия клавиши, возникает прерывание IRQ1 по которому обработчик считывает с порта А код нажатой клавиши)
Порт В (адрес 61h)
Для вывода управляющих сигналов различного назначения (например для разрешения или запрещения звуковых сигналов).
Порт С (адрес 62h)
используется BIOS и ОС для чтения свитчей конфигурации оборудования системы. Позже эта функция перенесена в CMOS – память BIOS
Позже микросхема i8255 использовалась в качестве параллельного порта (LPT интерфейса) для подключения различных устройств (например, принтера)

Универсальный последовательный синхронно-асинхронный приемо-передатчик i8251 (COM порт)
USART – Universal Synchronous/Asynchronous Resiver/Тransmitter
Реализует синхронно-асинхронными канал последовательной связи для подключения различных устройств (например, модемов).
В некоторых моделях использовался для подключения мышки и других устройств.
В настоящее время в архитектуре ПК заменен USB.
Широко используется во встроенных системах в силу своей простоты.

Структурная схема
В состав входят передатчик, приемник, буфер шины
данных и схемы управления передатчиком, приемником

Cтруктура шина ISA
Проц.
ОЗУ
Сист. К
Кон. Пр.
К П Д П
Кон.В-В
Кон.В-В
ISA
ШД
ШУ
ША
Industry Standart Architecture