12. Внутримашинный системный интерфейс. Шины расширений. Локальные шины. Представление числовой информации в компьютере. Работа микропроцессора с внешними устройствами.

 

Внутримашинный системный интерфейс – система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой – представляет собой совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

 

Число возможных подсоединений к тому или иному блоку ограничено числом выводов интегральной схемы.

Число связей желательно сводить к минимуму, так как они составляют главную часть стоимости устройства. Основной способ уменьшения количества соединений в системах заключается в применении шин.

Шины – информационные каналы, используемые совместно несколькими устройствами в системе.

В общем случае информация по шине передается в виде слов, представляющих собой группу битов. Отдельные биты слова могут передаваться по отдельным линиям в шине, а могут передаваться  и по единственной линии последовательно  во времени. В первом случае шины называют параллельными, а во втором – последовательными.

 

Существует два варианта организации внутримашинного интерфейса:

1.      Многосвязный интерфейс: каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами; применяется как правило, только в простейших бытовых ПК.

2.      Односвязный интерфейс: все блоки ПК связаны с друг с другом через общую или системную шину.

 

В подавляющем большинстве современных ПК в качестве системного интерфейса используется системная шина.

Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает в себя:

-  Кодовую шину данных (КШД), содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

-  Кодовую шину адреса (КША), включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

-  Кодовую шину инструкций (КШИ), содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки машины;

-  Шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

 

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1)      Между МП и основной памятью;

2)      Между МП и портами ввода-вывода внешних устройств;

3)      Между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

 

Все блоки через соответствующие унифицированные разъемы подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется МП либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему – контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.

Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются:

-        Количество обслуживаемых ею устройств;

-        Пропускная способность, то есть максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает.

 

В качестве системной шины в разных ПК использовались и могут использоваться:

-        Шины расширений – шины общего назначения, позволяющие подключить большое число самых разнообразных устройств;

-        Локальные шины, специализирующиеся на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса.

 

Шины расширений (ISA, EISA, MCA)

Как и следует из названия, шины расширения (Expansion Bus) предназначены для подключения различных адаптеров периферийных устройств, расширяющих возможности компьютера.

Интерфейсы шин расширения PC начали свою историю с 8-битной шины ISA. Самая распространенная шина для периферийных адаптеров. С появлением 32-битных процессоров делались попытки расширения разрядности шины, но все 32-битные шины ISA не являются стандартизованными, кроме шины EISA.
EISA Bus (Extended ISA) - жестко стандартизованное расширение ISA до 32 бит. Конструктивное исполнение обеспечивает совместимость с ней и обычных ISA-адаптеров Эта довольно дорогая шина распространена не так широко. Шина MCA, выдвинутая фирмой IBM как прогрессивная альтернатива ISA, не была поддержана производителями клонов PC. Шина MCA абсолютно несовместима с ISA/EISA и другими адаптерами. В результате она практически отмерла.

 

Локальные шины (VLB)

Современные вычислительные системы характеризуются:

·   стремительным ростом быстродействия микропроцессоров (например, МП Pentium может выдавать данные со скоростью 528 Мбайт/с по 64-разрядной шине данных) и некоторых внешних устройств (так, для отображения цифрового полноэкранного видео с высоким качеством необходима пропускная способность 22 Мбайт/с);

·   появлением программ, требующих выполнения большого количества интерфейсных операций (например, программы обработки графики в Windows, работа в среде Multimedia).

В этих условиях пропускной способности шин расширения, обслуживающих одновременно несколько устройств, оказалось недостаточно для комфортной работы пользователей, ибо компьютеры стали подолгу "задумываться".

Разработчики интерфейсов пошли по пути создания локальных шин, подключаемых непосредственно к шине МП, работающих на тактовой частоте МП (но не на внутренней рабочей его частоте) и обеспечивающих связь с некоторыми скоростными внешними по отношению к МП устройствами: основной и внешней памятью, видеосистемами и др.

VLB (VESA Local Bus) - стандартизованная 32-битная локальная шина.

 

Шина - PCI.

PCI (Peripheral Component Interconnect bus) - шина соединения периферийных компонентов. Эта шина занимает особое место в современной PC-архитектуре (mezzanine bus), являясь мостом между локальной шиной процессора и шиной ввода-вывода ISA/EISA или MCA. Ее иногда называли локальной, но это неверно. Она является новым "этажом" в архитектуре PC, к которому подключаются шины типа ISA/EISA. Воспринимаемая поначалу как некоторая экзотика, шина PCI укрепила свои позиции и сейчас является стандартной для компьютеров с процессорами 4, 5 и 6 поколений. Более того, она используется и в компьютерах "не-PC" - Power PC и некоторых других мощных платформах.

 

Сравнительные технические характеристики некоторых шин приведены в таблице.

 

Системы счисления и формы представления чисел

Информация в ЭВМ кодируется, как правило, в двоичной или в двоично-десятичной системе счисления.

Система счисления - это способ наименования и изображения чисел с помощью символов, имеющих определенные количественные значения.

В зависимости от способа изображения чисел системы счисления делятся на позиционные и непозиционные.

В позиционной системе счисления количественное значение каждой цифры зависит от ее места (позиции) в числе. В непозиционной системе счисления цифры не меняют своего количественного значения при изменении их расположения в числе. Количество (Р) различных цифр, используемых для изображения числа в позиционной системе счисления, называется основанием системы счисления.

Пример. Позиционная система счисления - арабская десятичная система, в которой: основание P=10, для изображения чисел используются 10 цифр (от 0 до 9). Непозиционная система счисления - римская, в которой для каждого числа используется специфическое сочетание символов (XIV, CXXVII и т.п.).

Двоичная система счисления имеет основание Р=2 и использует для представления информации всего две цифры: 0 и 1. Существуют правила перевода чисел из одной системы счисления в другую, основанные в том числе и на соотношении (1).

Пример.

101110,101₍₂₎ =1*2⁵+0*2⁴+1*2³+l*2²+1*2¹+0*2⁰+l*2^-1+0*2^-2+l*2^-3=46,625₍₁₀₎ ,

В вычислительных машинах применяются две формы представления двоичных чисел:

• естественная форма или форма с фиксированной запятой (точкой);

• нормальная форма или форма с плавающей запятой (точкой).

С фиксированной запятой все числа изображаются в виде последовательности цифр с постоянным для всех чисел положением запятой, отделяющей целую часть от дробной.

Эта форма наиболее проста, естественна, но имеет небольшой диапазон представления .

Если в результате операции получится число, выходящее за допустимый диапазон, происходит переполнение разрядной сетки, и дальнейшие вычисления теряют смысл. В современных ЭВМ естественная форма представления используется как вспомогательная и только для целых чисел.

С плавающей запятой каждое число изображается в виде двух групп цифр. Первая группа цифр называется мантиссой, вторая- порядком, причем абсолютная величина мантиссы должна быть меньше 1, а порядок - целым числом. В общем виде число в форме с плавающей запятой может быть представлено так:

N=±MP^±r, где М-мантисса числа (|М| < 1); r- порядок числа (r- целое число); Р- основание системы счисления.

Пример 4.5. Числа в нормальной форме запишутся так:

+0,721355*10³; +0,328* 10^-3; -0,103012026*10⁵.

Нормальная форма представления имеет огромный диапазон отображения чисел и является основной в современных ЭВМ.

Знак числа обычно кодируется двоичной цифрой, при этом код 0 означает знак "+", код 1 -знак "-".

Для алгебраического представления чисел (т.е. для представления положительных и отрицательных чисел) в машинах используются специальные коды: прямой, обратный и дополнительный. Причем два последних позволяют заменить неудобную для ЭВМ операцию вычитания на операцию сложения с отрицательным числом, дополнительный код обеспечивает более быстрое выполнение операций, поэтому в ЭВМ применяется чаще именно он.

Двоично-десятичная система счисления получила большое распространение в современных ЭВМ ввиду легкости перевода в десятичную систему и обратно. Она используется там, где основное внимание уделяется не простоте технического построения машины, а удобству работы пользователя. В этой системе счисления все десятичные цифры отдельно кодируются четырьмя двоичными цифрами и в таком виде записываются последовательно друг за другом.

Пример. Десятичное число 9703 в двоично-десятичной системе выглядит так:

1001011100000011.

При программировании иногда используется шестнадцатеричная система счисления, перевод чисел из которой в двоичную систему счисления весьма прост - выполняется поразрядно (полностью аналогично переводу из двоично-десятичной системы).

Для изображения цифр, больших 9, в шестнадцатеричной системе счисления применяются буквы А=10, В=11, С=12, D=13, Е=14, F=15.

Пример. Шестнадцатеричное число F17B в двоичной системе выглядит так:

1111000101111011.

Варианты представления информации в ПК

Основные структурные единицы памяти компьютера – бит, байт, машинное слово. Все данные в компьютере имеют вид двоичного кода. Ячейка памяти, хранящая один двоичный знак называется битом. Наибольшую последовательность бит, которую процессор может обработать как единое целое называется машинным словом.

Для удобства работы введены следующие термины, обозначающие совокупности двоичных разрядов (табл.). Эти термины обычно используются в качестве единиц измерения объемов информации, хранимой или обрабатываемой в ЭВМ.

 

Пример. Структурно запись числа -193₍₁₀₎=-11000001₍₂₎ в разрядной сетке ПК выглядит следующим образом.

Число с фиксированной запятой  со знаком:

 

Число с плавающей запятой:

 

Код ASCII (American Standard Code for Information Interchange - Американский стандартный код для обмена информацией) имеет основной стандарт и его расширение (табл.).Основной стандарт для кодирования символов использует шестнадцатеричные коды 00-7F,расширение стандарта - 80 -FF. Основной стандарт является международным и используется для кодирования управляющих символов, цифр и букв латинского алфавита; в расширении стандарта кодируются символы псевдографики и буквы национального алфавита (естественно, в разных странах разные).

Таблица. Таблица кодов ASCII

 

Представление целых чисел

Чтобы получить внутреннее представление целого положительного числа, хранящегося в k-разрядном машинном слове нужно:

1)      Перевести число в двоичную систему;

2)      Результат дополнить слева незначащими нулями до k разрядов.

Для записи внутреннего представления целого отрицательного числа необходимо:

1)      Получить внутреннее представление положительного числа;

2)      Получить обратный код этого числа с заменой 0 на 1 и 1 на 0.

3)      К полученному числу к его младшему разряду прибавить единицу. Полученная форма числа называется дополнительным кодом.

 

Представление вещественных чисел

Внутреннее представление вещественных чисел сводится к представлению пары целых чисел, которыми являются мантисса и порядок.

Для записи внутреннего представления вещественного числа надо:

1)      Перевести модуль числа в двоичную СС с k значащими цифрами;

2)      Нормализовать двоичное число;

3)      Найти машинный порядок в двоичной СС;

4)      Учитывая знак числа выписать его представление в k-разрядное машинное слово.

Работа микропроцессора с внешними устройствами.

Способ приема и передачи данных МП внешним устройствам зависит от конструкции ЭВМ:

- Устройства ввода-вывода включается в общее адресное пространство;

- Устройства ввода-вывода имеют собственное адресное пространство.

В первом случае при обращении к определенным адресам памяти вместо обмена с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) происходит аппаратное подключение того или иного внешнего устройства.

Во втором случае внешние устройства образуют отдельное адресное пространство, обычно значительно меньшее, чем у ОЗУ. Каждая ячейка этого дополнительного адресного пространства называется портом. Каждому внешнему устройству обычно соответствует несколько портов.

На одном и том же компьютере могут встречаться оба способа адресации устройств ввода-вывода одновременно.

Пример. Обмен с подключенным к ЭВМ печатающим устройством производится через два основных порта – порт состояния и порт данных. В первом хранится информация о состоянии устройства в данный момент времени, а во второй МП помещает данные для вывода на бумагу. Наиболее важным из выходных сигналов, которые через порт от МП передаются печатающему устройству, является бит, свидетельствующий о готовности информации в порту данных к передаче. Этот управляющий сигнал часто называют стробом.