Микросхемы процессоров

Все современные процессоры размещаются на одной микросхеме. Это определяет способ взаимодействия процессора с остальными частями ЭВМ.

Каждая микросхема процессора содержит набор выводов, через которые происходит обмен информацией с другими устройствами.

Выводы микросхемы центрального процессора можно подразделить на три типа:

· адресные,

· информационные и

· управляющие.

Эти выводы связаны с соот­ветствующими выводами на микросхемах памяти и микросхемах устройств вво­да-вывода через набор параллельных проводов (так называемую шину).

Чтобы вызвать команду, центральный процессор сначала посылает в память адрес этой команды по адресным выводам.

Затем он задействует одну или несколько линий управления, чтобы сообщить памяти, что ему нужно, например, прочитать слово.

Память выдает ответ, помещая требуемое слово на информационные выводы процессора и посылая сигнал о том, что это сделано.

Когда центральный процес­сор получает этот сигнал, он считывает слово и выполняет вызванную команду.

Команда может требовать чтения или записи слов, содержащих данные. В этом случае весь процесс повторяется для каждого дополнительного слова.

Таким образом, центральный процессор обменивается информацией с памятью и устройствами ввода-вывода, подавая сигналы на выводы и принимая сигналы на входы. Другого способа обмена информацией не существует.

Число адресных выводов и число информационных выводов — два ключевых параметра, которые определяют производительность процессора.

Микросхема, содержащая т адресных выводов, может обращаться к 2^т ячейкам памяти. Обычно т равно 16, 20, 32 или 64.

Микросхема, содержащая п информационных выводов, может считывать или записывать п -разрядное слово за одну операцию. Обычно п равно 8. 16. 32, 36 или 64.

Центральному процессору с 8 информаци­онными выводами чтобы считать 32-разрядное слово потребуется 4 операции. Процессор, имеющий 32 информационных вывода, может сделать ту же работу врамках одной операции.

Следовательно, микросхема с 32 информаци­онными выводами работает гораздо быстрее, но и стоит гораздо дороже.

Помимо адресных и информационных выводов, каждый процессор содержит управляющие выводы. Эти выводы позволяют регулировать и синхронизиро­вать поток данных к процессору и от него, а также выполнять другие функции.

Все процессоры содержат выводы для питания (обычно +3,3 В или +5 В), земли и синхронизирующего сигнала (меандра). Остальные выводы разнятся от про­цессора к процессору. Тем не менее, управляющие выводы можно разделить на несколько основных категорий:

· управление шиной

· прерывания;

· арбитраж шины;

· сигналы сопроцессора;

· состояние;

· прочие

Схема типичного центрального процессора, в котором ис­пользуются эти типы сигналов, изображена на рис. 3.32.

Эти сигналы позволяют сообщить памяти или УВВ тип выполняемой процессором операции - чтение или запись данных.

Выводы прерывания — это входы обеспечивают прием в процессор сигналов из устройств ввода-вывода.

В большинстве систем процессор может дать сигнал устройству ввода-вывода начать операцию, а затем приступить к какому-нибудь другому действию, пока устройство ввода-вывода выполняет свою работу.

Когда устройство ввода-выво­да заканчивает свою работу, контроллер ввода-вывода может посылает сигнал на один из выводов прерывания, чтобы прервать работу процессора и заставить его обслужить уст­ройство ввода-вывода (например, считать данные, проверить ошибки ввода-вывода). Некоторые процессоры содержат выходной вывод, призванный подтверждать получение сигнала прерывания.

Выводы арбитража шины нужны для того, чтобы регулировать поток инфор­мации в шине, то есть не допускать таких ситуаций, когда два устройства пыта­ются воспользоваться шиной одновременно. В плане арбитража центральный процессор считается просто одним из устройств.

Некоторые центральные процессоры могут работать с различными сопроцес­сорами (например, с графическими процессорами, процессорами для обработки данных в формате с плавающей точкой и т. п.). Чтобы обеспечить обмен информацией между процессором и сопроцессором, используются специальные выводы.

Помимо этих выводов, у некоторых процессоров есть дополнительные выводы. Одни из них выдают или принимают информацию о состоянии процессора, другие используются для перезагрузки компьютера, третьи призваны обеспечивать совместимость со старыми микросхемами устройств ввода-вывода.

Шины

Типичное устройство ПК представляет собой металлический корпус (системный блок) в котором размещена большая электронная плата, которую на­зывают материнской платой(или сис­темной платой).

Материнская плата содержит микросхему процессора, несколько разъемов для модулей оперативной памяти и различные вспомогательные микросхемы.

На материнской плате располагаются шина (она тянется вдоль платы) и несколь­ко разъемов для подсоединения устройств ввода-вывода.

У данного компьютера имеется одна шина для соединения центрального процессора, памяти и устройств ввода-вывода; однако большинство современных ПК имеют две и более шины.

Каждое устройство ввода-вывода состоит из двух частей: одна объединяет большую часть электроники и называется контроллером,а другая представляет собой само устройство ввода-вывода, например дисковод.

Контроллер обычно располагается на плате, которая вставляется в свободный разъем системной платы.

Исключение представляют собой встроенные контроллеры устройств, являющихся неотъемлемыми со­ставными частями компьютера (например, клавиатуры, дисплея), которые распо­лагаются на материнской плате.

Контроллер управляет своим устройством ввода-вывода и для этого использует доступ к шине.

Например, если программа запрашивает данные с диска, она посылает команду контроллеру диска, который затем отправляет диску команду поиска данных.

После считывания данных диск начинает передавать контроллеру информацию в виде потока битов. Задача контроллера состоит в том, чтобы разбить поток битов на блоки (байты, слова) и записы­вать каждый такой блок в память.

Если контроллер считывает данные из памяти или записывает их в память без уча­стия центрального процессора, то говорят, что осуществляется прямой доступ к памяти (ПДП)(Direct Memory Access, DMA).

Когда передача данных заканчивается, контроллер вызывает прерывание,вынуждая центральный процессор приоста­навливать работу текущей программы и начинать выполнение программы обработки прерываний.

Эта программа проверяет, наличие ошибок, в случае их обнаружения выполняет необходимые действия по их устранению, а также и сообщает операционной системе о завершении, процесса ввода-вывода.

Когда программа обработки прерывания завершается, процес­сор возобновляет работу программы, которая была приостановлена в момент прерывания.

Шина используется не только контроллерами ввода-вывода, но и процессо­ром для передачи команд и данных.

В этом слу­чае если процессор и кон­троллер ввода-вывода хотят получить доступ к шине одновременно особая микросхема, которая называется арбитром шины,решает, чья очередь первая.

Обычно предпочтение отдастся устройствам ввода-вывода, поскольку работу дисков и других движущихся устройств нельзя прерывать, так как это может привести к потере данных.

Когда ни одно устройство ввода-вывода не функционирует, центральный процессор может полностью распоряжаться ши­ной для взаимодействия с памятью.

Однако если работает какое-нибудь устрой­ство ввода-вывода, оно будет запрашивать доступ к шине и получать его каждый раз, когда ему это необходимо. Этот процесс, который притормаживает работу компьютера, называется захватом цикла памяти(cycle stealing).

Описанная структура успешно использовалась в первых персональных ком­пьютерах, поскольку все их компоненты работали с примерно одинаковой скоро­стью. Одной из таких широко использовавшихся шин была шиной ISA(Industry Standard Architecture — стандартная промышленная архитек­тура).

Однако как только центральные процессоры, память и устройства ввода-вывода стали работать быстрее, шина перестала справляться с нагрузкой.

В результате начали производить компьютеры с несколь­кими шинами, одной из которых была либо прежняя шина ISA, либо шина EISA(Extended ISA — расширенная стандартная промышленная архитектура),как и ISA, совместимая со старыми устройствами ввода-вывода.

В настоящее время самой популярной моделью шин является шина PCI(Peripheral Component Interconnect — взаимодействие периферийных компо­нентов),разработанная компанией Intel.

В такой конфигурации центральный процессор взаимодействует с контроллером памяти по выделенному высокоскоростному соединению – шина памяти.

Таким образом, процессор соединяется с памятью непосредствен­но, то есть передача данных между центральным процессором и памятью проис­ходит не через шину PCI.

Высокоскоростные периферийные устройства» например видеоадаптер, могут подсоединяться прямо к шине PCI.

Кроме того, шина PCI имеет параллельное соединение с шиной ISA, чтобы можно было ис­пользовать контроллеры ISA соответствующих устройств.

Машина такого ти­па обычно содержит 3 или 4 пустых разъема PCI и еще 3 или 4 пустых разъема ISA, чтобы покупатели имели возможность вставлять как старые платы вво­да-вывода ISA (для низко скоростных устройств), так и новые карты PCI (для высокоскоростных устройств¹).

В современных ПК шина ISA уже не используется.