Шина адреса, раздельные и объединенные адресные пространства памяти и устройств ввода-вывода

Шина адреса – шина МПС, используемая микропроцессором или устройствами, способными формировать адрес, для указания физического адреса слова ОЗУ (или начала блока слов) либо внешнего устройства, к которому активное устройство желает обратиться для проведения операции чтения или записи.

Шина адреса АВ (Address Bus), в принципе, может быть однонаправленной. Она предназначена для передачи адреса ячейки памяти или устройства ввода/вывода. Направление передачи по шине адреса — от МП к внешним устройствам. Варианты условных обозначений однонаправленной параллельной шины показаны на рис. 1.3, где стрелка указывает направление передачи.

Рис.1.3. Варианты условных обозначений однонаправленной параллельной 16-разрядной шины

Число 16 на рис. 1.3 обозначает разрядность шины. Допускается обозначение шин и без указания разрядности.

Основной характеристикой шины адреса является её разрядность (ширина) в битах. Ширина шины адреса определяет объём адресуемой памяти. Например, если ширина адресной шины составляет 16 бит, и размер слова памяти равен одному байту (минимальный адресуемый объём данных), то объём памяти, который можно адресовать, составляет 2¹⁶ = 65536 байтов (64 Кбайт). Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2^I ,

где I - разрядность шины адреса.

Если рассматривать структурную схему микропроцессора, то адресная шина активизирует работу всех внешних устройств по команде, которая поступает с микропроцессора.

Если шина адреса является однонаправленной, то источником адреса является только одно устройство (например, МП), но тогда один из режимов работы МПС может оказаться невозможным – прямой доступ к памяти (захват магистрали, DMA).

Шина данных

Шина данных служит для пересылки данных между ЦП и памятью или ЦП и устройствами ввода/вывода. Эти данные могут представлять собой как команды ЦП, так и информацию, которую ЦП посылает в порты ввода/вывода или принимает оттуда. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от одного устройства к другому в любом направлении.

Шина данных DB (Data Bus) принципиально является двунаправленной. Она предназначена для передачи данных между блоками МПС. Информация по одним и тем же линиям DB может передаваться в двух направлениях — как к МП, так и от него. Варианты условных обозначений двунаправленной шины показаны на рис. 1.4.

Рис.1.4. Варианты условных обозначений двунаправленной параллельной 8-разрядной шины

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Разрядность процессоров постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

В МП 8088 шина данных имеет разрядность (ширину) 8 бит. В МП 8086, 80186, 80286 ширина шины данных 16 разрядов; в МП 80386, 80486, Pentium и Pentium Pro - 32 разряда.

Подчеркнем, что ШД всегда принципиально двунаправлена (иначе либо чтение, либо запись будут запрещены).

Двунаправленность сводится к тому, что на одну и ту же линию шины в разные моменты времени должны иметь возможность выдавать данные несколько устройств (модулей).

Для того, чтобы модули не мешали друг другу при работе на общую шину, существует 2 варианта исполнения выходных каскадов элементов, работающих на линию системной магистрали:

- элемент с тремя состояниями (с z-состоянием);

- схема с открытым коллектором (рис. 1.5).

Рис.1.5 Выход с открытым коллектором

Шина управления

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию - считывание или запись информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д.

Шина управления СВ (Control Bus) предназначена для передачи управляющих сигналов. Хотя направление управляющих сигналов может быть разным, однако шина управления не является двунаправленной, поскольку для сигналов разного направления используются отдельные линии.

В основу построения подавляющего большинства компьюте­ров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученымДжоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности.

2. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются командыусловного илибезусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом,процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

3. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например,программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаныметоды трансляции – перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

4. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на перечисленных принципах, относятся к типуфон-неймановских. Но существуют компьютеры, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Для них, например, может не выполняться принцип программного управления, т. е. они могут работать без счетчика команд, указывающего текущую выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам необязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не фон-неймановскими.