Шиналы байланыс құрылымдары

Архитектура (архитектура) деңгейлері.

Микрокод және командалар жиынының архитектурасымен байланыс. Шиналы байланыс құрылымдары. Командалар конвейрін ұйымдастыру. Кэш. Суперскалярлылық.

Компьютерлік инженерияда микроархитектура (ағыл. microarchitecture) — бұл процессорда таратылған командалар жиынының архитектурасының (ISA, КЖА) әдісі. Әрбір КЖА әртүрлі микроархитектуралардың көмегімен таратылуы мүмкін. Таратылулар берілген дизайнның мақсаты немесе технологияларды өзгерту нәтижелері бойынша түрленіп отырады. Компьютер архитектурасы микроархитектура, микрокод және КЖА комбинациялары болып табылады.

Микрокод және командалар жиынының архитектурасымен байланыс

КЖА — бұл шамамен ассемблер тілідегі программалаушы немесе комилятор құрушының көзқарасы жағыан программалау моделі. КЖА, құрамына орындау моделі, процессор регистрлері, адрестер және деректер форматы, және сонымен қатар, процессордың құрама бөліктері және олардың байланыстары әрі КЖА таратуға арналған әрекеттер кіреді.

Бірақ көп жағдайларда микроархитектура элементтерінің жұмысы процессорға орнатылған микрокодтармен бақыланады. Процессор архитектурасында микрокод қабаты бар болса, онда ол өзіндік интерпретатор ретінде қызмет атқарады да, КЖА командалар деңгейін микроархитектура деңгейіндегі командаларға ауыстырады. Бұл кезде командалардың әртүрлі жүйелері бір микроархитектура базасында таратылуы мүмкін.

Машина микроархитектурасы әдетте азды, көпті бөлшекті диаграммаларды көрсетеді, олар әртүрлі микроархитектуралық элементтердің байланыстарын сипаттайды, мысалы: жеке вентилдерден бастап, регистрлерге дейін, АЛҚ және одан да үлкен элементтері. Бұл диаграммаларда әдетте деректер тракті (онда деректер орналасады) және басқару тракті (деректердің қозғалысын басқарады) бөлінеді.

Шиналы байланыс құрылымдары

Микропроцессорлық жүйелерде ақпараттарды алмасу протоколдарының жұмысын жеңілдету және максимальды әмбебаптыққа жету үшін жүйеге кірістірілген, жеке құрылғылар арасында шиналы байланыс құрылымдары қолданылады.

Сурет 6.1. Байланыстың классикалық құрылымы.

Классикалық байланыс құрылымы кезінде (сурет 6.1) құрылғылар арасындағы барлық сигналдар және кодтар жеке байланыс сызықтары арқылы беріледі. Жүйеге енгізілген әрбір құрылғы өзінің сигналдарын және кодтарын басқа құрылғыларға тәуелсіз орындай береді. Бірақ жүйеде өте көптеген сызықтар және әртүрлі ақпараттарды алмасу протоколдары пайда болады.

Ал шиналық байланыс құрылыдары кезінде (сурет 6.2) құрылғылар арасындағы барлық сигналдар бір ғана байланыс сызықтары арқылы әртүрлі уақыттарда жіберіледі (бұл мультиплексирленген алмасу деп аталады). Бұл кезде барлық байланыс сызықтары арқылы алмасулар екі бағытта да орындала береді (екібағытты алмасу деп аталады). Нәтижесінде байланыс сызықтарының саны азаяды және алмасу тәртіптері (протоколдары) жеңілдетіледі. Міне осы байланыс сызықтарының тобы или кодтары шина (англ. bus) деп аталады.

Шиналық байланыс құрылымы кезінде барлық ақпараттық ағындар бағыты жеңіл орындалатындығы түсінікті, мысалы, оларды бір процессор арқылы жіберуге болады, ол микропроцессорлық жүйелер үшін өте маңызды. Бірақ классикалық құрылымға қарағанда жылдамдығы аздау болады, себебі уақыт бойынша кезек күту керек.

Сурет 6.2.Шиналық байланыс құрылымы

Бұл шиналық құрылымының артықшылығы, ол барлық шинаға қосылған құрылығылар бір тәртіппен жұмыс жасайтындығы. Сәйкесінше, барлық түйіндер, унифицирленген әрі біртекті болуы керек.

Ал кемшілігі, барлық құрылғылардың барлығы шинаға парареллельді қосылған сондықтан қандай-да бір құрылығының дұрыс жұмыс жасамауы барлық жүйе жұмысын тоқтатады.

Қарапайым микропроцессорлық жүйенің құрылымы сурет 6.3. көрсетілген. Ол негізгі үш құрылғы түрінен тұрады:

· процессор;

· жады, жедел жады ( ОЗУ, RAM — Random Access Memory ) және тұрақты жады ( ПЗУ, ROM —Read Only Memory ), тұрады, олар программалар және деректерді сақтау үшін керек;

· енгізу/шығару құрылғысы (ЕШҚ, I/O — Input/Output Devices ), микропроцессорлық құрылғылардың сыртқы құрылғылармен байланыс үшін қолданылады, кіріс сигналдарын қабылдау үшін (енгізу, оқу, Read) және шығыс сигналдарын шығару үшін (шығару, жазу, Write) қолданылады.

Сурет 6.3. Микропроцессорлық жүйе құрылымы

Барлық микропроцессорлық жүйедегі құрылғылар жалпы жүйелік шина арқылы біріктіріледі (ол жүйелік магистраль немесе канал деп те аталады). Жүйелік магистраль төрт негізгі төменгі деңгейлі шиналардан тұрады:

· адрес шинасы (Address Bus);

· деректер шинасы (Data Bus);

· басқару шинасы (Control Bus);

· қорек беру шинасы (Power Bus).

Адрестер шинасы берілген уақытта процессор ақпарат алмасатын құрылғы адресін (нөмірін) анықтау үшін қолданылады. Әрбір құрылғыға (процессордан басқа), микропроцесорлық жүйенің әрбір ұяшығында жеке адрес меншіктеледі. Егер процессормен қандай-да бір адрес, адрестер шинасына берілген болса, онда ол ақпарат алмасу керек екендігін түсінеді. Адрестер шинасы бірбағытты және екібағытты болуы мүмкін.

Деректер шинасы — бұл негізгі шина, ол микропроцессорлық жүйенің барлық құрылғылары арасында ақпараттық кодтарды алмасу үшін қолданылады. Әдетте дерек алмасу кезінде процессор қатысады, ол деректер кодын қандай-да бір құрылғыға немесе жады ұяшығына береді немесе керісінше қандай-да бір құрылғыдан немесе жады ұяшығынан қабылдайды. Бірақ процессордың қытысуынсыз да алмасулар орындала береді. Деректер шинасы барлық уақытта екібағытты болады.

Басқару шинасы адрес және деректер шинасынан ерекшелігі ол жеке басқару сигналдарынан тұрады. Бұл сигналдардың әрбірінің ақпараттар алмасу кезінде өзінің функциясы болады. Кейбір сигналдар берілетін немесе қабылданатын деректер үшін шешім қабылдау үшін пайдалануы мүмкін (мысалы уақыт моментін анықтау). Басқабасқару сигналдары деректерді қабылдауды бекіту, барлық құрылғыларды бастапқы күйге келтіру, барлық құрылғыларды тактовкалау үшін және т.б. қолданылады. Басқару шиналары бірбағытты және екібағытты болуы мүмкін.

Және ең соңғысы, қорек беру шинасы ақпараттық сигналдарды беру үшін емес, ал жүйені қоректендіру үшін пайдаланылады. Ол қоректендіру сызықтары және жалпы сымдардан тұрады. Микропроцессорлық жүйеде бір қоректендіру көзі (жиі +5 В) немесе бірнеше (әдетте –5 В, +12 В және –12 В) болуы мүмкін. Әрбір қорек көзінің өзінің байланыс сызығы болады. Барлық құрылғылар бұл сызықтарға параллельді орналасытырылады.

Тәжірибе жүзінде барлық микропроцессорлық жүйелер үш магистраль бойынша алмасу режимдерін қолдайды:

· программалы ақпарат алмасу;

· үзулер арқылы алмасу (Interrupts);

· жадыға тікелей қатынау арқылы алмасу (ПДП, DMA — Direct Memory Access).

Программалы ақпарат алмасу (сурет 6.4). Магистраль бойынша барлық сиагналдар процессордың бақылауында болады.

Сурет 6.4.Программалы ақпарат алмасу

Үзулер арқылы алмасу (сурет 6.5.). Магистраль бойынша барлық сиагналдар контроллердің бақылауында болады, ал контроллер жұмысын процессор бақылайды.

Сурет 6.5.Үзулерді өңдеу

Жадыға тікелей қатынау арқылы алмасу (ПДП, DMA) — бұл режим алдында көрсетілген режимдерден ерекшеленеді, себебі бұл кезде басқару процессордың қатысуынсыз орындалады. Яғни, бұл жағдайда жүйеге қосымша ЖТҚ контроллері құрылғысы енгізілу керек, ол процессордың бақылауынсыз магистраль бойынша алмасуды орындайды. Бірақ ол ақпаратты қайлан алуы керек екендігін және қайда орналастыруы керек екендігін процессор алдын ала айтып отырады. Сондықтан ЖТҚ контроллерін арнайы процессор ретінде қарауға болады (сурет 6.6.).

Сурет 6.6. ЖКҚ өңдеу