Структура классической вычислительной машины

ВМ состоит из построенного на базе МП центрального процессора (ЦП), основной памяти для хранения программ и данных, устройств ввода – вывода для связи ВМ с внешними (периферийными) устройствами (рис. 1.2.):

На физическом уровне ЦП взаимодействует с памятью и устройствами ввода – вывода через единый набор системных шин – системную магистраль (шину) SB (Systems Bus). В общем случае системная шина состоит из следующих шин:

шины данных DB (Data Bus), по которой производится обмен данными между ЦП, памятью и устройствами ввода – вывода;

шины адреса AB (Address Bus), используемой для передачи адресов ячеек памяти и портов ввода – вывода, к которым осуществляется обращение;

шины управления CB (Control Bus), реализующей функцию управления циклами обмена и работы системы.

Системная шина SB такого типа носит название трехшинной с раздельными шинами адреса и данных.

В некоторых ВМ с целью сокращения числа линий системной шины SB вводят совмещенную шину адреса/данных AD (Address/Data Bus), по которой передают как адреса, так и данные. Этап передачи адресной информации отделен во времени от этапа передачи данных и стробируется специальным сигналом ALE (Address Latch Enable), который включен в состав шины CB. Такую магистраль называют двухшинной (мультиплексированной) с совмещенными шинами передачи адреса и данных. Такую системную шину формирует, например, МП семейства i8086/88 (К 1810ВМ86), а также микроконтроллеры, например, семейства MCS-51. В высокопроизводительных ВМ, выполненных на базе МП последних поколений (например, класса Pentium*), часто используются раздельные системные шины, как более быстродействующие.

Использование системной шины для организации взаимодействия модулей является отличительным признаком микропроцессорных систем. Шинные структуры унифицируют включение функциональных модулей в ВМ, благодаря чему системы приобретают свойства открытости и масштабируемости: функциональные возможности систем легко изменять за счет включения или удаления модулей. Недостаток шинной структуры состоит в том, что в каждый момент времени на шине допускается только один активный модуль, в распоряжение которого отдаются все ресурсы шины. В простых ВМ роль активного модуля всегда выполняет ЦП, который и организует управление шиной. В более сложных системах со многими активными модулями (параллельно работающими другими независимыми процессорами или сопроцессорами) ресурсы шины распределяются между ними в соответствии с последовательностью запросов на захват шины и приоритетными соглашениями. Другими словами в каждый момент времени обмен по шине допустим только между двумя модулями ВМ, другие же вынуждены ожидать своей очереди. Поэтому шина является одним из «узких мест» системы, ограничивающим ее быстродействие.