Магистрально-модульная организация компьютера.

1.1. Что значит «устройство компьютера»? 

Компьютер – это пример очень сложной техники. При изучении таких систем воз- можно несколько разных подходов. Например, можно изучать:

•  устройство конкретного экземпляра компьютера: набор микросхем, тип основной платы, конструкцию и разновидности модулей памяти и т.п.; 
• семейство компьютеров, например, IBM-совместимые персональные компьютеры; 
• различные конструкции компьютеров (настольные компьютеры, портативные компьютеры, карманные компьютеры);  
•  функциональное устройство компьютера, т.е. его основные узлы и способы взаимодействия между ними.

1.2. Взаимодействие устройств

                   Процессор должен обмениваться данными с внутренней памятью и устройствами ввода и вывода. Выделить отдельные каналы для связи процессора с каждым из много- численных устройств нереально. Вместо этого сделана общая линия связи, доступ к которой имеют все устройства, использующие ее по очереди. Такой информационный канал называется шиной. 

Шина (или магистраль) – это группа линий связи для обмена данными между несколькими устройствами компьютера.

Традиционно шина делится на три части: 

1. шина данных, по которой передаются данные;
2.  шина адреса, определяющая, куда именно передается информация;
3. шина управления, которая организует процесс обмена (несет сигналы чтение/запись, обращение к внутренней/внешней памяти, данные готовы/не готовы и т.п.).

                      По сравнению с первыми ЭВМ, взаимодействие процессора с внешними устройствами организуется теперь по-другому. В классической архитектуре процессор контролировал все процессы ввода-вывода. Получалось так, что быстродействующий процессор тратил много времени на ожидание при работе с значительно более медленными внешними устройствами.  Поэтому появились специальные электронные схемы, которые руководят обменом информацией между процессором и внешними устройствами. В третьем поколении такие устройства назывались каналами ввода-вывода, а в четвертом – контроллерами (на схеме они обозначены буквой К).

Контроллер – это электронная схема для управления внешним устройством и для простейшей предварительной обработки данных.                Современный контроллер – это микропроцессор, предназначенный специально для обслуживания одного (или даже нескольких однотипных) устройств ввода-вывода или внешней памяти. Нагрузка на центральный процессор при этом существенно снижается, и это увеличивает эффективность работы всей системы в целом. Контроллер, собранный в виде отдельной микросхемы называют микроконтроллером.

1.3. Обмен данными с внешними устройствами 

                    Существуют три режима обмена данными между центральным процессором (ЦП) и внешними устройствами: 

• программно-управляемый ввод/вывод; 
• обмен с устройствами по прерываниям; 
• прямой доступ к памяти (ПДП).

                     При программно-управляемом обмене все действия по вводу или выводу предусмотрены в теле программы. Процессор полностью руководит ходом обмена, включая ожидание готовности периферийного устройства и прочие временные задержки, связанные с процессами ввода/вывода. Достоинства этого метода – простота и отсутствие дополнительного оборудования, недостаток – большие потери времени из-за ожидания быстро работающим процессором более медленных устройств ввода/вывода.

                      При обмене по прерываниям устройства ввода-вывода в случае необходимости са- ми требуют внимания процессора. Например, клавиатура оповещает процессор каждый раз когда была нажата или отпущена клавиша; все остальное время процессор выполняет программу, вообще «не отвлекаясь» на клавиатуру. Когда прерывание произошло, ЦП «откладывает» на некоторое время выполнение основной программы и переходит на служебную программу обработки прерывания. Завершив его обработку, ЦП снова возвращается к тому месту программы, где она оказалась прервана. При этом основная программа даже «не заметит» возникшей задержки. Этот режим обмена более сложен, но зато значительно эффективнее – процессор не тратит время на ожидание.

                  В обоих описанных выше вариантах управление обменом выполнял центральный процессор. Именно он извлекал из памяти выводимые данные (или записывал туда вводимые), подсчитывал их количество и полностью контролировал работу шины. Если передаваемые данные не требуют сложной обработки, ЦП напрасно расходует время на проведение обмена. Чтобы освободить процессор от этой работы и увеличить скорость передачи крупных блоков данных от устройства ввода в память и обратно, применяется прямой доступ к памяти (ПДП, англ. DMA = Direct Memory Access). Принципиальное отличие ПДП состоит в том, что в этом режиме процессор не производит обмен, а только подготавливает его, программируя контроллер ПДП: устанавливает режим обмена, а также передает начальный адрес ОЗУ и количество циклов обмена. Далее контроллер в ходе ПДП самостоятельно наращивает первое значение и уменьшает второе, что позволяет освободить центральный процессор. Изложенный материал о режимах ввода/вывода может быть сведен в таблицу (здесь УВВ обозначает устройство ввода-вывода):

вид обмена	начинает обмен	руководит обменом	текущая программа	программа обмена
программный	ЦП	ЦП	программа обмена – часть текущей программы
прерывания	УВВ	ЦП	прерывается	специальная подпрограмма
ПДП	УВВ, ЦП	контроллер ПДП	выполняется параллельно	отсутствует (обмен идет аппаратно)