Представление текстовой и графической информации в электронном виде (стр. 3 из 7)

1. Регистровая СОЗУ.

Входит в состав процессора и представляет собой набор регистров процессора, которые являются линейками триггеров. Предназначена для хранения небольшого количества информации (до нескольких десятков слов, а в RISC-архитектурах – до сотни), которая обрабатывается в текущий момент времени или часто используется процессором. Это позволяет сократить время выполнения программы за счет использования команд типа регистр-регистр и уменьшить частоту обменов информацией с более медленными ЗУ ЭВМ. Реализует возможность одновременных чтения и записи данных. Недостатком является очень быстрое заполнение по мере выполнения задач.

2. Кэш-память (буферная).

Её назначение состоит в сокращении времени передачи информации между процессором и более медленными уровнями памяти компьютера. Обеспечивает автоматическую подмену наиболее часто используемых данных кэш-ячейками, т.е. временно ячейка КЭШа заменяет собой ячейку оперативной памяти. Классический кэш представляет собой ассоциативное ЗУ, т.е. информация ищется по некоторому признаку. Кэш эффективен, когда ЦП долго работает с локальной областью памяти, в противном случае возникают коллизии.

Кэш обычно дублирует группу соседних ячеек памяти (блок) для улучшения временных характеристик.

Около 90% всех обращений удовлетворяется КЭШем.

Кэш прямого отображения строится на базе статических ОЗУ.

За каждой ячейкой памяти зафиксирован свой уровень, на котором она продублирована, поэтому при поиске осуществляется одно сравнение. Но в случае, когда у нескольких ячеек один уровень, эффективность КЭШа снижается.

По степени близости к ЦП различают:

L1 – кэш первого уровня (внутренний) – встроен в ЦП, раздельный (один – для хранения команд, два – данных);

L2 - либо также входит в микросхему процессора, либо может быть реализован в виде отдельной памяти, непосредственно подключенной к ЦП;

L3 (используется редко) – в виде отдельного устройства, которое крепится к той же шине, что и память.

Как правило, на параметры быстродействия процессора большее влияние оказывают характеристики кэш-памяти первого уровня.

Время обращения к кэш-памяти, которая обычно работает на частоте процессора, составляет от десятых долей до единиц наносекунд, т.е. не превышает длительности одного цикла процессора.

Интерфейсы

Под интерфейсами понимаются:

- шины (связывающие устройства),

- процедуры обмена информацией по этим шинам,

- механические подключения (разъёмы).

ПУ – периферийные устройства

К – канал ввода/вывода (в/в)

В вычислительной системе различают:

1) интерфейс «процессор - оперативная память – процессор – каналы ввода/вывода» (самый быстрый);

2) интерфейс ввода/вывода (расширения), с помощью которого контроллеры ПУ подключаются к системе;

3) интерфейс периферийных устройств, с помощью которого они подключаются к своим контроллерам (адаптерам). Адаптер – простейшее устройство, преобразующее сигналы одного интерфейса в сигналы другого. Контроллер – более сложная система (блок управления).

Виды интерфейсов

По способу передачи

1. Параллельные: разряды данных передаются одновременно, параллельно (шины ISA, PCI, IDE, Centronics).

2. Последовательные: информация передается последовательно по одному биту (шины USB, RS-232)

Синхронизация обмена

2 способа синхронизации:

1) механизм стробирования данных: по линии шины данных передаются либо “1” либо “0” Для того чтобы приемник надежно различал эти события, используют специальный стробирующий сигнал, который подается одновременно с данными в момент времени, когда на линии устанавливаются действительное значение данных.

2) синхронизация квитированием. Данный способ использует для реализации 2 сигнала – прямой и обратный. После того, как данные с передающего устройства будут зафиксированы в принимающем устройстве, последнее выдаст сигнал, что данные приняты, затем будет выдан сигнал о готовности принимать следующую информацию.

По топологии (характеру связи между устройствами) бывают:

1) с индивидуальной (радиальной) системой шин, которая включает в себя

- главное устройство, к которому подключаются другие, ведомые;

-провода прямой и обратной передачи;

- сигналы синхронизации и управления (сигнал выборки со стороны главного устройства, указывающий, что с главным устройством устройству можно работать).

У - устройство

2) с коммунальной (магистральной) системой шин: все устройства взаимодействуют через общую магистраль.

У0 выставляет по шине адреса номер вызываемого абонента. Каждое устройство сравнивает его со своим. В случае совпадения устройство начинает работать (только одно) В противном случае, устройство не реагирует на сигнал.

А – шина адреса

D – шина данных

С – шина управления и синхронизации

Организация ввода/вывода

Организацией обмена между системой и периферийными устройствами управляет комплекс аппаратно-программных средств, называемый каналом ввода/вывода.

2 типа:

- программно управляемые (ПУК)

- канал прямого доступа в память (КПДП)

1. В программно-управляемых каналах при обмене информацией используется аппаратура ЦП с помощью команд IN/OUT (обмен между регистрами и портами ввода/вывода)

Скорость обмена определяется самым медленным устройством.

По производительности устройства делятся на классы:

Низкоскоростные: передается меньше 1000 символов/сек (например, клавиатура,)

Среднескоростные: до 100000 символов/сек (принтер, дискеты)

Высокоскоростные: более 100000 символов/сек (видеокарта, диски).

ЦП видит периферийные устройства как порты. Каждое устройство логически представлено в виде нескольких портов:

- порты (регистры) данных на в/в;

- регистр управления, содержимое которого формируется ЦП-ом и передается в периферийное устройство, его разряды используются для задания операций

- регистр состояния (статусный): отдельные биты формируются периферийным устройством и передаются в ЦП (7-ой и 15-ый бит указывают на готовность участия в обмене: «готов/не готов», «ошибка/нет ошибки»).

При программной реализации алгоритма обмена, в свою очередь, различают два способа в/в, в зависимости от того, каким образом обнаруживается готовность ПУ к обмену:

1. Путем опроса флага готовности ПУ

2. По прерываниям процессора от ПУ.

Алгоритм обмена, основанный на опросе флага готовности (ввод- вывод по условию готовности) включает следующие шаги.

1. На этапе начальной подготовки ЦП опрашивает состояние ПУ (включено, исправно, свободно) и запускает механизм ПУ.

Функционирование ПУ начинается лишь после того, как носитель информации достигнет рабочей скорости. Только после этого начинается обмен информацией с носителем, то есть этап передачи данных.

2. Контроллер ПУ обеспечивает управление процессом считывания (записи) информации с носителя. Считывание (запись) информации обычно осуществляется байтами данных. Прочитанный с носителя байт заносится в буферный регистр данных (РД), после чего устанавливается флаг ГТ (Готов). В случае записи контроллер ПУ обеспечивает перепись байта данных из регистра данных на носитель, после чего устанавливается флаг ГТ, что означает готовность принять из ЭВМ очередной байт данных.
Процессор, обнаружив факт установки флага, осуществляет ввод (вывод) данных из РД, а контроллер ПУ - сброс флага ГТ. Далее процессор формирует адрес ячейки памяти, с которой ведется обмен и подсчитывает количество переданной информации.
Далее осуществляется анализ на конец передачи блока данных и, если переданы еще не все данные, то выполняется сканирование флага готовности.

3. На этапе завершения обмена опрашивается состояние ПУ и выключается механизм ПУ, приводящий в движение носитель информации.

Рассмотренный способ обмена обладает существенным недостатком - непроизводительные затраты процессорного времени на ожидание готовности ПУ.

В/в по прерываниям процессора с точки зрения производительности ЭВМ более эффективен, так как время ожидания готовности ПУ процессор может использовать для выполнения другой программы. При этом способе в момент готовности контроллер ПУ вырабатывает сигнал прерывания, по которому процессор прерывает выполнение текущей программы и приступает к обслуживанию данного ПУ. Обслуживание осуществляется путем передачи управления специальной подпрограмме обмена, написанной для данного ПУ, которая обеспечивает обмен с РД ПУ. После ее завершения управление возвращается прерванной программе. Сигналов прерывания вырабатывается столько, сколько байтов информации вводится (выводится). Недостаток обмена по прерываниям процессора - это ощутимые накладные расходы времени на передачу одного байта данных, поэтому обмен по прерываниям процессора применяется для обслуживания медленнодействующих ПУ (клавиатура, принтер и т. п.).

2. Контроллер прямого доступа в память (КПДП).

Обменом управляет специальный контроллер или сопроцессор ввода/вывода , который инициализируется ЦП и передает данные от заданного ПУ в заданную область ОП, или наоборот.

DRQ – запрос на обмен, который говорит, что устройство готово участвовать в обмене

DASK – разрешение запроса

БР – буферный регистр

БУС – блок управления синхронизации

КПДП состоит из 4 одинаковых каналов. Каждый канал содержит 3 регистра: управляющие процедурой обмена с данным устройством:

RA – регистр адреса области памяти, участвующей в обмене (16-разрядный),