Urządzenia Urządzenia Techniki Techniki

KomputerowejKomputerowej

Temat: Magistrala, Temat: Magistrala, rodzajerodzaje

MagistralaMagistralaW systemach mikroprocesorowych istnieje W systemach mikroprocesorowych istnieje konieczność zapewnienia komunikacji konieczność zapewnienia komunikacji pomiędzy wieloma układami takimi jak: pomiędzy wieloma układami takimi jak: mikroprocesor, pamięć RAM, ROM, układami mikroprocesor, pamięć RAM, ROM, układami wej./wyj.. Połączenie wielu układów każdy z wej./wyj.. Połączenie wielu układów każdy z każdym doprowadziło by do nadmiernej ilości każdym doprowadziło by do nadmiernej ilości połączeń i jest praktycznie nierealne. Dlatego połączeń i jest praktycznie nierealne. Dlatego stosuje się sposób połączenia przy pomocy tak stosuje się sposób połączenia przy pomocy tak zwanej magistrali. Magistrala jest wspólną zwanej magistrali. Magistrala jest wspólną drogą dzięki której, komunikują się pomiędzy drogą dzięki której, komunikują się pomiędzy sobą poszczególne układy wchodzące w skład sobą poszczególne układy wchodzące w skład systemu. Aby zapewnić poprawną pracę i brak systemu. Aby zapewnić poprawną pracę i brak kolizji w połączeniach, magistrala obsługiwana kolizji w połączeniach, magistrala obsługiwana jest według ściśle określonych, podanych w jest według ściśle określonych, podanych w definicji reguł.definicji reguł.

Def. Def.

Magistralą nazywamy zestaw linii oraz Magistralą nazywamy zestaw linii oraz układów przełączających, łączących układów przełączających, łączących dwa lub więcej układów mogących być dwa lub więcej układów mogących być nadajnikami lub odbiornikami nadajnikami lub odbiornikami informacji. Przesyłanie informacji informacji. Przesyłanie informacji zachodzi zawsze pomiędzy dokładnie zachodzi zawsze pomiędzy dokładnie jednym układem będącym nadajnikiem jednym układem będącym nadajnikiem a dokładnie jednym układem będącym a dokładnie jednym układem będącym odbiornikiem, przy pozostałych odbiornikiem, przy pozostałych układach odseparowanych od linii układach odseparowanych od linii przesyłowych. przesyłowych.

Jak wynika z powyższej def., układy Jak wynika z powyższej def., układy dołączone do magistrali muszą mieć dołączone do magistrali muszą mieć możliwość elektrycznego możliwość elektrycznego odseparowania się od linii w których odseparowania się od linii w których przesyłana jest informacja. Wynika z przesyłana jest informacja. Wynika z konieczności zapewnienia konieczności zapewnienia jednoznacznego stanu każdej z linii (np. jednoznacznego stanu każdej z linii (np. gdyby podłączyły się dwa nadajniki z gdyby podłączyły się dwa nadajniki z różnymi stanami logicznymi 0 i 1 to różnymi stanami logicznymi 0 i 1 to wystąpił by konflikt). Układami wystąpił by konflikt). Układami zapewniającymi możliwość separacji są zapewniającymi możliwość separacji są właśnie właśnie bramki trójstanowebramki trójstanowe..

Dwukierunkowe wzmacniacze Dwukierunkowe wzmacniacze buforowebuforowe

Pomiędzy układy będące w danym momencie na Pomiędzy układy będące w danym momencie na magistrali nadajnikiem a odbiornikiem stosuje magistrali nadajnikiem a odbiornikiem stosuje się zwykle układy buforowe, pośredniczące w się zwykle układy buforowe, pośredniczące w wymianie informacji. Zadaniem tego typu ukł. wymianie informacji. Zadaniem tego typu ukł. jest zmniejszenie obciążenia nadajnika przez jest zmniejszenie obciążenia nadajnika przez odbiornik, zwiększenie prądu wyj. i co za tym odbiornik, zwiększenie prądu wyj. i co za tym idzie poprawy kształtu zboczy. W przypadku idzie poprawy kształtu zboczy. W przypadku magistrali, po których inf. może być przesyłana magistrali, po których inf. może być przesyłana w obydwu kierunkach, takich jak np. magistrala w obydwu kierunkach, takich jak np. magistrala danych, układy wzmacniaczy buforowych muszą danych, układy wzmacniaczy buforowych muszą działać w dwóch kierunkach tak zwane: działać w dwóch kierunkach tak zwane: nadajnik-odbiornik (transmitter-receiver) ukł. te nadajnik-odbiornik (transmitter-receiver) ukł. te mogą przejść w stan wysokiej impedancji, mogą przejść w stan wysokiej impedancji, separując nawzajem od siebie łączone układy.separując nawzajem od siebie łączone układy.

Centralną częścią komputera jest oczywiście procesor Centralną częścią komputera jest oczywiście procesor umieszczony w odpowiednim wejściu na płycie głównej, umieszczony w odpowiednim wejściu na płycie głównej, pozostałe elementy płyty, takie jak np: karty rozszerzające czy pozostałe elementy płyty, takie jak np: karty rozszerzające czy pamięć, kontaktują się z procesorem poprzez szyny danych pamięć, kontaktują się z procesorem poprzez szyny danych zwane magistralami.zwane magistralami.Rozróżniamy następujące typy magistrali :Rozróżniamy następujące typy magistrali :" magistrala lokalna, obejmująca szynę danych i szynę " magistrala lokalna, obejmująca szynę danych i szynę adresową procesora;adresową procesora;" magistrala systemowa, sprzężona z lokalną poprzez rejestry " magistrala systemowa, sprzężona z lokalną poprzez rejestry zatrzaskowe, dostarcza ona sygnały sterujące;zatrzaskowe, dostarcza ona sygnały sterujące;" magistrala X, która komunikuje się z pamięcią ROM " magistrala X, która komunikuje się z pamięcią ROM zawierającą systemowy BIOS oraz z portami układów na płycie zawierającą systemowy BIOS oraz z portami układów na płycie głównej;głównej;" magistrala pamięciowa, która łączy szyny systemowe z " magistrala pamięciowa, która łączy szyny systemowe z obwodami pamięci dynamicznej poprzez układy adresowania obwodami pamięci dynamicznej poprzez układy adresowania wierszy i kolumn;wierszy i kolumn;" magistralę zewnętrzną, która stanowi wyprowadzenie " magistralę zewnętrzną, która stanowi wyprowadzenie systemowej szyny adresowej oraz szyny danych.systemowej szyny adresowej oraz szyny danych.

Struktura magistraliStruktura magistrali

Zawarte w magistralach linie można Zawarte w magistralach linie można podzielić na trzy grupy funkcjonalne: podzielić na trzy grupy funkcjonalne: linie danych, adresów i sterowania. linie danych, adresów i sterowania. Ponadto mogą występować linie Ponadto mogą występować linie służące do zasilania dołączonych służące do zasilania dołączonych modułów.modułów.

Linie danychLinie danych są ścieżkami służącymi do przenoszenia danych między są ścieżkami służącymi do przenoszenia danych między modułami systemu. Wszystkie te linie łącznie są określane jako modułami systemu. Wszystkie te linie łącznie są określane jako szyna danych (ang. data bus). Szyna danych składa się typowo z 8, szyna danych (ang. data bus). Szyna danych składa się typowo z 8, 16 lub 32 oddzielnych linii, przy czym liczba linii określa szerokość 16 lub 32 oddzielnych linii, przy czym liczba linii określa szerokość tej szyny. Ponieważ w danym momencie każda linia może przenosić tej szyny. Ponieważ w danym momencie każda linia może przenosić tylko 1 bit, z liczby linii wnika, ile bitów można jednocześnie tylko 1 bit, z liczby linii wnika, ile bitów można jednocześnie przenosić. Szerokość szyny danych jest kluczowym czynnikiem przenosić. Szerokość szyny danych jest kluczowym czynnikiem określającym wydajność całego systemu. Jeśli na przykład szyna określającym wydajność całego systemu. Jeśli na przykład szyna danych ma szerokość 8 bitów, a każdy rozkaz ma długość 16 bitów, danych ma szerokość 8 bitów, a każdy rozkaz ma długość 16 bitów, to procesor musi łączyć się z modułem pamięci dwukrotnie w czasie to procesor musi łączyć się z modułem pamięci dwukrotnie w czasie każdego cyklu rozkazu.każdego cyklu rozkazu.

Linie adresoweLinie adresowe są wykorzystywane do określania źródła lub są wykorzystywane do określania źródła lub miejsca przeznaczenia danych przesyłanych magistralą. Jeśli na miejsca przeznaczenia danych przesyłanych magistralą. Jeśli na przykład procesor ma zamiar odczytać słowo (8, 16 lub 32 bity) przykład procesor ma zamiar odczytać słowo (8, 16 lub 32 bity) danych z pamięci, umieszcza adres potrzebnego słowa na linii danych z pamięci, umieszcza adres potrzebnego słowa na linii adresowej. Jest jasne, że szerokość szyny adresowej determinuje adresowej. Jest jasne, że szerokość szyny adresowej determinuje maksymalną możliwą pojemność pamięci systemu. Ponadto linie maksymalną możliwą pojemność pamięci systemu. Ponadto linie adresowe są również używane do adresowania portów wejścia-adresowe są również używane do adresowania portów wejścia-wyjścia. Najczęściej najbardziej znaczące bity służą do wybrania wyjścia. Najczęściej najbardziej znaczące bity służą do wybrania określonego modułu na magistrali, natomiast najmniej znaczące bity określonego modułu na magistrali, natomiast najmniej znaczące bity określają lokację w pamięci lub port wejścia-wyjścia wewnątrz określają lokację w pamięci lub port wejścia-wyjścia wewnątrz modułu.modułu.

Linii sterowaniaLinii sterowania używa się do sterowania dostępem do linii danych i używa się do sterowania dostępem do linii danych i linii adresowych, a także do sterowania ich wykorzystaniem. linii adresowych, a także do sterowania ich wykorzystaniem. Ponieważ linie danych i adresowe służą wszystkim zespołom, musi Ponieważ linie danych i adresowe służą wszystkim zespołom, musi istnieć sposób sterowania ich używaniem. Sygnały sterujące istnieć sposób sterowania ich używaniem. Sygnały sterujące przekazywane między modułami systemu zawierają zarówno rozkazy, przekazywane między modułami systemu zawierają zarówno rozkazy, jak i informacje regulujące czas (taktujące). Sygnały czasowe jak i informacje regulujące czas (taktujące). Sygnały czasowe określają ważność danych i adresów. Sygnały rozkazów precyzują określają ważność danych i adresów. Sygnały rozkazów precyzują operacje, które mają być przeprowadzone. Typowe linie sterowania operacje, które mają być przeprowadzone. Typowe linie sterowania to linie: to linie:

Zapis w pamięci. Sprawia, że dane z magistrali zostają zapisane pod Zapis w pamięci. Sprawia, że dane z magistrali zostają zapisane pod określonym adresem. określonym adresem.

Odczyt z pamięci. Sprawia, że dane spod określonego adresu są Odczyt z pamięci. Sprawia, że dane spod określonego adresu są umieszczane w magistrali. umieszczane w magistrali.

Zapis do wejścia-wyjścia. Sprawia, że dane z magistrali są kierowane Zapis do wejścia-wyjścia. Sprawia, że dane z magistrali są kierowane do zaadresowanego portu wejścia-wyjścia. do zaadresowanego portu wejścia-wyjścia.

Odczyt z wejścia-wyjścia. Sprawia, że dane z zaadresowanego portu Odczyt z wejścia-wyjścia. Sprawia, że dane z zaadresowanego portu wejścia-wyjścia są umieszczane w magistrali. wejścia-wyjścia są umieszczane w magistrali.

Potwierdzenie przesyłania (transfer ACK). Wskazuje, że dane zostały Potwierdzenie przesyłania (transfer ACK). Wskazuje, że dane zostały przyjęte z magistrali lub na niej umieszczone. przyjęte z magistrali lub na niej umieszczone.

Zapotrzebowanie na magistralę (bus request). Wskazuje, że moduł Zapotrzebowanie na magistralę (bus request). Wskazuje, że moduł zgłasza zapotrzebowanie na przejęcie sterowania magistralą. zgłasza zapotrzebowanie na przejęcie sterowania magistralą.

Rezygnacja z magistrali (bus grant). Wskazuje, że moduł rezygnuje Rezygnacja z magistrali (bus grant). Wskazuje, że moduł rezygnuje ze sterowania magistralą. ze sterowania magistralą.

Żądanie przerwania (interrupt request). Wskazuje, że przerwanie jest Żądanie przerwania (interrupt request). Wskazuje, że przerwanie jest zawieszone. zawieszone.

Potwierdzenie przerwania (interrupt ACK). Potwierdza, że Potwierdzenie przerwania (interrupt ACK). Potwierdza, że zawieszone przerwanie zostało rozpoznane. zawieszone przerwanie zostało rozpoznane.

Zegar. Wykorzystywany do synchronizowania operacji. Przywrócenie Zegar. Wykorzystywany do synchronizowania operacji. Przywrócenie (reset). Ustawia wszystkie moduły w stanie początkowym. (reset). Ustawia wszystkie moduły w stanie początkowym.

Działanie magistrali jest następujące. Jeśli jeden Działanie magistrali jest następujące. Jeśli jeden z modułów zamierza wysłać dane do drugiego, to z modułów zamierza wysłać dane do drugiego, to musi wykonać dwie rzeczy: musi wykonać dwie rzeczy:

uzyskać dostęp do magistrali i uzyskać dostęp do magistrali i przekazać dane za pośrednictwem magistrali. przekazać dane za pośrednictwem magistrali. Jeśli natomiast zamierza uzyskać dane z innego Jeśli natomiast zamierza uzyskać dane z innego

modułu, to musi: modułu, to musi: uzyskać dostęp do magistrali i uzyskać dostęp do magistrali i przekazać zapotrzebowanie do tego modułu przekazać zapotrzebowanie do tego modułu

przez odpowiednie linie sterowania i adresowe. przez odpowiednie linie sterowania i adresowe. Musi następnie czekać, aż drugi moduł wyśle Musi następnie czekać, aż drugi moduł wyśle dane. dane.

Magistrala zewnętrznaMagistrala zewnętrzna (wejścia-wyjścia) jest (wejścia-wyjścia) jest zespołem sygnałów elektrycznych służących do zespołem sygnałów elektrycznych służących do komunikowania się procesora z kartami komunikowania się procesora z kartami rozszerzeń.rozszerzeń.Przez wiele lat ewolucji różnych modeli Przez wiele lat ewolucji różnych modeli procesorów, ewolucje przechodziły również procesorów, ewolucje przechodziły również magistrale, które aby nie być "wąskim gardłem" magistrale, które aby nie być "wąskim gardłem" systemów komputerowych, musiały swoimi systemów komputerowych, musiały swoimi parametrami dostosować się do wciąż rosnącej parametrami dostosować się do wciąż rosnącej wydajności procesorów.wydajności procesorów.

Urządzenia Urządzenia Techniki Techniki

KomputerowejKomputerowej

Temat: ALU - Temat: ALU - zastosowaniezastosowanie

Jednostka arytmetyczno logiczna - Jednostka arytmetyczno logiczna - ALUALU

Def. Jednostką arytmetyczno logiczną Def. Jednostką arytmetyczno logiczną (ALU) nazywamy uniwersalny układ (ALU) nazywamy uniwersalny układ cyfrowy przeznaczony do wykonania cyfrowy przeznaczony do wykonania operacji arytmetycznych i logicznychoperacji arytmetycznych i logicznych

Słowo „uniwersalny” w def. ALU Słowo „uniwersalny” w def. ALU oznacza, że zestaw operacji, które potrafi oznacza, że zestaw operacji, które potrafi zrealizować jednostka aytmetyczno-zrealizować jednostka aytmetyczno-logiczna powinien być funkcjonalnie logiczna powinien być funkcjonalnie pełny, jeżeli za jego pomocą jesteśmy w pełny, jeżeli za jego pomocą jesteśmy w stanie zrealizować dowolny algorytm stanie zrealizować dowolny algorytm przetwarzania informacji. przetwarzania informacji.

AlgorytmAlgorytm

reguły postępowania służące do reguły postępowania służące do rozwiązania konkretnych zadań dla rozwiązania konkretnych zadań dla różnych zestawów danych, różnych zestawów danych, zapewniające otrzymanie zapewniające otrzymanie rozwiązania w skończonej liczbie rozwiązania w skończonej liczbie kroków. Jeżeli rozwiązanie opiera się kroków. Jeżeli rozwiązanie opiera się na obliczeniach, to trzeba podać w na obliczeniach, to trzeba podać w jakiej kolejności według jakich jakiej kolejności według jakich wzorów mają one być wykonane.wzorów mają one być wykonane.

Do zestawu operacji wykonanych przez ALU Do zestawu operacji wykonanych przez ALU należą najczęściej dodawanie i odejmowanie należą najczęściej dodawanie i odejmowanie algebraiczne, przesuwanie bitów słowa w algebraiczne, przesuwanie bitów słowa w prawo i w lewo, porównywanie (komparacja) prawo i w lewo, porównywanie (komparacja) wartości dwóch słów, operacje iloczynu i wartości dwóch słów, operacje iloczynu i sumy logicznej, negacji i alternatywy sumy logicznej, negacji i alternatywy wykluczającejwykluczającejALU nie posiada układów pamiętających, ALU nie posiada układów pamiętających, dlatego musi współpracować z pewnym dlatego musi współpracować z pewnym zestawem rejestrów. Rejestr przechowujący zestawem rejestrów. Rejestr przechowujący wyniki operacji nazywa się akumulatorem. wyniki operacji nazywa się akumulatorem. Oraz rejestr flagowy zawierający cechy Oraz rejestr flagowy zawierający cechy wyniku (np. przeniesienie bitu lub wyniku (np. przeniesienie bitu lub przekroczenie zakresu) Są to dwa przekroczenie zakresu) Są to dwa podstawowe rejestry z którymi ALU podstawowe rejestry z którymi ALU współpracuje.współpracuje.

ALUALU - Uniwersalna Jednostka Arytmetyczno - Uniwersalna Jednostka Arytmetyczno - Logiczna (realizuje wszystkie powyższe - Logiczna (realizuje wszystkie powyższe operacje plus operacje logiczne).W operacje plus operacje logiczne).W zależności od stanu wejść sterujących S0 - zależności od stanu wejść sterujących S0 - S3 układ wykonuje różne funkcje S3 układ wykonuje różne funkcje (dodawanie , odejmowanie, mnożenie itp.) (dodawanie , odejmowanie, mnożenie itp.) na liczbach An i Bn, podajac wynik na na liczbach An i Bn, podajac wynik na wyjsciach Fn. Wejście M przełącza rodzaj wyjsciach Fn. Wejście M przełącza rodzaj funkcji - logiczne / arytmetyczne. Wejścia / funkcji - logiczne / arytmetyczne. Wejścia / wyjścia C0 i C4 wraz z A=B, P i G wyjścia C0 i C4 wraz z A=B, P i G sygnalizują relacje pomiędzy liczbami An i sygnalizują relacje pomiędzy liczbami An i Bn oraz umożliwiają przeniesienie danych Bn oraz umożliwiają przeniesienie danych do następnych ALU, gdyż możliwe jest do następnych ALU, gdyż możliwe jest również łączenie tych układów kaskadowo.również łączenie tych układów kaskadowo.

ALU jest podstawowym elementem ALU jest podstawowym elementem ("sercem") każdego mikroprocesora i od ("sercem") każdego mikroprocesora i od jego konstrukcji, skomplikowania, szybkości jego konstrukcji, skomplikowania, szybkości zależy w znacznej mierze wydajność zależy w znacznej mierze wydajność każdego procesora, a przez to i całego każdego procesora, a przez to i całego komputera.komputera.