Загальні відомості про архітектуру комп'ютера

У простому випадку процесор, пам'ять і численні зовнішні пристрої зв'язані великою кількістю електричних з'єднань – ліній, які в сукупності прийнято називати локальною магістраллю комп'ютера. Усередині локальної магістралі лінії, службовці для передачі схожих сигналів і призначені для виконання схожих функцій, прийнято групувати в шини. При цьому поняття шини включає не тільки набір провідників, але і набір жорстко заданих протоколів, що визначає перелік повідомлень, який може бути переданий за допомогою електричних сигналів по цих провідниках. У сучасних комп'ютерах виділяють як мінімум три шини:

· шину даних, що складається з ліній даних і службовку для передачі інформації між процесором і пам'яттю, процесором і пристроями введення-виводу, пам'яттю і зовнішніми пристроями;

· адресну шину, що складається з ліній адреси і службовку для завдання адреси елементу пам'яті або вказівки пристрою введення-виводу, що беруть участь в обміні інформацією;

· шину управління, що складається з ліній управління локальною магістраллю і ліній її стану, що визначають поведінку локальної магістралі. У деяких архітектурних вирішеннях лінії стану виносяться з цієї шини в окрему шину стану.

Кількість ліній, що входять до складу шини, прийнято називати розрядністю (шириною) цієї шини. Ширіна адресної шини, наприклад, визначає максимальний розмір оперативної пам'яті, яка може бути встановлена в обчислювальній системі. Ширіна шини даних визначає максимальний об'єм інформації, яка за один раз може бути отримана або передана по цій шині.

Операції обміну інформацією здійснюються при одночасній участі всіх шин. Розглянемо, наприклад, дії, які мають бути виконані для передачі інформації з процесора в пам'ять. У простому випадку необхідно виконати три дії.

На адресній шині процесор повинен виставити сигнали, відповідні адресі елементу пам'яті, в яку здійснюватиметься передача інформації.

На шину даних процесор повинен виставити сигнали, відповідні інформації, яка має бути записана в пам'ять.

Після виконання дій 1 і 2 на шину управління виставляються сигнали, відповідні операції запису і роботі з пам'яттю, що приведе до занесення необхідної інформації за потрібною адресою.

Природно, що приведені вище дії є необхідними, але недостатніми при розгляді роботи конкретних процесорів і мікросхем пам'яті. Конкретні архітектурні рішення можуть вимагати додаткових дій: наприклад, виставляння на шину управління сигналів часткового використання шини даних (для передачі меншої кількості інформації, чим дозволяє ширина цієї шини); виставляння сигналу готовності магістралі після завершення запису в пам'ять, що дозволяє приступити до нової операції, і так далі Проте загальні принципи виконання операції запису в пам'ять залишаються незмінними.

Тоді як пам'ять легко можна уявити собі у вигляді послідовності пронумерованих адресами осередків, локалізованих усередині однієї мікросхеми або набору мікросхем, до пристроїв введення-виводу подібний підхід непридатний. Зовнішні пристрої рознесені просторово і можуть підключатися до локальної магістралі в одній крапці або безлічі крапок, що отримали назву портів введення-виводу. Проте, точно так, як і елементи пам'яті взаємно однозначно відображалися в адресний простір пам'яті, порти введення-виводу можна взаємно однозначно відобразити в інший адресний простір – адресний простір введення-виводу. При цьому кожен порт введення-виводу отримує свій номер або адреса в цьому просторі. В деяких випадках, коли адресний простір пам'яті (розмір якого визначається шириною адресної шини) задіяний не повністю (залишилися адреси, яким не відповідають фізичні елементи пам'яті) і протоколи роботи із зовнішнім пристроєм сумісні з протоколами роботи з пам'яттю, частина портів введення -вывода може бути відображена безпосередньо в адресний простір пам'яті (так, наприклад, поступають з відеопам'яттю дисплеїв), правда, тоді ці порти вже не прийнято називати портами. Треба відзначити, що при відображенні портів в адресний простір пам'яті для організації доступу до них повною мірою можуть бути задіяні існуючі механізми захисту пам'яті без організації спеціальних захисних пристроїв.

У ситуації прямого відображення портів введення-виводу в адресний простір пам'яті дії, необхідні для запису інформації і команд, що управляють, в ці порти або для читання даних з них і їх станів, нічим не відрізняються від дій, вироблюваних для передачі інформації між оперативною пам'яттю і процесором, і для їх виконання застосовуються ті ж самі команди. Якщо ж порт відображений в адресний простір введення-виводу, то процес обміну інформацією ініціюється спеціальними командами введення-виводу і включає дещо інші дії. Наприклад, для передачі даних в порт необхідно виконати наступне.

На адресній шині процесор повинен виставити сигнали, відповідні адресі порту, в який здійснюватиметься передача інформації, в адресному просторі введення-виводу.

На шину даних процесор повинен виставити сигнали, відповідні інформації, яка має бути передана в порт.

Після виконання дій 1 і 2 на шину управління виставляються сигнали, відповідні операції запису і роботі з пристроями введення-виводу (перемикання адресних просторів!), що приведе до передачі необхідній інформації в потрібний порт.

Істотна відмінність пам'яті від пристроїв введення-виводу полягає в тому, що занесення інформації в пам'ять є закінченням операції запису, тоді як занесення інформації в порт часто є ініціалізацією реального здійснення операції введення-виводу. Що саме повинні робити пристрої, прийнявши інформацію через свій порт, і яким саме образом вони повинні поставляти інформацію для читання з порту, визначається електронними схемами пристроїв, що отримали назву контроллерів. Контроллер може безпосередньо управляти окремим пристроєм (наприклад, контроллер диска), а може управляти декількома пристроями, зв'язуючись з їх контроллерами за допомогою спеціальних шин введення-виводу (шина IDE, шина SCSI і т. д.).

Сучасні обчислювальні системи можуть мати різноманітну архітектуру, безліч шин і магістралей, мости для переходу інформації від однієї шини до іншої і тому подібне Для нас зараз важливими є тільки наступні моменти.

· Пристрої введення-виводу підключаються до системи через порти.

· Можуть існувати два адресні простори: простір пам'яті і простір введення-виводу.

· Порти, як правило, відображаються в адресний простір введення-виводу і іноді – безпосередньо в адресний простір пам'яті.

· Використання того або іншого адресного простору визначається типом команди, що виконується процесором, або типом її операндів.

· Фізичним управлінням пристроєм введення-виводу, передачею інформації через порт і виставлянням деяких сигналів на магістралі займається контроллер пристрою.

Саме одноманітність підключення зовнішніх пристроїв до обчислювальної системи є одній з складових ідеології, що дозволяють додавати нові пристрої без того, що перепроектувало всієї системи.