Исходные данные
Общие исходные данные:
В состав ЭВМ входят следующие блоки:
ЦПУ;
ОП;
СПП;
СВВ;
БС;
таймер;
монитор, клавиатура, мышь.
Основные параметры ЭВМ:
адресность ЭВМ - двухадресная;
длина команды - переменная.
Разрядность ЭВМ и минимальный объем оперативной памяти:
разрядность – 32;
ёмкость ОП – не менее 16 Мбайт.
Индивидуальные данные:
структура ЭВМ – двухшинная;
сопроцессор – адресный сопроцессор;
система прерываний – цепочечная макро;
кэш – адресный КЭШ (буфер TLB);
оперативная память – сегментно-страничная;
ввод/вывод – условный;
разрабатываемый блок - блок преобразования виртуальных адресов в физические
Разработка и описание структурной схемы ЭВМ
Проектирование структуры заключается в определении состава ЭВМ и способов взаимодействия, содержащихся в ней устройств.
Т.к. состав проектируемой ЭВМ уже определен в исходных данных, проектирование удобно будет начать с рассмотрения структурной схемы ЭВМ, а затем подробно рассмотреть ее отдельные части.
Обобщенная структурная схема ЭВМ
Согласно заданию, ЭВМ построена на основе общей шины. В данном случае все устройства вычислительной машины подключены к магистральной шине, служащей единственным трактом для потоков команд, данных и управления (рис.1). Наличие общей шины существенно упрощает реализацию ВМ, позволяет легко менять состав и конфигурацию машины. Благодаря этим свойствам шинная архитектура получила широкое распространение в мини и микро ЭВМ. Вместе с тем, именно с шиной связан и основной недостаток архитектуры: в каждый момент передавать информацию по шине может только одно устройство. Основную нагрузку на шину создают обмены между процессором и памятью, связанные с извлечением из памяти команд и данных и записью в память результатов вычислений. На операции ввода/вывода остается лишь часть пропускной способности шины. Практика показывает, что даже при достаточно быстрой шине для 90% приложений этих остаточных ресурсов обычно не хватает, особенно в случае ввода или вывода больших массивов данных.
Рис.1. Структура вычислительной машины на базе общей шины
В целом следует признать, что при сохранении фон-неймановской концепции последовательного выполнения команд программы, шинная архитектура в чистом ее виде оказывается недостаточно эффективной. Более распространена архитектура с иерархией шин, где помимо магистральной шины имеется еще несколько дополнительных шин. Они могут обеспечивать непосредственную связь между устройствами с наиболее интенсивным обменом, например процессором и кэш памятью. Другой вариант использования дополнительных шин — объединение однотипных устройств ввода/вывода с последующим выходом с дополнительной шины на магистральную. Все эти меры позволяют снизить нагрузку на общую шину и более эффективно расходовать ее пропускную способность.
Ниже представлена структурная схема ЭВМ. Основной особенностью данной ЭВМ является ее двухшинная организация. В отличие от трехшинной организации, здесь шины данных и адреса объединены, поэтому адрес и данные могут передаваться только в разные моменты времени.
В разрабатываемой ЭВМ структура – двухшинная, это означает, что линии адреса и данных объединены в единую мультиплексируемую шину адреса/данных. Такая шина функционирует в режиме разделения времени, поскольку цикл шины разбит на временной интервал для передачи адреса и временной интервал для передачи данных.
Мультиплексирование адресов и данных предполагает наличие мультиплексора на одном конце тракта пересылки информации и демультиплексора на его другом конце. Мультиплексоры и демультиплексоры играют роль коммутирующих устройств.
Мультиплексирование позволяет сократить общее число линий, но требует усложнения логики связи с шиной. Кроме того, оно ведет к потенциальному снижению производительности, поскольку исключает возможность параллельной передачи адресов и данных, что можно было бы использовать в транзакциях записи, одновременно выставляя на шину адреса – адрес, а на шину данных – записываемое слово. Примером применения мультиплексируемой шины адреса/данных может служить шина Futurebus+.
На шину управления сигналы поступают из ЦП и блока синхронизации. Из ЦП на шину управления идут сигналы обращения к памяти и определения направления передачи данных, с БС – системный синхросигнал. В БС также находится схема начальной установки и сброса. Схема начальной установки устанавливает в исходное состояние различные узлы ЭВМ после включения питания. В частности, отключает все выходные буферы устройств от системной магистрали во избежание конфликта и выхода их из строя, обнуляет системный таймер и запускает ГТИ после того, как установится питание, а также сбрасывает секвенсор микрокоманд. При пуске системы выполняется тестирование по служебной программе, хранящейся в ПЗУ и инициализация контроллеров периферийных устройств.
ЭВМ с хранимой программой может быть определена как машина, обрабатывающая данные в соответствии с заранее определенными правилами (инструкциями), при этом программа (набор инструкций) и данные находятся в памяти машины (рис. 2).
Для загрузки программы и данных в память, а также для вывода результатов обработки из памяти необходим какой-либо способ связи с внешними объектами. Этой цели служат устройства ввода-вывода (рис. 2).
При каждом обращении к памяти по определенному адресу центральный процессор, как правило, выполняет операцию чтения или записи одного слова памяти [1].
Периферийные устройства присоединяются с помощью блоков управления (контроллеров) периферийными устройствами, осуществляющих согласование форматов данных, используемых в ПУ с форматом принятом для передачи по общей шине. Последний (формат данных) обычно соответствует машинному слову процессора и/или информационной ширине магистрали.
Проектирование структуры заключается в определении состава ЭВМ и способов взаимодействия, содержащихся в ней устройств. Структурная схема разрабатываемой ЭВМ приведена на рис.2.
ОБ
 
Котроллер ОП
Блок контроля
МУУ
ОЗУ
ПЗУ
Адресный сопроцессор
Адресный кэш
      
Рис.2 Структурная схема ЭВМ
Далее будет подробно рассмотрено назначение каждого узла и блока, а так же функции, которые они выполняют.
|
