28. Які системні ресурси комп’ютера Ви знаєте?Дайте короткий опис кожному з них.

Для бесконфликтной совместной работы узлов и устройств компьютера необходимо кор­ректно разделять имеющиеся общие системные ресурсы, основными из ко­торых являются:

• линии запросов на прерывание;

• каналы прямого доступа к памяти;

• порты ввода/вывода.

В процессе выполнения программ в компьютере могут возникнуть условия, требующие изменения хода обработки данных. Так, при нажатии клавиши или кнопки мыши, компьютеру необходимо приостановить текущие дейст­вия и переключиться на другие в ответ на поступивший запрос. При выполнении программы также может возникнуть ошибочная ситуация, например, деление на ноль. Поэтому для взаимодействия устройств и программ компьютера с центральным процессором, в IBM-совместимых компьютерах предусмот­рена система прерываний (interrupts). Помимо обеспечения взаимодействия устройств и программ, система прерываний компьютера аппаратно поддерживает мультипрограммирование – выполнения одним процессором одновременно большого числа программ за счет прерывания выполнения текущей программы и передачи управления другой программе

В IBM-совместимых компьютерах имеется два вида прерываний: аппа­ратные (hardware interrupts) и программные (software interrupts). К аппарат­ным прерываниям относятся в первую очередь прерывания, встроенные в процессор – прерывания при делении на нуль, прерывания при аварии питания и т. п. К аппаратным также относятся прерывания, с помощью которых процессо­ру сообщается об аппаратных событиях, например, уже упомянутых отсутст­вии бумаги в принтере или окончании дисковой операции.

С помощью программных прерываний прикладные программы могут выполнять опера­ции, запрограммированные в операционной системе, ROM BIOS или в других сервисных программах. Следует отметить, что аппаратное прерывание может получить управление и при выполнении программного прерывания. Про­граммные прерывания действуют практически так же, как и аппаратные, и отличаются только источником прерывания.

Аппаратные прерывания работают следующим образом. Когда какому-либо устройству требуется участие процессора (например, когда на клавиатуре нажата клавиша), оно посылает особый сигнал – запрос на прерывание.

Поскольку моменты возникновения прерываний заранее не известны, в каждом случае возникновения прерывания специальный блок прерываний выставляет в процессор специальные сигналы, называемые запросами на прерывание.

Сигнал прерывания вызывает в процессоре включение “механизма” передачи управления, причем этот сигнал может поступать как от внешних (внешние прерывания), так и от внутренних источников (внутренние прерывания).

Основными функциями системы прерываний программ являются:

• запоминание состояния (вектора) прерываемой программы;

• передача управления программам обработки прерываний;

• восстановление состояния прерванной программы и возврат к ней.

Передача данных в режиме прямого доступа к памяти – DMA (Direct Memory Access) требуется при обмене данными между оперативной памятью и высокоскоростными устройствами. В режиме прямого доступа периферийное устройство связано с оперативной памятью непосредственно через каналы прямого доступа (каналы DMA), а не через внутренние регистры микропро­цессора. Наиболее эффективным такой режим обмена данными бывает в ситуациях, когда требуется высокая скорость для передачи большого объема информации (например, при загрузке данных в память с компакт-диска).

Для организации прямого доступа в память используется контроллер DMA, встроенный в одну из микросхем на материнской плате. Устройство, требующее прямой дос­туп к памяти, по одному из свободных каналов DMA обращается к кон­троллеру, сообщая ему путь (адрес), откуда или куда переслать данные, на­чальный адрес блока данных и объем данных. Инициализация обмена происходит с участием процессора, но собственно передача данных осуществляется уже под управлением контроллера DMA, а не процессора.

Первые IBM-совместимые компьютеры имели четыре канала DMA:

• канал 0 – управляет периодическим процессом регенерации содержимого динамической оперативной памяти системы в соответствии со счетчиком 1 внутреннего таймера;

• канал 1 – может быть использован в прикладных программах;

• канал 2 – осуществляет управление высокоскоростной передачей данных между дисководами гибких дисков и оперативной памятью;

• канал 3 – управляет высокоскоростной передачей данных между дисководами жестких дисков и памятью.

В дальнейшем в компьютерах было добавлено еще 4 канала, один из которых, пятый канал, используется для подключения каналов 0-3.

Один канал DMA может использоваться различными устройствами, но не одновременно, например, канал 1 – для звуковой карты и устройства записи данных на магнитную ленту (стримера). Однако в этом случае нельзя одновременно слушать музыку и запи­сывать данные на ленту.

В компьютере любое устройство (контроллеры, установленные на картах расширения или на материнской плате) за исключением оперативной памяти рассматривается центральным процессором как периферийное.

Обмен данными между центральным процессором и периферийными устройствами осуществляет­ся через так называемые порты ввода/вывода. Конструктивно порт ввода/вы­вода представляет собой это буферное устройство или регистр контроллера, процессора обработки сигналов и т. п., которые непосредственно подключены к шине вво­да/вывода компьютера.

Для управления обменом данными между аппаратными компонентами компьютера каждому порту ввода/вывода присваивается свой уникальный шестнадцатеричный номер, называемый адресом порта, например, 2F8h или 370h. В IBM-совместимых компьютерах можно адресовать 65536 (2¹⁶) портов ввода/вывода, хотя большинство из них, как правило, не используется.

Адресное пространство портов ввода/вывода не совпадает с адрес­ным пространством памяти, что дает возможность иметь полный объем памяти и полный набор портов ввода/вывода. Стандартный диапазон адре­сов портов ввода/вывода для IBM-совместимых компьютеров составляет значения от 0 до 3FFh. Сюда входят порты конт­роллеров клавиатуры, жестких и гибких дисков, видеоадаптеров, звуковых карт, последовательных и параллельных интерфейсов, игровых портов и любого другого периферийного оборудования.

Периферийные устройства могут использоваться несколь­ко портов ввода/вывода (иногда их количество может достигать нескольких десятков). Например, контроллер параллельного интерфейса, к которому обычно подключается принтер, имеет три регистра: регистр вывода данных, регистр состояния и регистр управления, адресуемые через свои порты вво­да/вывода, а контроллер последовательного интерфейса – десять регистров, адресуемых через семь портов ввода/вывода. В этих случаях используется так называемый базовый адрес порта ввода/вывода (Base Address In/Out), соответствующий младшему адресу из группы портов (обычно ад­ресу порта регистра данных). Адресация остальных портов периферийного устройства осуществляется путем задания смещения относи­тельно базового адреса.

30. Що таке внутрішня пам'ять комп’ютера? Із чого вона складається?Які основні характеристики елементів пам’яті ?Які основні режими роботи пам’яті і технології підвищення швидкості обміну даними між центральним процесором і мікросхемами пам’яті існують?

К внутренней памяти компьютера обычно относят оперативную память, внешнюю кэш-память, кэш-память первого и второго уровней, а также память, в которой размещается BIOS (ROM BIOS).

Внутренняя память компьютера состоит из ячеек. Объем ячейки памяти принимается обычно равным одному байту. Каждой ячейке памяти присваивается свой адрес или номер.

Ячейки памяти организованы в матрицу, состоящую из строк и столбцов. Полный адрес ячейки данных включает два компонента – адрес строки (row address) и адрес столбца (column address).

Когда центральный процессор или устройство, использующее канал DMA, обращается к па­мяти для чтения данных, выполняется следующая последовательность операций:

• на вход памяти поступает сигнал вывода данных (Output Enabled);

• ад­рес ячейки поступает по адресным линиям на дешифратор памяти, который преобразует поступивший набор нулей и единиц в номер строки и номер столбца;

• на вход памяти поступает адрес строки;

• данные, с помощью внутренней шины, общей для каждого столбца памяти, считываются со всей выбранной строки запоминающих элементов одновременно, и помещаются в буфер вво­да/вывода памяти;

• с незначительной задержкой на вход памяти подается адрес столбца;

• данные для заданного столбца выбираются из буфера ввода/вывода и поступают на выход памяти.

При считывании данных из ячеек памяти происходит ее разрушение, поэтому производится перезапись считанных данных: выходы буфера вво­да/вывода снова соединяются с общими шинами столбцов памяти, чтобы пере­записать считанную информацию из строки. Если ячейка имела заряд, то она снова будет заряжена еще до завершения цикла чтения. На ячейки, ко­торые не имели заряда, напряжение не подается.

Если производится запись в память, то, после поступления сигнала записи (Write Enable), выполняется перезапись данных, по заданному адресу столбца и строки, но данные берутся не из буфера вво­да/вывода, а с входа памяти.

Основными характеристиками элементов памяти являются:

• разрядность и емкость;

• время доступа;

• временная диаграмма;

• тип.

Если микросхема памяти, имеет только одну ли­нию ввода/вывода, то из такой микросхемы центральный процессор может одновременно считать (записать) только один бит данных. Для повышения скорости обмена дан­ными между центральным процессором и памятью были разработаны микросхемы, имеющие 4, 8 и 16 линий ввода/вывода. Подобные микросхемы имеют соответственно 4, 8 или 16 одинаковых матриц ячеек памяти. Таким образом, при поступлении на входы микросхемы адреса ячейки производится одновременное чтение (запись) всех ячеек, находящихся по данному адресу, но в различных мат­рицах, т.е. в этом случае одновременно считывается, записывается сразу несколько бит информации (4 бита, байт или 2 байта).

Количество линий ввода/вывода определяет разрядность шины ввода/вы­вода микросхемы.

Количество бит информации, которое хранится в ячейках каждой матри­цы, называется глубиной адресного пространства (address depth) микросхемы памяти.

Таким образом, общая емкость микросхемы памяти определяется произведением глубины адресного пространства на количество линий ввода/вывода (разрядов). Например, емкость микросхемы памяти, имеющей глубину ад­ресного пространства 1 Мбайт и 4 линии ввода/вывода (четырехразрядную ши­ну ввода/вывода), составляет 1 Мб4 = 4 Мб. Такая микросхема обознача­ется 14, 1М4, хх4400 либо хх4401.

Производительность микросхемы памяти характеризуется временем выполнения элементарных действий между двумя операциями чтения либо записи данных. Последовательность этих операций называют рабочим циклом (или циклом обращения). Он включает указание адреса данных, выбор строки, выбор столбца и чтение (запись).

Время, необходимое для чтения (записи) данных, хранящихся по случайно­му адресу, называется временем доступа (access time). Для современных мик­росхем оно составляет 40-60 нс, что соответствует частоте появления дан­ных 16,7-25 МГц на выходе микросхемы.

Для повышения скорости обмена данными между центральным процессором и микросхемами па­мяти разработаны специальные режимы работы памяти и технологии:

• пакетный режим;

• чередование адресов;

• разбиение памяти на страницы;

• кэширование памяти.

При использовании пакетного режима (Burst mode) центральный процессор запрашивает данные из памяти не побайтно, а в виде пакетов, состоящих из 32 или 64 битов. В этом режиме, кроме одного слова центральный процессор считывает еще три, расположен­ные рядом.

Метод управления памятью с чередованием адресов (Interleaving mode) осно­ван на том, что логически связанные байты чаще всего располагаются в па­мяти друг за другом. Чтобы не было пауз в работе памяти, осуще­ствляется ее чередование, т. е. помещение следующих друг за другом ячеек памяти в разные микросхемы памяти, из которых хранящие в них данные можно считывать одновременно.

Метод разбиения памяти на страницы (Paging mode) основан на том факте, что каждый по­ступающий в центральный процессор байт расположен рядом с байтом, уже считанным из па­мяти и логически связанным с ним. Следовательно, не нужно повторять сигнал ввода или записи, если адреса строк выбираемых ячеек памяти находятся в пределах одной страницы, т. е. адрес строки неизменен. Обычно память делится на страницы размером 512 байт и более.

Кэширование памяти используется для ускорения доступа к данным, находящимся в RAM и реализуется с помощью одного из рассмотренных выше видов кэш-памяти (внешней или внутренней кэш-памяти).

В реальных условиях обращение к памяти чаше происходит не по случай­ному адресу, поэтому рабочий цикл короче. Так при выполнении последовательных операций чтения/записи время рабочего цикла для второго и следующих циклов может быть значительно меньше, чем для первого цикла.

Временная диаграмма характеризует количество тактов, которые необ­ходимы центральному процессору для выполнения четырех последовательных операций считывания данных. Например, диаграмма 5-2-2-2 для 8-разрядной микросхемы означает, что для считывания первого байта необходимо пять тактов центрального процесса, а для считывания трех последующих байтов – два такта.

Ниже рассматриваются используемые в настоящее время типы внутренней памяти.