B.2. Разрядность процессора.
Важным свойством микропроцессора является разрядность его шины данных и адреса. Выясним, почему это так.
Важнейшим параметром, определяющим скорость работы любого процессора, является тактовая частота. Она представляет собой импульсы прямоугольной формы, с которой синхронизируются все операции процессора. По другому тактовая частота называется частотой синхроимпульсов. Тактовой же частотой она называется потому, что любая операция в процессоре не может быть выполнена быстрее, чем за один такт (период) синхроимпульсов.
С объединением элементов процессора в один кристалл наиболее узким местом в производительности процессора стала не пересылка данных между элементами процессора, а скорость обмена данными между процессором и остальными устройствами по шине. Поскольку любая операция, в том числе и пересылка данных, не может происходить быстрее, чем за такт, логично предположить. что желательно передавать как можно больше информации за один такт. Так как единицей информации является один бит (двоичный разряд), то, чем больше передается разрядов за один такт (по шине данных), тем быстрее работает процессор.
С разрядностью шины адреса немного сложнее. Дело в том, что вся адресуемая память компьютера пронумерована побайтно. Поэтому для обращения процессора к памяти ему необходимо запросить адрес нужных данных по адресной шине. Разрядность шины адреса определяет максимальный номер байта, который может быть затребован процессором. Так, при 8-ми разрядной шине возможна адресация 256 байт, при 16-ти разрядной – 64 Кбайт, а при 32-х разрядной – 4 Гбайт.
Между шиной адреса и шиной данных есть эмпирическое соотношение: чем больше процессор должен адресовать памяти (т.е. чем больше разрядность шины адреса), тем быстрее они должны поступать в процессор. Следовательно, тем шире шина данных. Однако на разрядность шин накладывается технологическое ограничение: чем шире шина, тем сложнее сделать его компоненты (как со «стороны» процессора, так и периферии.) Поэтому в современных универсальных микропроцессорах ШАШ ~ 0.5 – 2.0 ШШД.
Примечание: ШАШ – ширина адресной шины, ШШД – ширина шины данных).
Copyright © Юрий А. Денисов. 2000-2002 г.
В настоящее время проект закрыт (в версии 1.00.3 alpha). Автор приносит извинения за прекрашение разработки.
Шина данных. разрядность шины
Шину данных образуют линии, служащие для передачи данных между отдельными структурными группами ПК. Исходным пунктом линий данных является центральный процессор. Он определяет разрядность шины данных, т.е. число линий, по которым передаются данные. Чем выше разрядность шины данных, тем больший объем данных можно передать по ней за некоторый определенный промежуток времени и тем выше быстродействие компьютера.
В первых ПК использовался процессор Intel 8088. Этот 16-разрядный процессор имел всего лишь 8 внешних линий данных (этим объясняется его низкая стоимость). Для внутренних операций было задействовано 16 линий данных, благодаря чему процессор мог одновременно обрабатывать два восьмиразрядных числа. Но на внешнем уровне к нему присоединялась дешевая восьмиразрядная шина данных. Эти 8 линий обеспечивали связь со всеми микросхемами на системной плате, выполняющими функции обработки данных, и всеми платами расширения, установленными в гнездах. Таким образом осуществлялась передача данных между платами расширения и процессором.
Современные процессоры допускают внешнее подключение большего числа линий данных: процессор 80286 — 16 линий данных, процессоры 80386 DX и 80486 DX — 32 линии, а процессор Pentium — 64 линии данных.
Адресная шина. Разрядность шины
Другая группа линий образует адресную шину. Эта шина используется для адресации. Каждая ячейка памяти и устройство ввода-вывода компьютера имеет свой собственный адрес.
При считывании или записи данных процессор должен сообщать, по какому адресу он желает прочитать или записать данные, для чего необходимо указать этот адрес.
В отличие от шины данных шина адреса является однонаправленной.
Разрядность адресной шины определяет максимальное число адресов, по которым может обратиться процессор, т. е. число линий в адресной шине показывает, каким объемом памяти может управлять процессор. Учитывая, что одна адресная линия обеспечивает представление одного разряда двоичного числа, формулу для максимального объема адресуемой памяти можно записать в следующем виде:
максимальное число адресов = 2n,
где n — разрядность адресной шины.
Процессор 8088 имел 20 адресных линий, что в соответствии с приведенной формулой обеспечивало адресацию памяти объемом:
220 =1 048 576 байт = 1024 Кбайт = 1 Мбайт.
Это тот самый предельный объем памяти, который все еще имеет силу в операционной системе DOS.
Совсем иная ситуация с процессором 80286. Он имеет 24 адресных линии и поэтому в состоянии управлять памятью объемом:
224= 16 777 216 байт =16 Мбайт.
Для обеспечения связи с микросхемами памяти число адресных линий процессора должно равняться числу адресных линий на системной плате.
Процессоры 80386, 80486 и Pentium имеют 32 адресных линии, что обеспечивает адресацию свыше 4 млрд. ячеек памяти. На системной плате с такими процессорами должно быть 32 линии, обеспечивающие обмен адресами между центральным процессором и всеми важными периферийными микросхемами.
Линии шины управления на системной плате служат для управления различными компонентами ПК. По выполняемой ими функции их можно сравнить с переводной стрелкой на железнодорожных путях.
С помощью небольшого числа линий шина управления обеспечивает такое функционирование системы, чтобы в каждый данный момент времени только одна структурная единица ПК пересылала данные по шине данных или осуществляла адресацию памяти.
К шине может быть подключено много приемных устройств. Сочетание управляющих и адресных сигналов определяет, для кого именно предназначаются данные на шине. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы, чтобы указать получателю, когда ему следует принимать данные.
Управляющая логика активизирует в каждый конкретный момент только одно устройство, которое становиться ведущим. Когда устройство активизировано, оно помещает свои данные на шину. Все другие микросхемы в этот промежуток времени должны блокироваться с помощью соответствующего сигнала на линии управления.
Микропроцессор взаимодействует с внешней средой с помощью шины адреса/данных/состояния и нескольких управляющих сигналов. Собственно взаимодействие заключается в выполнении одной из двух операций: МП либо выводит (записывает) данные, либо вводит (считывает) данные или команды. В каждой из этих операций процессор должен указывать то устройство, с которым он будет взаимодействовать; другими словами, процессор должен адресовать ячейку памяти либо порт ввода или вывода.
Для передачи данных или выборки команды процессор инициирует так называемый цикл шины. Кроме процессора, цикл шины могут инициировать и другие устройства, например, арифметический сопроцессор.
Цикл шины представляет собой последовательность событий, в течение которой процессор выдает адрес ячейки памяти или периферийного устройства, а затем формирует сигнал записи или считывания, а также выдает данные в операции записи. Выбранное устройство воспринимает данные с шины в цикле записи или помещает данные на шину в цикле считывания. По окончании цикла шины устройство фиксирует записываемые данные или снимает считываемые данные.
Рассмотрим цикл шины микропроцессора 8086, который имеет совмещенную 20-разрядную шину адреса/данных/состояния и шину управления (рис. 4).
Рис. 4. Шины микропроцессора 8086
Цикл шины микропроцессора 8086 состоит минимум из четырех тактов синхронизации, называемых также состояниями T, которые идентифицируются спадающим фронтом сигнала синхронизации CLC. В первом такте (T1) процессор выдает на шину адреса/данных/состояния AD20-AD0 адрес устройства, которое будет источником или получателем информации в текущем цикле шины. Во втором такте (T2) процессор снимает адрес с шины и либо переводит тристабильные буферы линий AD15-AD0 в высокоимпедансное состояние, подготавливая их к выводу информации в цикле считывания, либо выдает на них данные в цикле записи.
Управляющие сигналы, инициирующие считывание, запись или подтверждение прерываний, всегда выдаются в такте T2. В максимальной конфигурации системы сигнал записи формируется в такте T3, чтобы гарантировать стабилизацию сигналов данных до начала действия этого сигнала.
В такте T2 старшие четыре линии адреса/состояния переключаются с режима выдачи адреса на режим выдачи состояния. Сигналы состояния предназначены в основном для диагностических целей, например, идентифицируют сегментный регистр, который участвует в формировании адреса памяти.
В течение такта T3 процессор сохраняет информацию на линиях состояния. На шине данных в цикле записи сохраняются выводимые данные, а в цикле считывания производится опрос вводимых данных.
Тактом T4 заканчивается цикл шины. В этом такте снимаются все управляющие сигналы и выбранное устройство отключается от шины.
Таким образом, цикл шины для памяти или периферийного устройства представляет собой асинхронное действие. Устройство может управлять циклом шины только путем введения состояний ожидания.
Процессор выполняет цикл шины в том случае, когда ему необходимо осуществить запись или считывание информации. Если циклы шины не требуются, шинный интерфейс реализует холостые состояния Ti, в течение которых процессор сохраняет на линиях состояния сигналы состояния от предыдущего цикла шины.
Статьи к прочтению:
- Штрих-кодовая татуировка теперь требуется по закону
- Симметричная многопроцессорная архитектура smp
Как выбрать видеокарту. Или почему шина 256 бит — не рулит. (см. описание)
Похожие статьи:
- Интерфейсная шина i2c. назначение, форматы передачи данных, основные технические характеристики Современные устройства радиоэлектронной техники используют большое число микросхем, что требует много линий для адресации, выбора и управления их…
- Шины микропроцессорной системы Шины микропроцессорной системы и циклы обмена Самое главное, что должен знать разработчик микропроцессорных систем — это принципы организации обмена…
что определяет собой разрядность шины адреса?
Данные, которые в большом количестве кочуют по шине через материнскую плату, должны, в конце концов, сделать где-нибудь помежкточную остановку. Местом для этой остановки являются отдельные ячейки памяти. Каждая ячейка должна иметь свой адрес. Следовательно, объем памяти, который может адресовать процессор, зависит от разрядности адресной шины. Его можно вычислить по формуле:
Объем адресуемой памяти = 2n, где n — число линий в адресной шине.
Процессор 8088, например, имел в своем распоряжении 20 адресных линий и, таким образом, мог адресовать всего 1 Mb памяти (220=1048576). В компьютерах на базе процессора 80286 адресная шина была уже 24-разрядной, а процессоры 80486 имеют уже 32-разрядную шину, которая позволяет адресовать 4 им гигабайта памяти.
Тема 1. Магистрально-модульный принцип построения компьютера
Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке.
Шина данных. Предназначена для передачи данных между различными устройствами (например, между оперативной памятью и процессором).
Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно.
Шина адреса. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти, куда пересылает или считывает данные процессор, имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении – от процессора к оперативной памяти и устройствам.
Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтных ячеек оперативной памяти, которые могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:
N=2 I , где I – разрядность шины адреса.
Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию – считывание или запись информации из памяти – нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.
Процессор и оперативная память
Процессор
Центральный процессор (ЦП, или центральное процессорное устройство — ЦПУ; англ. central processing unit, сокращенно — CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок либо микросхема — исполнитель машинных инструкций (кода программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.
Процессор — это главная микросхема компьютера, его «мозг». Он разрешает выполнять программный код, находящийся в памяти и руководит работой всех устройств компьютера. Чем выше скорость работы процессора, тем выше быстродействие компьютера. Процессор имеет специальные ячейки, которые называются регистрами. Именно в регистрах помещаются команды, которые выполняются процессором, а также данные, которыми оперируют команды. Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд и данных и их выполнении. На этом и базируется выполнение программ.
Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, разрядность.
Оперативная память
Оперативная память компьютера – это память, в которой хранится временная информация, необходимая для корректной работы запущенных на данный момент процессов, программ и приложений. Память отличается большой скоростью доступа к ней.
Содержащиеся в оперативной памяти данные сохранены и доступны только тогда, когда компьютер включен. При выключении компьютера содержимое стирается из оперативной памяти, поэтому перед выключением компьютера все данные нужно сохранить. От объема оперативной памяти (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство) зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер.
Типы ОЗУ. На данный момент самыми распространенными являются три типа памяти: DDR, DDR2, DDR3. Здесь все просто: самый плохой из них DDR, а самый новый и хороший DDR3. Бесполезно будет вставлять в материнскую плату разные по типу линейки оперативной памяти, поскольку разьемы у них разные. Типы памяти отличаются частотой передачи данных: DDR: 200-400 МГц, DDR2: 533-1200 МГц, DDR3: 800-2400 МГц. Соответственно, чем больше частота, тем быстрее все работает.