Организация гальванической развязки

Для соединения устройств без провода используют два подхода:

1.Токовая петля с использованием оптической развязки.

 
 

Но таким способом можно соединить только два устройства.

2.Трансформаторный элемент.

 
 

Можно использовать для построения сетей.

Построение систем обмена

Историческая схема.

Так как процессор единственный (нет процессора ввода/вывода), все устройства подключены к нему, следовательно, 50% машинного времени тратится на ввод / вывод. Такая архитектура в настоящее время практического применения не имеет.

 
 

ЦП – центральный процессор

ОП – оперативная память

ВУ – внешнее устройство

Улучшенный вариант имеет два процессора. Один процессор занимается только вычислениями, другой вводом/выводом. Такая организация в 2 раза повышает производительность.

 
 

Пр. В/В – процессор ввода/вывода

Так для решения задачи имеется два процессора, следовательно, можем разделить процесс решения на этапы:

1. Загрузка

2. Вычисление

3. Вывод результата

Такая система позволяет конвейеризовать процесс решения задачи.

Схема организации обмена в машинах IBM 307,3070

 
 

БУП - блок управления памятью

ИА – интерфейсный адаптер

ИП – интерфейс памяти

И2, И3, И4 - интерфейсы

Соответствие между электроникой и механикой, необходимость стыковки ядра и периферии, влечет за собой необходимость в наличии устройств согласования (интерфейсных адаптерах).

Два типа устройств:

1.Устройства, информация с которых влияет на решение задачи, значит нужна быстрая реакция на ввод/вывод (автопилот, датчики крена)

2.Архивная (внешняя) память, (принтер, монитор)

Машины отличаются организацией интерфейсной системы.

Общая шина

Основной идеей интерфейса UNIBUS является объединение всех внутримашинных интерфейсов в один общий для всех устройств интерфейс, такая структура машины называется магистрально-модульной.

При таком обмене используются одни и те же шины адреса, данных, управления и синхронизации. Для временного разделения интерфейсных шин между несколькими устройствами, желающими произвести обмен, используется специальное устройство – арбитр. Таким образом, любой обмен осуществляется в несколько этапов.

Фазы арбитража:

1.Запрос к арбитру на право пользования интерфейсом

2.Выдача разрешения

3.Установка специального признака занятости интерфейса

Каждое устройство получает свой признак – номер ячейки в ОП, все операции осуществляются одной командой, все интерфейсы в таком случае – интерфейсы памяти. Перед передачей данных анализируется адрес и по нему определяется требуемое устройство.

Фазы обмена:

1. Арбитраж

2. Адресация устройства

3. Передача данных

Можно ускорить процесс обмена, совместив разные фазы обмена для разных обменов.

 
 

Сигнал «занято» говорит о том, что мы можем совместить фазы арбитража.

 
 

Для выполнения каждого действия нужен интерфейс, т. е. Провода для адресации свой набор и для передачи данных свой набор. Но если мы разносим фазы во времени, то можем использовать один провод – мультиплексированная шина адреса/данных.

Часто обмен с памятью идет не отдельными словами, а блоками по последовательным адресам, т.е. массивами. Таким образом, нам не нужно определять адрес каждого слова, а нужен лишь начальный адрес массива. Блочный обмен – обмен, при котором устройство само следит за фазой адресации при передаче первого слова, затем идет автоматическое увеличение адреса, но длина массива оговаривается заранее.

 
 

Варианты построения схем арбитража

- параллельное построение

 
 

Запросы могут поступать одновременно по параллельным каналам, но разрешения будут выдаваться в соответствии с приоритетом устройства. Данная схема подходит для не большого количества устройств.

- последовательное построение

 
 

Шины запроса и разрешения единственны. В каждом устройстве находится ключ, если он разомкнут, то устройство выставило запрос. На выдачу разрешения влияет приоритет по дальности от арбитра.

В современных машинах используется параллельно-последовательный арбитраж – устройства разбиваються на группы по приоритетам, внутри группы последовательный арбитраж, между группами параллельный.

Режимы обмена

1. Обмен с опросом готовности

Вводится специальный регистр команд и состояний, один из битов которого определяет готовность устройства к обмену. Бит готовности, как правило, совмещают со знаковым разрядом, следовательно, нужно получить признаки (команда TEST).

 
 

2. Обмен с прерыванием

 
 

Имя устройства используется как косвенный адрес ячейки, в которой находится адрес подпрограммы, т. е. по имени получаем начальный адрес вектора прерываний.

 
 

В регистре состояний есть бит разрешения/запрещения прерываний.

Существуют три уровня обслуживания прерываний:

1. Подпрограмма

2. Некая процедура (для сохранения данных)

3. Отдельная задача

Выше перечисленные типы обмена называются программно-управляемыми, программа находится в ЦП.

3. Обмен без использования ЦП (Внепроцессорный обмен)

Используется процессор ввода/вывода, этот обмен может происходить всегда, даже когда команда не закончена.

Базовые идеи межмашинного обмена

1. Процессорная система

ЦП- центральный процессор

Данная система обмена возможна, но не предпочтительна, так как быстродействие шины еще ниже, чем быстродействие оперативной памяти (ОП).

Возможны два варианта обмена между ЦП:

- ЦП1 рассматривает ЦП2 как внешнее устройство (ВУ)

- ЦП2 рассматривает ЦП1 как внешнее устройство (ВУ)

Данная схема симметрична и представляет собой простое соединение двух машин через два интерфейсных адаптера (ИА). Алгоритм обмена такой же как с внешними устройствами.

2. Можно поставить контроллер прямого доступа к памяти

 
 

Но и в этом случае второй ЦП воспринимается как внешнее устройство (ВУ).

3. Идея окна.

Память можно разбить на некоторые секции и через одну секцию просматривать всю память.

* - окно в память другой машины

 
 

У фирмы DEC ЦП имеет главный приоритет в арбитраже.

У фирмы Intel - максимальный приоритет у Пр. В/В, так как он очень редко забирает шину следовательно идет блокировка ЦП. Обращение ко второму процессору так же быстро как к первому, но одна машина тормозит работу другой машины.

4. Идея фиксированного окна

Разделяемая память переключается с одного ЦП на другой ЦП.

Схема с общим разделяемым ресурсом

ПШ – переключатель шины, передает ресурс разделяемой памяти от одного процессора другому. ВУ – общие разделяемые ВУ.

Сеть, построенная по первому варианту взаимодействия.

 
 

Современная машина имеет много процессоров: процессор ввода/вывода,

дисплейный ЦП (ДП), контролер диска (КД).

Общая шина не дает процессорам работать оперативно, следовательно, персональный компьютер должен быть мультипроцессорной системой с несколькими интерфейсами.

 
 

Схема современной организации обмена. Схема имеет пять интерфейсов, причем только один из них является открытым – это пользовательский интерфейс (интерфейс с ВУ).

КШ – контроллер шины

Конвейер команд

 
 
F

Задача F может быть разбита на подзадачи.

Т.о. можно реализовать конвейер.

Можно построить отдельные устройства, быстродействие которых 1 команда за 1 такт.

Этапы выполнения команды:

1. Выборка команды (ВК)

2. Дешифрация команды (ДШ)

3. Вычисление адреса 1-го операнда (А1)

4. Выборка 1-го операнда (О1)

5. Вычисление адреса 2-го операнда (А2)

6. Выборка 2-го операнда (О2)

7. Выполнение операции (ОР)

8. Запись результата (ЗР)

9. Завершение операции (ЗО)

ПК- память команд.

9 этапов – 9 устройств

 
 

Невозможно выполнить команду за один такт, так как требуется 6 обращений в Оп. Положим А2 в регистр, следовательно убираем 2 обращения в ОП.

Помехи – возможные ошибки, которые возникают при нарушении логического порядка конвейера команд.

Случаи, в которых могут возникать ошибки (помехи):

1. Чтение после записи

2. Запись после чтения

3. Запись после записи

4. Чтение после чтения

Способы защиты от помех:

1.Контроль адресов.

Если команда использует один регистр, то следующая команда стопорится, пока не выполнится предыдущая.

«Короткое замыкание»

В ЦП есть несколько ступеней, каждой из которых надо обращаться к памяти, следовательно, сами ступени закрыты от ОП устройством обмена с памятью.

 
 

Если I ст. нужно слово непосредственно от I+1 ст., то слово сразу передается I ст., а потом записывается в память.

2.Команды при прохождение через конвейер не записывают результат в память. Как бы команды не обгоняли друг друга на конвейере все записи выполняются в строго логическом порядке – порядке команды. Если команда воспользовалась неправильными данными она отправляется на перевыполнение. Обычно, конвейер 6-8 ступенчатый, в пределах 6-8 команд программа не должна использовать один и тот же регистр.

3.Пентиум, пентум про – две разные организации.

Наши рекомендации