Arhitectura sistemelor de calcul

Arhitectura sistemelor de calcul

In sistemul de calcul sunt vehiculate trei categorii de informatii:

date care trebuie prelucrate;

instructiuni care indica prelucrarile ce trebuie efectuate asupra datelor (adunare, scadere, comparare etc.)

adrese care permit localizarea diferitelor date si instructiuni

Unitatea de memorie are rolul de a stoca instructiunile si datele

Memoria este formata dintr-un numar mare de celule independente (numite si locatii), fiecare celula putand memora o valoare.

Adresa este un numar care identifica in mod unic o locatie de memorie.

Memoria poate fi volatila sau nevolatila

Unitatea centrala de prelucrare (CPU) are rolul de a executa instructiunile realizand urmatoarele actiuni:

Faza de adresare

Faza de citire

Faza de decodificare

Faza de executie

Dispozitivele de intrare/iesire permit transferul informatiei intre CPU, memorie si lumea externa.

Busul de date vehiculeaza datele propriu-zise

Busul de adrese este calea pe care sunt transmise de CPU adresele catre memorie sau se vehiculeaza adresele dispozitivului de I/O

Busul de comenzi vehiculeaza semnalele de comanda si control intre toate aceste blocuri

Structura generala a unui sistem de calcul

Informatia reprezinta acea entitate care inlatura total sau partial starea de nedeterminare, pe baza unui mesaj adresat unui receptor.

Datele sunt fapte, evenimente, notiuni sau instructiuni reprezentate sub o forma codificata, adecvata culegerii, transmiterii, comunicarii, interpretarii sau prelucrarii.

Transmiterea datelor se realizeaza cu ajutorul semnalelor.

Semnalul este o valoare dependenta de timp si spatiu, atribuita unui fenomen fizic care transporta date.

Echipamentele numerice de prelucrare a datelor utilizeaza semnale discrete.

Datele sunt depuse pe suporturi sub forma de simboluri sau caractere.

Reprezentarea datelor sub forma discreta se face cu ajutorul codurilor.

Codul este un ansamblu de reguli care specifica modul in care se pot reprezenta datele intr-o forma discreta.

Procesul de prelucrare a datelor cuprinde:

metoda de prelucrare;

mijloacele tehnice utilizate.

Sistemul informatic are ca element de culegere, stocare, prelucrare si transmitere a datelor un calculator electronic.

Functiile de baza ale unui sistem de calcul sunt:

transferul datelor;

stocarea datelor;

prelucrarea datelor

Sistemele de calcul sunt formate dintr-o retea de subsisteme care pot avea urmatoarele functii:

1. Preluarea datelor si a instructiunilor de la utilizator echipamentele periferice de intrare
2. Memorarea informatiilor referitoare la datele de intrare memoria centrala interna
3. Realizarea de calcule aritmetice si logice unitatea aritmetica si logica (UAL)
4. Decodificarea instructiunilor si interpretarea lor este realizata de sistemul de comanda (SCd).
5. Transformarea rezultatelor din memorie in informatii exploatabile de utilizator echipamentele periferice de iesire
6. Controlul transferului de date (canale de I/E, unitati de comanda, procesoare de I/E).

Structura de baza a unui SI/E standard cuprinde: canale de transfer, procesoare de I/E, unitatile de legatura(UL) ale echipamentelor periferice (EP), precum si interfetele dintre aceste componente.

Sistemele de I/E au o structura ierarhizata caracterizata prin niveluri de ierarhizare, intre care sunt vehiculate 4 tipuri de vectori: de date, de adresa, de comanda si de raspuns.

Transferul de date implica urmatorii pasi:

verificarea starii perifericului ( daca este disponibil);

activarea, conectarea perifericului;

transferul datelor;

dezactivarea (deconectarea) perifericului;

Transferul de date se poate face

programat in cazul echipamentelor periferice care realizeaza prelucrarea datelor secvential

autonom, daca prelucrarea datelor si vehicularea lor se face in paralel

In cazul transferului programat procesorul central realizeaza controlul fiecarui transfer

Pentru echipamentele care nu necesita pasul de activare

executarea instructiunii de I/E are loc in timp ce procesorul se afla in starea corespunzatoare buclei de asteptare.

Pentru echipamentele care necesita activare, vehicularea datelor se face de regula in blocuri de informatii de diferite lungimi, fiind utilizat controlul prin intreruperi al transferului fiecarui bloc de informatie.

Ultimul eveniment al fazei de activare il constituie pregatirea conditiilor de intrerupere.

In secventa de intrerupere procesorul executa urmatoarele actiuni:

incarca instructiunile de transfer

actualizeaza numarul de caractere care urmeaza sa fie citite precum si adresa din memorie unde va fi depus urmatorul caracter

revine la programul principal intrerupt

Transferul programat poate fi eficientizat prin utilizarea unei zone tampon de memorie.

O solutie mult mai eficienta si complexa este transferul autonom, sau acces direct la memorie (ADM) (direct memory acces - DMA), care necesita circuite suplimentare cu functii de comanda, vehiculare a datelor, stocare a unor informatii necesare transferului.

Procesorul de I/E are urmatoare functiuni de baza:

preia din memoria centrala informatiile necesare initializarii

executa un set simplu de instructiuni

opereaza asupra variabilelor procesului

detecteaza erorile si poate lua decizii

sincronizeaza transferul datelor

Sincronizarea transferului de date se poate realiza

continuu

prin multiplexare

Canalul multiplexor are urmatoarele functii:

adreseaza si initializeaza unitatile de legatura;

interpreteaza si trateaza cererile de intrerupere;

testeaza starea unitatilor de legatura

asigura prioritati

Unitatile de legatura au functiunile impuse de caracterisitcile

transferului de date si anume:

asincronismul;

diferente de ordine de marime intre vitezele de transmitere;

caracterul si forma diferita a datelor.

Unitatea de legatura are urmatoarele functiuni mai importante:

asambleaza/dezasambleaza informatiile

comanda functiile auxiliare

comanda, daca este cazul, si controleaza fazele de activare premergatoare transferului de date

realizeaza sincronizarea transferului

Sincronizarea se poate     face:

pe baza fluxului de informatii

pe baza unui semnal de sincronizare generat de E.P.

cu ajutorul unui ceas intern sau al unitatii de legatura

Caracteristicile principale ale echipamentelor pot fi:

caracteristici functionale si constructive;

caracteristici externe;

caracteristici de interfata dintre E.P. si utilizator;

caracteristici de suprafata

Realizarea transferului de date se face in 2 faze distincte:

faza de activare caracterizata de timpul de acces;

faza de transfer propriu-zisa

Semnalele pot fi grupate in 4 categorii de vectori functionali:

vectori de date;

vectori de adresa;

vectori de comanda;

vectori de raspuns.

Vectorul de date se caracterizeaza prin:

sensul de vehiculare

cantitatea de cifre binare care se transfera

lungimea maxima a blocului de informatii

viteza maxima de transfer

Vectorul de adresa realizeaza:

selectia elementelor primare de transfer

sensul si amplitudinea miscarii ansamblului electromecanic

realizeaza identificarea semnalului de sincronizare

Vectorul de comanda are 3 componente distincte:

semnalele imperative sau ordine;

semnale de timp

semnale definitorii

Vectorul de raspuns are urmatoarele componente:

semnale de stare

semnale de eroare;

semnale de raspuns definitorii

semnale de timp care reprezinta semnale de sincronizare

Echipamentele si unitatile functionale sunt interconectate prin frontiere fizice care reprezinta interfete de I/E.

Modul in care semnalele sunt vehiculate, secventa lor de timp si semnificatia fiecaruia definesc interfata logica.

Interfata fizica reprezinta mediul de transmitere

Magistrala de date (busurile) reprezinta structura logica si fizica a interfetelor si realizeaza 3 functii:

comunicarea datelor si a semnalelor de comanda

sincronizarea

comutarea

Functiile sunt realizate prin

alegerea mediului fizic de transmitere

adoptarea unui protocol logic de transmisie care stabileste

secventa de timp a transmiterii

alegerea, la un moment dat, a unitatii emitatoare si a unitatii

receptoare dintr-un numar de unitati conecate la bus.

Caracteristicile principale ale unui bus sunt lungimea si latimea, care reprezinta numarul de linii in paralel.

Conectarea unitatilor functionale poate fi realizata:

radial

serie

In cazul comutarii radiale unitatea multiplexoare adreseaza un anume echipament la nivel inferior de comanda prin plasarea semnalelor pe setul de linii corespunzator echipamentului apelat.

Pentru conectarea serie, liniile de interconectare trebuie sa contina un vector de adresa, fiecarui dispozitiv fiindu-i asigurata o adresa sau un code de selectare.

   

Echipamentul selectat are in structura sa un circuit de decodificare a adresei, cu ajutorul caruia isi recunoaste propria adresa si permite validarea transferului de informatii.

Echipamentul care cere o conexiune cu o unitate de rang superior transmite si mijlocul de identificare.

Secventele in timp ale activitatilor pot fi sincrone, atunci cand actiunile se interconditioneaza (fiecarui pas i se cere semnal de comanda urmat imediat de un semnal de raspuns de confirmare).

Protocolul logic permite utilizarea busului prin specificarea ordinii activitatilor pentru efectuarea transferului de informatii.

Un protocol este o descriere a zonelor de biti semnificativi dintr-o transmisie.

Protocolul este prestabilit prin structura logicii de comanda a unitatii care conduce activitatea busului.

Functiunile protocolului sunt:

identifica participantii la diferite activitati (stabileste sursa si

receptorul la un moment dat)

defineste semnificatia semnalelor de comanda

determina actiunile care trebuie intreprinse in cazul aparitiei

unei erori

Lungimea busului, exprimata in m, determina nivelul semnalelor.

Latimea cablului la transmisiile paralele determina cantitatea de informatii transmise

Circuite de comunicare speciale pot fi:

cu un singur fir intre emitator si receptor

cu 2 fire (schema diferentiala balansata

Transmisia de date poate avea loc

unidirectional

bidirectional

   

Circuitele emitatoare sunt receptoare de cablu pot fi:

surse de tensiune

surse de curent

Datele de intrare (DI) sunt transmise (DT) numai in prezenta semnalului de comanda (SC). Aceasta solutie are urmatoarele avantaje:

se reduce complexitatea si numarul componentelor necesare;

se mareste numarul de unitati logice conectate la linie;

se simplifica arhitectura interfetei;

Canalul de intrare-iesire controleaza operatiile de intrare-iesire efectuate cu ajutorul perifericelor, dupa initierea lor de catre unitatea de comanda si permite cuplarea, indirecta, la unitatea centrala, a mai multor dispozitive periferice

Procesorul specializat in operatii de intrare-iesire controleaza schimbul de date intre memorie si periferice.

UNITATEA DE I/E efectueaza transferul informatiilor intre memoria principala a sistemului de calcul si mediul exterior

Componentele principale ale unei unitati de I/E sunt urmatoarele:

Modulele de I/E;

Echipamentele periferice;

Interconexiunile dintre memorie si echipamentele periferice (magistralele);

Interfetele dintre aceste componente.

Functiile si cerintele principale ale unui modul de I/E sunt:

Control si sincronizare;

Comunicatia cu UCP;

Comunicatia cu echipamentele externe;

Bufferarea datelor;

Detectia erorilor.

Controlul transferului de date de la un echipament extern la UCP poate cuprinde urmatoarele etape:

UCP interogheaza modulul de I/E pentru a testa starea echipamentului conectat;

Modulul de I/E returneaza starea echipamentului;

UCP solicita transferul datelor, printr-o comanda adresata modulului de I/E;

Modulul de I/E preia un octet sau cuvant de date de la echipamentul de I/E;

Datele sunt transferate de la modulul de I/E la UCP.

Modulul de I/E trebuie sa permita comunicatia cu UCP prin:

Decodificarea comenzilor

Raportarea starii

Recunoasterea adreselor

Comunicatia cu echipamentele externe se realizeaza prin semnale de control, de stare si de date.

Bufferarea datelor este o functie esentiala a unui modul de I/E.

Modul de I/E trebuie sa efectueze detectia erorilor si raportarea acestora catre UCP

Un modul de I/E care are o interfata de nivel inalt cu UCP

este numit canal de I/E sau procesor de I/E.

Un modul de I/E care este simplu si necesita un control detaliat al UCP este numit de obicei controler de I/E sau controler de dispozitiv.