Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Опубликован: 25.07.2003 | Доступ: свободный | Студентов: 9600 / 2103 | Оценка: 4.44 / 4.22 | Длительность: 18:11:00
ISBN: 978-5-9556-0082-6
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 14:

Устройства, входящие в состав персонального компьютера

< Лекция 13 || Лекция 14: 123 || Лекция 15 >

7.4. Системные устройства

Помимо микропроцессора и системной памяти на системной (материнской) плате располагаются и другие важные модули, обеспечивающие работоспособность компьютера: контроллеры прерываний и прямого доступа, тактовый генератор, системный таймер, буферные микросхемы, контроллер шины и т.д. В первых компьютерах семейства все эти функции выполняли отдельные специализированные микросхемы сравнительно низкой степени интеграции. В современных компьютерах применяются сверхбольшие интегральные схемы, которые, тем не менее, обеспечивают полную программную и аппаратную совместимость с предыдущими моделями. Эти микросхемы называются набором микросхем или chipset (чипсет). Преимущества такого подхода — chipset занимает меньше места на плате, меньшая потребляемая мощность, значительно большая надежность. Компьютеры, выполненные на системных платах с chipset известных фирм, имеют лучшую репутацию. В большинство наборов микросхем входит так называемый периферийный контроллер, включающий два контроллера прерываний, два контроллера прямого доступа к памяти, таймер, часы реального времени, а также CMOS-память.

7.4.1. Тактовый генератор

Системный тактовый генератор генерирует сигналы синхронизации для работы микропроцессора, всех контроллеров и системной шины. Для обеспечения высокой стабильности тактовых частот и их независимости от температуры применяются кварцевые резонаторы, то есть кристаллы кварца, имеющие высокостабильную частоту собственных колебаний. Как правило, в состав системной платы входит несколько кварцевых резонаторов, каждый из которых обеспечивает свой тактовый сигнал. Тактовую частоту процессора можно выбирать путем установки перемычек на системной плате. Это позволяет пользователю модернизировать компьютер путем замены процессора на другой, рассчитанный на более высокую тактовую частоту. Иногда удается заставить процессор работать на более высокой тактовой частоте, чем та, на которую он рассчитан, но здесь нужно соблюдать осторожность, так как повышение частоты ведет не только к увеличению потребляемой мощности и перегреву микросхемы, но и к ошибкам и сбоям в работе, причем проявляющихся только в отдельных режимах, например, в многозадачном.

В компьютерах на базе процессоров 486 и Pentium применяется деление опорной тактовой частоты для синхронизации системной шины и внутреннее умножение частоты в процессорах. Например, в процессоре 486DX2-66 используется умножение на два тактовой частоты 33,3 МГц, а в процессорах семейства Pentium применяется умножение на 2,5 (при опорной частоте 60 МГц частота процессора 150 МГц) или на 3 (при опорной частоте 66,6 МГц частота процессора 200 МГц).

В общем случае в компьютере существуют следующие тактовые частоты:

  • Host Bus Clock (CLK2IN) — это опорная частота (внешняя частота шины процессора). Именно из нее могут получаться другие частоты и именно она задается перемычками (джамперами);
  • CPU Clock (Core Speed) — это внутренняя частота процессора, на которой работает его вычислительное ядро. Может совпадать с Host Bus Clock или получаться из нее умножением на 1,5, 2, 2,5, 3, 4. Умножение должно быть предусмотрено в конструкции процессора.
  • ISA Bus Clock (ATCLK, BBUSCLK) — это тактовая частота системной шины ISA (сигнал SYSCLK). По стандарту она должна быть близка к 8 МГц, но в BIOS Setup имеется возможность выбрать ее через коэффициент деления частоты Host Bus Clock. Иногда компьютер остается работоспособным и при частоте шины ISA около 20 МГц, но обычно платы расширения ISA разрабатываются из расчета на 8 МГц, и при больших частотах они перестают работать. Не следует рассчитывать, что компьютер станет вдвое быстрее при удвоении этой частоты. Для каналов прямого доступа к памяти на системной плате используется еще один тактовый сигнал SCLK, частота которого, как правило, составляет половину от ISA Bus Clock.
  • PCI Bus Clock — это тактовая частота системной шины PCI, которая по стандарту должна быть 25 — 33,3 МГц. Ее обычно получают делением частоты Host Bus Clock на нужный коэффициент. В компьютерах предусматривается возможность ее увеличения до 75 или даже 83 МГц, но из соображений надежности работы рекомендуется придерживаться стандартных значений.
  • VLB Bus Clock — это частота локальной шины VLB, определяемая аналогично PCI Bus Clock.

7.4.2. Контроллер прерываний

Контроллеры радиальных прерываний в первых компьютерах выполнялись на микросхемах i8259, каждая из которых имела 8 входов запроса прерываний. В IBM PC AT применялось две таких микросхемы, в результате чего количество входов запросов прерываний увеличилось до 15. Режимы работы контроллеров прерываний определяются процессором путем записи соответствующих управляющих кодов по адресам в пространстве устройств ввода/вывода.

О циклах обмена по прерываниям уже говорилось в разделе 2.2.2. При поступлении запроса прерывания на один из входов IRQ и удовлетворении этого запроса контроллер прерываний вырабатывает выходной сигнал запроса прерывания, поступающий на процессор. В ответ на это процессор запрашивает контроллер о том, прерывание с каким адресом вектора необходимо обслужить. Всего прерываний может быть 256 (от 00 до FF). Номер прерывания, полученный от контроллера, процессор умножает на 4 и получает, таким образом, адрес памяти, где хранится адрес начала программы обработки прерываний (вектор прерывания). Присваивание каждому из каналов IRQ своего номера процессор осуществляет на этапе инициализации контроллера.

Контроллер прерываний может выполнять следующий набор операций:

  • маскирование запросов на прерывание, то есть временное запрещение реакции на них;
  • установка приоритетов запросов по различным входам, то есть разрешение конфликтов при одновременном приходе нескольких запросов на прерывание;
  • работа в качестве основного контролера (Master) или подчиненного (Slave).

Для маскирования прерываний используется внутренний регистр контроллера, программно доступный процессору как по записи, так и по чтению. Замаскирован может быть каждый запрос (по каждой из линий IRQ ), путем установки соответствующего бита маскирования в записываемом в контроллер управляющем байте.

Схема приоритетов прерываний может быть задана процессором программным путем. В базовом варианте все приоритеты фиксированы (то есть IRQ0 имеет высший приоритет, а IRQ7 — низший). Но в принципе высший уровень приоритета задается для любого из входов запросов, можно также установить циклическое переключение приоритетов (последний обслуженный запрос получает низший приоритет), обеспечивая тем самым всем запросам равные приоритеты. Если во время обработки прерывания с меньшим уровнем приоритета приходит более приоритетный запрос, то процессор переходит на программу обработки более приоритетного запроса, а после ее выполнения возвращается к программе обработки менее приоритетного запроса. Отметим, что немаскируемое прерывание NMI имеет приоритет выше любого другого аппаратного прерывания.

Завершив выполнение программы обработки прерывания, процессору необходимо с помощью специальной команды сообщить об этом контроллеру прерываний, чтобы разрешить ему дальнейшую работу, в частности, вновь обрабатывать тот же самый запрос.

Контроллер 8259 предусматривает возможность выбора способа распознавания запроса на прерывание — по фронту сигнала IRQ и по уровню этого сигнала. В архитектуре компьютера типа PC используется запрос по фронту.

При каскадировании контроллеров основному контроллеру надо указать, к какому из его входов подключен подчиненный контроллер, а подчиненному контроллеру необходимо указать, к какому входу основного контроллера подключен его выходной сигнал запроса.

Все операции начальной настройки контроллеров прерываний выполняет BIOS, и пользователю нужно прибегать к программированию этих контроллеров только при необходимости смены режимов обслуживания прерываний или при написании собственной программы обработки аппаратных прерываний.

7.4.3. Контроллер прямого доступа к памяти

Контроллер прямого доступа к памяти имеет более сложную структуру по сравнению с контроллером прерываний, что связано с его более сложными функциями. На время ПДП контроллер ПДП становится задатчиком (активным устройством) системной шины, выставляя все основные сигналы шины самостоятельно. Однако все режимы работы контроллера ПДП, все его параметры устанавливаются процессором на этапе инициализации контроллера. В частности, процессор определяет тип решаемой задачи, задает начальный адрес передаваемого или принимаемого массива данных, а также размер этого массива.

В персональном компьютере применяется два четырехканальных контроллера ПДП типа i8237, обеспечивающих 7 каналов ПДП (один канал задействован под каскадирование контроллеров по тому же принципу, что и контроллеры прерываний ). Помимо собственно контроллеров ПДП в подсистему ПДП входят также программно доступные регистр старшего байта адреса и регистры страниц ПДП.

О циклах обмена в режиме ПДП уже говорилось в разделе 2.2.3. Получив сигнал запроса ПДП по одной из линий DRQ, контроллер формирует запрос процессору на захват шины и, получив разрешение от процессора, сообщает о предоставлении ПДП запросившему прямой доступ устройству по соответствующей линии DACK. После этого производится цикл ПДП, пересылающий данные из устройства ввода/вывода в память или наоборот. При этом сам контроллер ПДП формирует только 16 младших разрядов адреса памяти, а восемь старших разрядов содержатся в регистре страниц. Свой собственный регистр страниц соответствует каждому из каналов ПДП.

Передача данных в случае ПДП возможна по одному из следующих режимов:

  • Режим одиночной (поцикловой) передачи. В этом случае за время предоставления ПДП выполняется только один цикл передачи данных, и для следующей передачи надо опять же запросить ПДП. Однако адрес памяти, с которым осуществляется обмен, автоматически меняется после каждого цикла. Этот режим позволяет процессору вставлять свои циклы обмена после каждого цикла ПДП.
  • Режим передачи блока (режим блочной передачи). В этом режиме за один раз передается целый блок данных определенной длины (до 64 Кбайт). Режим обеспечивает более высокую скорость передачи по сравнению с режимом одиночной передачи, но может на длительное время захватить системную шину, не допуская к ее управлению процессор.
  • Режим передачи по требованию. Этот режим позволяет продолжать ПДП до тех пор, пока устройство, запросившее ПДП, не исчерпает весь объем данных.
  • Каскадный режим позволяет объединять контроллеры для увеличения количества каналов ПДП.
  • В принципе, возможен режим передачи в режиме ПДП из памяти в память, но в компьютере он не используется.

Как и в случае контроллера прерываний, возможны две схемы приоритетов каналов ПДП, выбираемые программно, — фиксированный и циклический. Исходная схема — фиксированные приоритеты, причем нулевой канал имеет максимальный приоритет, а седьмой — минимальный. Во время обслуживания любого запроса ПДП остальные запросы не могут вмешаться, но после завершения обслуживания данного запроса будет обслуживаться запрос с наибольшим приоритетом. Как и в случае контроллера прерываний, возможно программное маскирование каждого канала ПДП.

Перед началом работы каждому из каналов контроллера процессор должен указать режим, в котором он будет работать, базовый адрес памяти, с которого начнется обмен, количество передаваемых байтов или слов, направление записи в память или чтения из памяти (от старших адресов к младшим или наоборот). Возможен режим автоинициализации, при котором после окончания пересылки всего массива данных контроллер автоматически восстанавливает все параметры, и для этого не требуется вмешательство процессора. Предусмотрена также возможность программного запроса ПДП, обслуживаемого так же, как и аппаратный запрос.

7.4.4. Системный таймер и часы реального времени

В качестве системного таймера компьютера используется микросхема трехканального 16-разрядного таймера i8254 или ее аналог. Таймер предназначен для получения программно управляемых временных задержек и генерации сигналов заданной частоты. Таймер позволяет повысить эффективность программирования процессов управления и синхронизации внешних устройств, особенно в реальном времени.

Таймер содержит три независимых канала (0, 1 и 2), каждый из которых может быть, в принципе, запрограммирован на работу в одном из шести режимов счета:

  • прерывание терминального счета;
  • программируемый генератор одиночного импульса;
  • генератор импульсов заданной частоты;
  • генератор прямоугольных импульсов типа "меандр";
  • программно формируемый строб;
  • аппаратно формируемый строб.

На каждый канал могут подаваться входные синхросигналы. Из каждого канала можно получать сигнал с частотой, равной входной частоте, деленной на произвольное 16-разрядное число. В компьютере на все входы поступают синхросигналы частотой 1,19 МГц. Все каналы таймера в компьютере имеют специальное назначение, поэтому особой свободы в выборе режима работы или переназначении функций у пользователя нет.

  • Выход канала 0 связан с сигналом запроса прерывания IRQ0 и обеспечивает прерывание для счетчика реального времени (используется режим работы 3). Пользователю не рекомендуется перепрограммировать этот канал. При старте компьютера канал программируется так, чтобы выдавать импульсы примерно 18,2 раза в секунду. По этому прерыванию программно увеличивается состояние счетчика реального времени. Пользователь может читать состояние данного счетчика из специально выделенной ячейки памяти и применять его для задержек в своих программах.
  • Выход канала 1 генерирует сигнал запроса регенерации динамической памяти (режим работы 2). Использование этого канала не по назначению может привести к потере содержимого оперативной памяти.
  • Выход канала 2 генерирует тональный сигнал для встроенного динамика компьютера (режим работы 3). Однако разрешение этого тонального сигнала производится установкой выделенных разрядов (0 и 1) программно доступного параллельного порта контроллера периферийных устройств. Один разряд (0) разрешает работу канала, другой разряд (1) пропускает выходной сигнал на динамик.

Таким образом, пользователь компьютера может задействовать только канал 2. Чаще всего его применяют для генерации звуков заданной частоты и длительности. Кроме того, выходной сигнал данного канала программно доступен по чтению из одного из разрядов параллельного порта. Это позволяет, запрограммировав таймер соответствующим образом, выдерживать нужные временные интервалы. Для этого следует программно разрешить генерацию (при отключенном динамике), а затем программно опрашивать выходной сигнал таймера и принимать решения по изменению его уровня.

Подсистема часов реального времени в первых компьютерах выполнялась на микросхеме контроллера MC146818 фирмы Motorola. Этот контроллер содержит 64 байта СMOS-памяти, из которых первые 14 байт используются для часов реального времени, а остальные 50 байт хранят информацию о конфигурации системы.

Для входного тактового сигнала контроллера применяется специальный "часовой" кварцевый генератор с частотой 32 768 кГц, что позволяет с помощью деления частоты получить импульсы с частотой 1 Гц. Контроллер считает секунды, минуты, часы, дни недели, месяцы и годы. Причем работает он даже при отключении питания компьютера, подпитываясь от батареи или аккумулятора. Это позволяет сохранять информацию о текущем времени постоянно.

Помимо счетчика текущего времени, контроллер имеет в своем составе будильник. Будильник может формировать прерывания ( IRQ8 ) с программно заданной периодичностью. Состояния всех счетчиков (секунд, минут, часов и т.д.) программно доступны как по чтению, так и по записи, что позволяет устанавливать нужное время и следить за ним.

< Лекция 13 || Лекция 14: 123 || Лекция 15 >
Татьяна Фёдорова
Татьяна Фёдорова
Виктор Радкевич
Виктор Радкевич

Ответил на все тесты и сдал экзамен по курсу "Основы микропроцессорной техники". Результаты на сайе в зачетке не отображаются. Синхронизацию выполнял. 

Арсений Фокин
Арсений Фокин
Марина Курманова
Марина Курманова
Казахстан, Кандыагаш