Организация и функционирование компьютеров

Шина адреса нужна для того, чтобы локализовать те ячейки оперативной памяти или те порты ввода-вывода, которые должны непосредственно участвовать в операции. Все байты оперативной памяти перенумерованы числами от нуля до максимального номера байта (последний зависит от объема оперативной памяти). Аналогично, перенумерованы также все порты ввода-вывода (обычно от 0 до 65535). Адресом байта в оперативной памяти считается его номер. Адресом участка памяти, состоящего из нескольких байтов (области памяти) служит адрес начального байта. Адресом порта ввода-вывода также служит его номер. При посылке предписания процессора к выполнению некоторой операции адрес того байта, который должен участвовать в операции, посылается процессором по шине адреса. При прохождении адреса по шине адреса активизируется именно тот байт памяти, номер которого совпадает с посланным адресом. Остальные управляющие сигналы, необходимые для правильного выполнения операции, посылаются по шине управления.

Для характеристики компьютера очень важна разрядность шины адреса. Например, у прежних персональных компьютеров использовалась 20-разрядная шина адреса. Максимальный адрес, который можно послать по такой шине, равен 220-1 = 1Мб, то есть байту оперативной памяти с адресом большим 1Мб предписание по шине адреса отправить невозможно. В таких компьютерах объем оперативной памяти принципиально не мог быть больше 1Мб. В процессорах этих компьютеров использовалась специальная система определения адреса, ориентированная на такое ограничение. В результате все программы, написанные в то время, предусматривали адреса до 1Мб.

Современные персональные компьютеры включают 32-разрядную шину адреса. При такой шине максимальный объем оперативной памяти равен 232=4Гб. Пока этого достаточно, однако уже существуют компьютеры с 64-разрядной шиной адреса. При 32-разрядной шине можно обратиться к любому байту оперативной памяти в пределах 4Гб. Новые программы так и делают. Однако, к сожалению, необходимо предусмотреть возможность выполнения программ, написанных для старых процессоров. Поэтому в современных процессорах предусмотрены два режима работы: один режим, называемый реальным, имитирует работу старых процессоров, и в этом режиме осуществляется доступ только к 1Мг оперативной памяти; другой режим, называемый защищенным, имеет доступ ко всей оперативной памяти.

По шине управления идут сигналы, которые выполняют различные вспомогательные функции, необходимые для правильного выполнения операций. Всего линий в шине управления может быть более ста. Перечислим только некоторые линии управления. Существует линия переключения между оперативной памятью и портами ввода-вывода. Дело в том, что когда по шине адреса идет сигнал, то он может восприниматься и как номер байта оперативной памяти, и как номер порта ввода-вывода. Как именно воспринимать этот адрес, зависит от сигнала, который одновременно с адресом идет по управляющей линии (например, нуль на управляющей линии обозначает оперативную память, единица – порт). По другой управляющей линии идет сигнал, который задает направление перемещения информации (нуль – информация читается из памяти или из порта в регистр процессора, единица – пишется из регистра в память или порт). По третьей управляющей линии передаются сигналы от тактового генератора. Эти сигналы позволяют синхронизировать операции, которые должны одновременно выполняться сразу несколькими устройствами компьютера (например, подготовиться к очередной операции).

Все остальные устройства компьютера подключаются к одному из портов ввода-вывода. Очень часто одна и та же шина данных используется для обмена данными между процессором и всеми внешними входами и выходами. Такая шина называется общей шиной. Это означает, что в процессе работы компьютера процессор посылает сигналы, которые идут по общей шине и которые в принципе могут прочесть все подключенные к шине устройства. Однако реально они предназначаются только тому устройству, чей номер передается по шине адреса. Следует отметить, что эта простая однозвенная схема часто бывает усложнена. Реально устройства подключаются к общей шине не непосредственно. Некоторые порты могут быть подсоединены к одной из вспомогательных шин, которая в свою очередь прикрепляется к общей шине. Однако это не меняет принципиальной схемы работы компьютера.