Μάθημα 3.4o Διάδρομοι
· Βασικές έννοιες διαδρόμου
- Σύνδεση μονάδων με τον διάδρομο
- Λειτουργία Διαδρόμου
Μελετώντας το μάθημα θα μπορείς
- να περιγράφεις την αρχιτεκτονική ενός υπολογιστικού συστήματος
- να ξέρεις τους διαδρόμου ενός υπολογιστικού συστήματος
- να ξέρεις πώς συνδέονται οι μονάδες σε ένα διάδρομο
- να ξέρεις πώς επικοινωνεί ο επεξεργαστής με την μνήμη και τις μονάδες
3.4.1 Βασικές έννοιες
Ένα υπολογιστικό σύστημα, όπως έχει αναφερθεί, αποτελείται βασικά από τον επεξεργαστή, την μνήμη, και τις περιφερειακές συσκευές. Οι συσκευές αυτές πρέπει να επικοινωνούν και να ανταλλάσσουν μεταξύ τους δεδομένα.
Ένας απλοϊκός τρόπος σύνδεσης είναι αυτός που απεικονίζεται στο σχήμα 3.4.1. Κάθε συσκευή συνδέεται με όλες τις άλλες συσκευές με τις οποίες πρέπει να επικοινωνεί. Αυτός ο τρόπος σύνδεσης αν και άμεσος έχει το μειονέκτημα ότι οδηγεί σε πολύπλοκη διασύνδεση. Επίσης δεν μπορούν εύκολα να συνδεθούν καινούργιες συσκευές που τυχόν θα θέλαμε να προσθέσουμε στο σύστημά μας.
Σχήμα 3.4.1 Απλοϊκή σύνδεση μονάδων
Ένας πιο ευέλικτος και αποτελεσματικός τρόπος σύνδεσης των συσκευών ενός υπολογιστικού συστήματος είναι η παράλληλη σύνδεση των συσκευών μέσω μίας κοινής λεωφόρου διακίνησης δεδομένων, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.4.2. Η λεωφόρος αυτή των δεδομένων ονομάζεται διάδρομος του υπολογιστικού συστήματος.
Σχήμα 3.4.2. Αρχιτεκτονική υπολογιστικού συστήματος
Η συνδεσμολογία αυτή, που βασίζεται σε ένα κοινό διάδρομο, έχει το πλεονέκτημα ότι η σύνδεση τον συσκευών είναι αρκετά απλή και προσφέρει τη δυνατότητα της εύκολης προσθήκης νέων περιφερειακών μονάδων.
Το μειονέκτημα αυτής της συνδεσμολογίας είναι ότι μόνο δύο μονάδες μπορούν να επικοινωνούν ταυτόχρονα μεταξύ τους. Αν προσπαθήσουν την ίδια στιγμή και άλλες δύο μονάδες να ανταλλάξουν δεδομένα τότε λέμε ότι έχουμε σύγκρουση δεδομένων. Είναι σαν να προσπαθούμε να περάσουμε την ίδια στιγμή από τον ίδιο αγωγό δύο διαφορετικά σήματα. Για να μην συμβεί σύγκρουση, η διακίνηση των δεδομένων στο διάδρομο, που αποτελεί το κοινό μέσο επικοινωνίας των μονάδων, ελέγχεται από τον επεξεργαστή.
Συνήθως υπάρχει η δυνατότητα να επικοινωνεί μόνο ο επεξεργαστής με την μνήμη ή ο επεξεργαστής με μία περιφερειακή μονάδα. Δεν επιτρέπεται όμως να επικοινωνούν δύο περιφερειακές μονάδες μεταξύ τους ή με την μνήμη. Για παράδειγμα για την απεικόνιση στην οθόνη ενός χαρακτήρα από το πάτημα ενός πλήκτρου, πρέπει να περάσει πρώτα ο χαρακτήρας (ο κωδικός του) από το πληκτρολόγιο στον επεξεργαστή και στην συνέχεια από τον επεξεργαστή στην οθόνη πάντα μέσω του διαδρόμου.
Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω το κοινό μέσο επικοινωνίας των συσκευών με τον επεξεργαστή ονομάζεται διάδρομος του υπολογιστικού συστήματος. Φυσικά ο διάδρομος αυτός αποτελείται από ένα σύνολο παράλληλων γραμμών σύνδεσης. Το πλήθος τους ονομάζεται εύρος διαδρόμου. Ανάλογα με το είδος της πληροφορίας που έχουν οι γραμμές αυτές μπορούμε να διακρίνουμε τις παρακάτω ομάδες συνδέσεων που αποτελούν τα μέρη ενός διαδρόμου.
Διάδρομος δεδομένων (Data bus) ονομάζεται το σύνολο των γραμμών από τις οποίες μεταφέρονται δεδομένα. Τα δεδομένα μπορεί να μεταφέρονται από τον επεξεργαστή, για παράδειγμα προς μία περιφερειακή μονάδα ή αντίστροφα. Από κάθε γραμμή μπορεί να μεταφέρεται ένα bit κάθε φορά. Ένας ASCII χαρακτήρας περιλαμβάνει 8 bit. Συνεπώς για να μεταφέρονται ASCII χαρακτήρες, ένας χαρακτήρας κάθε φορά, απαιτείται διάδρομος δεδομένων με εύρος 8 bit. Αν ο διάδρομος δεδομένων είχε εύρος 16 bit τότε θα μπορούσαν να μεταφέρονται δύο (2) χαρακτήρες ASCII κάθε φορά.
Διάδρομος διευθύνσεων (Address bus) ονομάζεται το σύνολο των γραμμών από τις οποίες μεταφέρεται η πληροφορία που χαρακτηρίζει και προσδιορίζει τη συσκευή με την οποία θέλει να επικοινωνήσει ο επεξεργαστής. Επειδή τη διεύθυνση τη δίνει ο επεξεργαστής οι γραμμές κατευθύνονται από τον επεξεργαστή προς το διάδρομο διευθύνσεων. Στη συνέχεια οι γραμμές των διευθύνσεων μέσα από το διάδρομο κατευθύνονται προς τις περιφερειακές μονάδες και τη μνήμη.
Διάδρομος ελέγχου ονομάζεται το σύνολο των γραμμών που μεταφέρουν σήματα συγχρονισμού και εντολές του επεξεργαστή και των περιφερειακών συσκευών για την ασφαλή και γρήγορη μεταφορά των δεδομένων. Επίσης τα σήματα ανάγνωσης ή εγγραφής περιλαμβάνονται στο διάδρομο αυτό.
Όπως έχει αναφερθεί παραπάνω εύρος διαδρόμου ονομάζεται το πλήθος των γραμμών από τις οποίες αποτελείται. Το εύρος του διαδρόμου δεδομένων είναι σημαντικό για την ταχύτητα μεταφοράς των δεδομένων. Όσο περισσότερες είναι οι γραμμές του διαδρόμου δεδομένων τόσο περισσότερα δυαδικά ψηφία μπρούν να μεταδοθούν παράλληλα. Το εύρος του διαδρόμου δεδομένων στα υπολογιστικά συστήματα κυμαίνεται από 8 έως και 64 bit. Για παράδειγμα ένας διάδρομος δεδομένων με εύρος 16 bit μπορεί να μεταφέρει μόνο δύο byte ταυτόχρονα, ενώ ένας διάδρομος δεδομένων με εύρος 64 bit μπορεί να μεταφέρει ταυτόχρονο 8 bytes.
Τέλος ένα χαρακτηριστικό μέγεθος ενός διαδρόμου είναι η ταχύτητα του. Ταχύτητα διαδρόμου ονομάζεται το πλήθος των διαφορετικών δεδομένων που μπορούν να μεταφερθούν σε ένα δευτερόλεπτο. Για παράδειγμα σε διάδρομο με εύρος διαδρόμου δεδομένων 32 και ταχύτητα 10 εκατομμύρια δεδομένα το δευτερόλεπτα μπορούν να μεταφερθούν 10x32 = 320 εκατομμύρια δυαδικά ψηφία (bit) ή 40 εκατομμύρια bytes το δευτερόλεπτο.
3.4.2 Σύνδεση Μονάδων με το διάδρομο
Ένα υπολογιστικό σύστημα αποτελείται από τον επεξεργαστή, την μνήμη, τις μονάδες εισόδου, εξόδου και τις άλλες περιφερειακές μονάδες. Όπως έχει αναφερθεί αυτές οι μονάδες συνδέονται μεταξύ τους με τους διαδρόμους διευθύνσεων, δεδομένων και ελέγχου.
Ένας επεξεργαστής διαθέτει τα παρακάτω σήματα με τα οποία συνδέεται με το υπόλοιπο σύστημα:
Σήματα διευθύνσεων από τα οποία δίνει την διεύθυνση της μονάδας με την οποία θέλει να επικοινωνήσει.
Σήματα δεδομένων με τα οποία διαβάζει και γράφει δεδομένα στις υπόλοιπες μονάδες.
Σήμα RE (Read Enable) που ενεργοποιείται, όταν ο επεξεργαστής θέλει να διαβάσει δεδομένα.
Σήμα WE (Write Enable) που ενεργοποιείται, όταν ο επεξεργαστής θέλει να γράψει δεδομένα.
Η μνήμη ενός υπολογιστικού συστήματος πρέπει να διαθέτει ανάλογα σήματα με αυτά του επεξεργαστή. Σήματα διευθύνσεων, δεδομένων καθώς και τα σήματα RE και WE.
Επίσης οι μονάδες εισόδου πρέπει να διαθέτουν σήματα δεδομένων και διευθύνσεων. Μια μονάδα εισόδου μπορεί μόνο να δώσει δεδομένα στο διάδρομο και όχι να πάρει δεδομένα από αυτόν. Έτσι σαν σήμα ελέγχου αρκεί να έχει μόνο το σήμα RE (Read Enable). Αντίστοιχα οι μονάδες εξόδου πρέπει να διαθέτουν σήματα για διευθύνσεις και δεδομένα καθώς και το σήμα WE. Οι μονάδες εξόδου δεν διαθέτουν σήμα RE, διότι σε αυτές γράφουμε δεδομένα και ποτέ δεν διαβάζουμε από αυτές.
Σχήμα 3.4.3 Διάδρομοι και σήματα ελέγχου
Στο σχήμα 3.4.3 φαίνεται η κατεύθυνση των δεδομένων και τα σήματα ελέγχου (RE, WE) με τις μονάδες που συνδέονται.
Ας υποθέσουμε ότι η μονάδα εξόδου είναι μια οθόνη και η μονάδα εισόδου ένα πληκτρολόγιο. Και έστω ότι θέλουμε να εμφανίζεται στην οθόνη ο χαρακτήρας που αντιστοιχεί στο πλήκτρο που πατάμε από τον πληκτρολόγιο.
Το πληκτρολόγιο σαν μονάδα εισόδου δίνει δεδομένα όταν επιλεγεί. Ας υποθέσουμε στο παράδειγμά μας ότι η διεύθυνση του πληκτρολογίου είναι 200. Έτσι ο επεξεργαστής, όταν θέλει να διαβάσει από το πληκτρολόγιο, επιλέγει το πληκτρολόγιο δίνοντας στον διάδρομο των διευθύνσεων τον αριθμό 200. Ύστερα δίνει την εντολή για εγγραφή δεδομένου στον διάδρομο των δεδομένο μέσω του σήματος RE (Read Enable). Όταν το πληκτρολόγιο, που είναι ήδη επιλεγμένο, λάβει την εντολή να δώσει ένα δεδομένο στον διάδρομο δεδομένων τότε ο κωδικός του πλήκτρου που μόλις πατήθηκε εμφανίζεται στον διάδρομο δεδομένων και από εκεί το διαβάζει ο επεξεργαστής.
Κατόπιν ο επεξεργαστής πρέπει αυτό το δεδομένο να το γράψει στην οθόνη. Υποθέτουμε ότι η οθόνη έχει την διεύθυνση 100. Η επιλογή της οθόνης θα γίνει, όταν στον διάδρομο των διευθύνσεων εμφανιστεί η διεύθυνση 100. Η οθόνη είναι συσκευή εξόδου και ο επεξεργαστής της δίνει δεδομένα. Έτσι για να στείλει το χαρακτήρα στην οθόνη βάζει στον διάδρομο των διευθύνσεων την διεύθυνση 100 προκαλώντας την επιλογή της οθόνης και στην συνέχεια δίνει το χαρακτήρα, που έχει διαβάσει από το πληκτρολόγιο, στον διάδρομο των δεδομένων. Τέλος, με το σήμα WE (Write Enable) επιτρέπει στην οθόνη, που έχει ήδη επιλεγεί, να πάρει το δεδομένο από τον αντίστοιχο διάδρομο.
3.4.3 Λειτουργία διαδρόμου
Σε ένα υπολογιστικό σύστημα, αυτός που ρυθμίζει την διακίνηση των δεδομένων στο διάδρομο είναι ο επεξεργαστής. Έτσι σε κάθε μεταφορά δεδομένου πρέπει απαραίτητα να συμμετέχει. Το πότε θα δώσουν ή θα πάρουν δεδομένα οι περιφερειακές μονάδες καθώς και η μνήμη κανονίζεται από τα σήματα των διευθύνσεων και ελέγχου που δίνει ο επεξεργαστής.
Κάθε περιφερειακή μονάδα ενός υπολογιστικού συστήματος πρέπει να έχει μια διεύθυνση με τη οποία προσδιορίζεται. Η διεύθυνση αυτή είναι το όνομά της και πρέπει κάθε περιφερειακή μονάδα να έχει μία μοναδική και διαφορετική διεύθυνση.
Το ίδιο ισχύει και για την μνήμη. Το σύνολο των διευθύνσεων είναι διαθέσιμο και για την μνήμη και για τις περιφερειακές μονάδες εισόδου και εξόδου. Μια μνήμη, όμως επειδή διαθέτει πολλές θέσεις στις οποίες μπορούν να αποθηκευτούν διαφορετικά δεδομένα, επιλέγεται για ένα σύνολο διευθύνσεων. Κάθε φορά που ο επεξεργαστής θέλει να γράψει ή να διαβάσει μία θέση από το συγκρότημα αυτό της μνήμης, επιλέγει ολόκληρη τη μνήμη. Βέβαια κάθε μνήμη έχει και δικό της εσωτερικό κύκλωμα αποκωδικοποίησης για την επιλογή της συγκεκριμένης θέσης μέσα στο συγκρότημα της μνήμης αυτής.
Οι μονάδες εισόδου και εξόδου συνήθως έχουν μία διεύθυνση με την οποία επιλέγονται. Βέβαια υπάρχουν και περιφερειακές μονάδες που διαθέτουν περισσότερες από μία θέσεις αποθήκευσης ή ανάγνωσης και επιλέγονται από περισσότερες από μία διευθύνσεις.
Κάθε περιφερειακή μονάδα, όπως και η μνήμη, πρέπει να διαθέτει ένα λογικό κύκλωμα αποκωδικοποίησης της διεύθυνσης. Στο κύκλωμα αυτό κάθε μονάδα συγκρίνει τη διεύθυνση του διαδρόμου με τη δική της διευθύνση. Αν η διεύθυνση είναι ίδια, τότε η μονάδα αυτή συνδέεται στο διάδρομο και επικοινωνεί ανταλλάσσοντας δεδομένα με τον επεξεργαστή.
Στο διάδρομο δεδομένων είναι συνδεδεμένες και μπορούν να δώσουν δεδομένα ή να πάρουν δεδομένα όλες οι μονάδες του υπολογιστικού συστήματος. Αυτές φαίνονται σαν να είναι συνδεδεμένες μεταξύ τους αφού όλες συνδέονται στο κοινό διάδρομο του συστήματος. Στη μεταφορά όμως δεδομένων μόνο μία συσκευή πρέπει να στέλνει δεδομένα και μόνο μια άλλη να τα λαμβάνει. Τα δεδομένα αυτά δεν πρέπει να επηρεάζονται από τις υπόλοιπες μονάδες. Για την λύση του προβλήματος αυτού κάθε μονάδα που συνδέεται πάνω στον διάδρομο δεδομένων πρέπει να διαθέτει ειδικούς απομονωτές. Όταν μια μονάδα δεν είναι επιλεγμένη τότε με την βοήθεια των απομονωτών η μονάδα αυτή αποσυνδέεται και δεν επηρεάζει τα δεδομένα του διαδρόμου. Ενώ όταν η μονάδα είναι ενεργοποιημένη, δηλαδή έχει επιλεγεί, είναι πλήρως συνδεδεμένη στον διάδρομο.
Τι έμαθες
- Σε ένα υπολογιστικό σύστημα ο επεξεργαστής, η μνήμη και μονάδες συνδέονται πάνω σε ένα κοινό διάδρομο που ονομάζεται διάδρομος υπολογιστικού συστήματος.
- Ο διάδρομος ενός υπολογιστικού συστήματος αποτελείται από το διάδρομο δεδομένων, το διάδρομο διευθύνσεων και το διάδρομο ελέγχου.
- Σε μία μεταφορά δεδομένων ο επεξεργαστής λαμβάνει πάντα μέρος, διαβάζοντας ή γράφοντας δεδομένα
- Κάθε μνήμη και μονάδα εισόδου και εξόδου έχει μοναδικές διευθύνσεις που αποτελούν το όνομα της.
- Κάθε μονάδα που συνδέεται στον διάδρομο δεδομένων πρέπει να διαθέτει ειδικούς απομονωτές, ώστε να μην επηρεάζει τα δεδομένα του διαδρόμου, όταν δεν είναι επιλεγμένη.
Ορολογία
- Διάδρομος υπολογιστικού συστήματος
- Εύρος Διαδρόμου
- Διάδρομος δεδομένων
- Διάδρομος διευθύνσεων
- Διάδρομος ελέγχου
- Ταχύτητα διαδρόμου
- Σήμα RE (Read Enable)
- Σήμα WE (Write Enable)
Έλεγχος γνώσεων
- 1.Τι ονομάζουμε διάδρομο υπολογιστικού συστήματος και τι ειναι εύρος διαδρόμου;
- 2.Με ποια σήματα συνδέεται ο επεξεργαστής με τον διάδρομο; Ποια η χρήση τους;
- 3.Πώς μπορεί να στείλει δεδομένα μια μονάδα εισόδου σε μια μονάδα εξόδου;
- 4.Πώς επιλέγεται μια μονάδα από τον επεξεργαστή;
- 5.Με ποιο τρόπο οι μονάδες που δεν είναι επιλεγμένες δεν επηρεάζουν τα δεδομένα στον διάδρομο δεδομένων;
