Architektura Komputerów - wiedza ogólna.pdf - ASK - wykłady - Metaloman

Architektura Komputerów i Programowanie

Niskopoziomowe

1. Historia ewolucji komputerów

Generacje komputerów:

1 generacja

1946-1957

lampa próżniowa

ok. 40 000 operacji na sekundę

2 generacja

1958-1964

tranzystor

ok. 200 000 operacji na sekundę

3 generacja

1965-1971

mała i średnia skala integracji

ok. 1 000 000 operacji na sekundę

4 generacja

1972-1977

wielka skala integracji

ok. 10 000 000 operacji na sekundę

5 generacja

1978-…

bardzo wielka skala integracji

ok. 100 000 000 operacji na sekundę

ENIAC

ENIAC (ang. Electronic Numerical Integrator And Computer ) został ukończony w roku

1946. Był pierwszym na świecie elektronicznym komputerem cyfrowym o ogólnym

przeznaczeniu. ENIAC był maszyną raczej dziesiętną niż binarną. Liczby były

reprezentowane w formie dziesiętnej i arytmetyka była realizowana w systemie

dziesiętnym. Jego pamięć składała się z 20 „akumulatorów”, z których każdy

mógł przechowywać 10-cyfrową liczbę dziesiętną. Każda cyfra była

reprezentowana przez pierścień złożony z 10 lamp próżniowych. Główną wadą ENIAC-

a było to, że musiał on być programowany ręcznie przez ustawianie przełączników

oraz wtykanie i wyjmowanie kabli.

Maszyna von Neumanna

W roku 1946 rozpoczęto projektowanie nowegokomputera wykorzystującego

program przechowywany w pamięci. Miało to miejsce w Princeton Institute for

Advanced Studies , a sam komputer określono skrótemIAS. Głównymi jego

składnikami są:

Pamięć główna , w której są przechowywane zarówno dane jak i rozkazy

Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU), mogąca wykonywać działania

na danych binarnych

Jednostka sterująca , która interpretuje rozkazy z pamięci i powoduje

ich wykonanie

Urządzenia wejścia-wyjścia , których pracą kieruje jednostka sterująca

Komputer IAS działał przez powtarzalne wykonywanie cyklu rozkazu. Z rzadkimi

wyjątkami wszystkie dzisiejsze komputery mają tę samą ogólną strukturę i funkcje,

są wobec tego określane jako maszyny von Neumanna.

2. Pojęcia organizacji i architektury komputerów

Architektura komputera – opis budowy systemu komputerowego, który odnosi się

do atrybutów systemu widzialnych dla programisty takich jak liczba bitów

reprezentacji danych, organizacja jednostki arytmetyczno-logicznej, lista rozkazów,

metody organizacji pamięci, mechanizmy wejścia-wyjścia.

Organizacja komputera – opis budowy systemu komputerowego, który odnosi się

do atrybutów niewidzialnych dla programisty takich jak rozwiązania sprzętowe

wynikające z zastosowanej technologii elektronicznej, sygnały i układy sterujące,

interfejsy między komputerem a urządzeniami peryferyjnymi .

Struktura komputera – opis wzajemnego, hierarchicznego powiązania składników

systemu komputerowego.

3. Podstawowe podzespoły komputera

Funkcje komputera:

przetwarzanie danych

przechowywanie danych

przenoszenie danych

sterowanie

Procesor – jednostka centralna (CPU) przetwarza dane i steruje działaniem

komputera. Składa się m.in. z:

Jednostki arytmetyczno-logicznej – realizuje funkcje przetwarzania danych

przez komputer (dokonuje obliczeń)

Rejestrów podręcznych – przechowują chwilowe dane przetwarzane przez

procesor

Jednostki sterującej – pobiera i dekoduje rozkaz, generuje odpowiednie sygnały

sterujące dla innych elementów procesora

Magistral procesora – zapewniają łączność pomiędzy składnikami procesora

Pamięć główna – przechowuje dane i instrukcje

Urządzenia wejścia-wyjścia – odpowiadają za komunikację komputer – otoczenie

Połączenia systemowe – (magistrale) – zapewniają łączność pomiędzy

poszczególnymi elementami komputera

4. Pojęcia hardware, firmware i software

Hardware – zestaw urządzeń elektronicznych do automatycznego przetwarzania

informacji. Fizyczne komponenty komputera, elementy peryferyjne i akcesoria.

Firmware – oprogramowanie układowe, umieszczone przez producenta sprzętu

w pamięci ROM, dostarczane razem ze sprzętem i traktowane jako jego element.

Software – oprogramowanie umieszczane w pamięci komputera w postaci sekwencji

rozkazów, wykonywanych przez jednostkę centralną.

5. Pojęcia mikroprocesor, mikrokontroler, mikrokomputer

Mikroprocesor – steruje działaniem komputera i realizuje jego funkcje

przetwarzania danych. Układ scalony, którego działanie polega na wykonywaniu

instrukcji programów zapisanych w pamięci. Nadzoruje i synchronizuje pracę

wszystkich urządzeń w komputerze. Głównymi zespołami procesora są: jednostka

arytmetyczno-logiczna ALU, jednostka sterująca, rejestry. Procesory mogą się

wyróżniać: architekturą (RISC lub CISC), liczbą bitów przetwarzanych w jednym

cyklu, częstotliwość taktowania w MHz.

Mikrokontroler – układ scalony o bardzo wielkiej skali integracji, w skład którego

wchodzi: mikroprocesor, pamięć przechowująca rozkazy dla mikroprocesora, dane

oraz wyniki operacji, układy wejścia-wyjścia umożliwiające wprowadzenie do pamięci

rozkazów, danych i wyprowadzenie wyników. Mikrokontrolery są kompletnymi,

programowalnymi, autonomicznymi układami (do pracy wystarczają im urządzenia

zewnętrzne zawarte w mikrokontrolerze), mogącymi realizować wszystkie operacje

składające się na przetwarzanie informacji cyfrowej łącznie z jej wymianą

z określonym otoczeniem.

Mikrokomputer – jednoukładowy komputer, którego wszystkie bloki funkcjonalne

(procesor, pamięć, urządzenia wejścia-wyjścia) są umieszczone w jednym układzie

scalonym. Mikrokomputery znajdują zastosowanie głównie w komputerach

wbudowanych, np. w sterownikach.

6. Procesory sygnałowe

Sygnały można podzielić na:

Analogowe - są przebiegami konkretnej wielkości fizycznej np. napięcia

elektrycznego, ciśnienia, temperatury.

Cyfrowe - jeśli użyta do reprezentacji sygnałów wielkość fizyczną odgrywa

rolę drugorzędną i kwantuje się ją, to próbki interesującego nas sygnału

można zakodować za pomocą ustalonych zestawów symboli. Takie kwantowe

i kodowane sygnały nazywają się cyfrowymi.

Ciągłe - takie, że ich wartości są istotne dla każdej wartości zmiennej

niezależnej z pewnego przedziału np. każdej chwili czasu

Dyskretne - jeśli istotne są tylko ich wartości w pewnych (dyskretnych)

punktach przestrzeni zmiennej niezależnej np. w wybranych, dyskretnych

chwilach czasu. Sygnały dyskretne są opisywane jako ciągi (sekwencje) liczb

tzw. próbek sygnału

Jednowymiarowe

Wielowymiarowe

Sygnał skwantowany

Sygnał skwantowany to taki sygnał, który nie jest rejestrowany dokładnie, lecz

rozróżnia się jedynie skończoną liczbę możliwych poziomów (wartości) wielkości

fizycznej użytej do reprezentacji sygnału.

Najważniejsze cechy procesorów sygnałowych:

Długie formaty danych (np. 16 bitów, 32 bity i więcej)

Sprzętowa realizacja mnożenia z możliwością zapisu dokładnego wyniku

w tzw. długim akumulatorze

Rozdzielanie toru programu od toru danych (architektura harwardzka)

Szybkie działanie

Niski pobór mocy

Przebieg obróbki sygnału

Stosujemy czujniki do przetworzenia temperatury, ciśnienia, wibracji w odpowiednie

sygnały elektryczne. Tak uzyskane sygnały są zazwyczaj analogowe i ciągłe. Z reguły

poddawane są na wstępie pewnej filtracji analogowej, ograniczającej jej pasmo

(tzw. filtracji anty-aliasingowej) [filtr we] , następnie próbkowaniu np. w układzie

próbkująco-pamiętającym [S&H] ( sample & hdd - próbkuj i trzymaj) i wreszcie

przetwarzaniu analogowo-cyfrowemu [A/D] ( analog to digital ). Teraz następuje

proces główny czyli etap cyfrowego przetwarzania sygnału, np. za pomocą procesora

sygnałowego [DSP] ( digital signal processor ). Otrzymane w wyniku sygnał użyteczny

podlega przetwarzaniu cyfrowo-analogowemu [D/A] i wygładzeniu w filtrze

wyjściowym [filtr wy] .

Układy analogowe:

Ograniczona dokładność, zależna od precyzji pomiaru wielkości fizycznej

zastosowanej reprezentacji sygnału.

Zależne w działaniu od temperatury, warunków atmosferycznych, rozrzutu

i starzenia się elementów (brak powtarzalności działania układu i różnice

w działaniu poszczególnych egzemplarzy).

Układy cyfrowe:

Wraz ze wzrostem ilości bitów słowa rośnie dokładność, ale rosną również

koszty i maleje szybkość próbkowania.

Działają w sposób dokładnie powtarzalny i nie podlegają starzeniu.

Brak bezpośredniej zależności od zjawisk fizycznych (realizacja dowolnych

algorytmów obliczeniowych).

Możliwość zastosowania układów programowalnych (np. procesorów

sygnałowych) - możliwość zmiany właściwości układu jedynie przez program,

bez modyfikacji sprzętu.

Występowanie hazardów danych i sterowania.

Występowanie błędów statycznych: „przywarta jedynka”, „przywarte zero”.

Koncepcja próbkowania

Sygnał ciągły transmitowany za pośrednictwem łącznika, co jakiś czas zamykany jest

łącznik, co daje krótki impuls o amplitudzie równej wartości sygnału w chwili

próbkowania. Odstępy między chwilami próbkowania mogą być równe, np. Ts, wtedy

jest to próbkowanie równomierne o okresie Ts albo szybkości fs=1/Ts. Jeśli nie to

próbkowanie takie nazywamy próbkowaniem nierównomiernym.

7. Architektura von Neumanna i architektura harwardzka

Architektura von Neumanna:

Dane i rozkazy są przechowywane w tej samej pamięci umożliwiającej zapis

i odczyt

Zawartość pamięci może być adresowana przez wskazanie miejsca, bez

względu na rodzaj przechowywanych danych

Wykonywanie rozkazów w sposób szeregowy, rozkaz po rozkazie

Urządzenie realizuje różne operacje w zależności od doprowadzonych sygnałów

sterujących. System przyjmuje dane i sygnały sterujące, po czym dostarcza wyniki.

Cały program jest sekwencją kroków. W każdym kroku wykonywana jest pewna

operacja arytmetyczna lub logiczna.

Architektura harwardzka:

Zastosowanie osobnych pamięci i magistral dla programu i danych

Program nie może zapisać do pamięci programu

Ułatwia projektowanie procesorów

Adres danej można podawać do pamięci danych już w czasie podawania

adresu następnej instrukcji pamięci programu - przyspiesza przetwarzanie

potokowe

8. Magistrale i połączenia magistralowe

Magistrala jest drogą zapewniającą komunikację między urządzeniami.

Główną charakterystyczną cechą magistrali jest to, że jest ona wspólnym

nośnikiem transmisji (ang. shared transmission medium ). Do magistrali dołącza się

wiele urządzeń, a sygnały wysyłane przez którekolwiek z nich mogą być

odbierane przez wszystkie pozostałe urządzenia. Jeśli dwa urządzenia nadawałyby

w tymsamym czasie, ich sygnały nakładałyby się i ulegały zakłócaniu.

W określonym czasie może więc nadawać tylko jedno urządzenie. Często magistrala

składa się z wielu dróg (linii) komunikacyjnych. Każdą linią mogą być przesyłane

sygnały reprezentujące binarne 0 i 1. W ciągu pewnego czasu przez pojedynczą linię

może być przekazana sekwencja cyfr binarnych. Wiele linii zawartych w magistrali

można wykorzystywać razem do jednoczesnego (równoległego) transmitowania cyfr

binarnych. Na przykład 8-bitowa jednostka danych może być przesyłana przez 8 linii

magistrali. System komputerowy zawiera pewną liczbę różnych magistrali, które

łączą zespoły komputera na różnych poziomach hierarchii. Magistrala łącząca

główne zespoły komputera (procesor, pamięć, wejście-wyjście) nazywana jest

magistralą

spotykane

struktury

połączeń

komputera wykorzystują jedną lub więcej magistrali systemowych.

Struktura magistrali

Zawarte w magistralach linie można podzielić na trzy grupy funkcjonalne:

linie danych, adresów i sterowania. Ponadto mogą występować linie służące do

zasilania dołączonych modułów.

Linie danych są ścieżkami służącymi do przenoszenia danych między modułami

systemu. Wszystkie te linie łącznie są określane jako szyna danych (ang. data bus ).

Szyna danych składa się typowo z 8, 16 lub 32 oddzielnych linii, przy czym liczba linii

określa szerokość tej szyny. Ponieważ w danym momencie każda linia może przenosić

tylko 1 bit, z liczby linii wnika, ile bitów można jednocześnie przenosić. Szerokość

szyny danych jest kluczowym czynnikiem określającym wydajność całego systemu.

Jeśli na przykład szyna danych ma szerokość 8 bitów, a każdy rozkaz ma długość 16

bitów, to procesor musi łączyć się z modułem pamięci dwukrotnie w czasie każdego

cyklu rozkazu.

systemową. Najczęściej

Architektura Komputerów - wiedza ogólna.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: