Wyklad7.pdf

Wykład 7

Architektura komputerów

Zagadnienia szczegółowe:

- pojęcie komputera i systemu informatycznego

- architektura komputera

- organizacja logiczna komputera

- koncepcja von Neumanna

- procesor

- cykl rozkazowy i przerwania

- wielowątkowość, przetwarzanie potokowe, wielordzeniowość

- pamięć

- magistrala systemowa

- jednostka centralna i jej elementy

- interfejsy i złącza

- pamięci zewnętrzne

- karty rozszerzeń

- urządzenia zewnętrzne

Pojęcie komputera:

Komputer (dawniej maszyna cyfrowa) to urządzenie (zespół urządzeń), które:

- pobiera dane wejściowe

- wykonuje na tych danych pewne operacje (obliczenia) zgodnie z określoną z góry

kolejnością poleceń programu (będącego skończonym ciągiem rozkazów/instrukcji

do wykonania, podanym w postaci zrozumiałej dla komputera)

- otrzymane wyniki tych operacji (obliczeń) przesyła użytkownikowi.

Powstanie i rozwój komputerów (urządzeń technicznych zdolnych do gromadzenia,

przechowywania i przetwarzania informacji) datuje się od początku lat 40-tych XX

wieku.

System informatyczny (komputerowy) to system obejmujący

komputer i oprogramowanie zwykle wraz z bankiem danych (bazą danych

i oprogramowaniem do jej bezpośredniej obsługi).

Narzędzia informatyki to: komputery (hardware) + oprogramowanie (software)

Rodzaje komputerów

- superkomputery - zastosowania specjalne, np. w nauce lub wojskowości

- duże komputery (ang. mainframe) - stosowane np. w bankowości

- minikomputery - najczęściej stosowane jako serwery do obsługi przedsiębiorstw,

grup użytkowników, sieci komputerowych.

- mikrokomputery (komputery osobiste) - przeznaczone dla pojedynczego

użytkownika (IBM PC, MacIntosh)

- laptopy, notebooki - komputery przenośne

- palmtopy

Architektura komputera to ustalenia obejmujące:

- organizację i strukturę komputera

- procesor i zbiór realizowanych przez niego instrukcji

- pamięć i sposoby jej organizacji

- magistrale systemowe

- urządzenia wejścia/wyjścia

Architektura von Neumanna :

W 1946 r John von Neumann (1903-1957) podał założenia, które stały się

standardem w architekturze komputerowej.

Model ten obowiązuje do dzisiaj w tradycyjnych komputerach sekwencyjnych

(większość komputerów).

Elementami komputera sekwencyjnego są:

- procesor - jednostka arytmetyczno-logiczna (w tym arytmometr )

- pamięć operacyjna o liniowej adresacji, w której jest zapisany program i dane

- układy sterujące

- system wejścia/wyjścia (we/wy).

Jak działa komputer von Neumanna:

Program (zbiór rozkazów/instrukcji opisujących jakie kroki należy wykonać w

określonej kolejności, aby rozwiązać zadanie) wprowadzany jest do systemu

komputerowego poprzez urządzenia wejścia/wyjścia i przechowywany w pamięci w

sposób identyczny, jak dane .

Dane i instrukcje programu są jednakowo dostępne dla procesora.

System (procesor) ma skończoną i funkcjonalnie pełną listę rozkazów .

Rozkazy są wykonywane w procesorze sekwencyjnie , w kolejności, w jakiej zostały

umieszczone w programie (tym samym w pamięci). Zmiana tej kolejności może

nastąpić w wyniku wykonania specjalnych rozkazów.

Pracę układów taktuje (synchronizuje) zegar systemowy .

Procesor

Procesor (mikroprocesor, CPU – Central Processor Unit) to bardzo złożony, o dużej

skali integracji układ scalony, który wykonuje rozkazy, nadzoruje i synchronizuje

pracę wszystkich urządzeń w komputerze.

Zadania procesora:

- pobieranie rozkazów z pamięci

- dekodowanie rozkazów i ich interpretowanie

- pobieranie danych – z pamięci lub bezpośrednio z urządzeń wejścia

- przetwarzanie danych, czyli przeprowadzanie na danych operacji arytmetyczno-

logicznych

- zapisywanie danych – w pamięci lub na urządzeniach wyjścia

Procesor tworzą:

- jednostka arytmetyczno-logiczna ( arytmometr ) – wykonuje obliczenia

- jednostka sterująca – odpowiada za przepływ informacji i steruje pracą całego

układu

- rejestry - bardzo szybka pamięć o niewielkiej pojemności, służy do

przechowywania bieżących danych i adresów:

* akumulator (A) – przechowuje argument lub wynik obliczeń

* licznik rozkazów (LR) – zawiera adres następnego do wykonania rozkazu

* flagi – określają wektor stanu procesora i wykonywanych obliczeń

- lista rozkazów - funkcjonalnie pełny zestaw poleceń „zapisanych” w języku

maszynowym, które procesor potrafi wykonać

Architektura CISC lub RISC

- CISC (Complex Instruction Set Computers):

* rozbudowana (kilkaset), uniwersalna lista rozkazów procesora

* zróżnicowany format rozkazów

* mała optymalizacja działania

* do pamięci może odwoływać się bezpośrednio duża liczba rozkazów

- RISC (Reduced Instruction Set Computers) (ARM, MIPS, SPARC):

* zredukowana (kilkadziesiąt) lista rozkazów procesora

* rozkazy są prostsze, bardziej zunifikowane, upraszcza to dekodowanie

* zwiększona liczba rejestrów

* zmniejszona liczba odwołań procesora do pamięci

* procesory są wydajniejsze niż procesory o architekturze CISC

- EPIC (Explicitly Paralell Instruction Computing)

* rozkazy CISC-owe są rozbijane na mikrorozkazy, które następnie są wykonywane

przez RISC-owy blok wykonawczy

Podstawowe parametry procesora:

- liczba tranzystorów: od kilku tysięcy do kilkuset milionów

- rozmiar elementów budujących jego strukturę: 45-90 nm

- wielordzeniowość: Dual Core, Quad Core

- częstotliwość pracy: kilka GHz

- długość słowa maszynowego tj. liczba bitów przetwarzanych w jednym cyklu (np.

procesor 32 lub 64-bitowy)

- liczba i przeznaczenie rejestrów

- lista rozkazów, architektura (CISC lub RISC)

- szybkość działania:

* w mipsach (Milion Instructions Per Second) (1 mips = 1 000 000 rozkazów na s)

* w megaflopach (1 megaflop = 1 048 576 operacji zmiennoprzecinkowych na s)

- pojemność pamięci cache współpracującej z procesorem

Prawo Moore'a w oryginalnym sformułowaniu mówi, że ekonomicznie optymalna

liczba tranzystorów w układzie scalonym podwaja się co 18-24 miesiące. Moc

obliczeniowa komputerów podwaja się co 24 miesiące.

Cykl rozkazowy

Procesor pracuje w tzw. cyklu rozkazowym (maszynowym):

1. pobranie z pamięci wskazanej przez adres podany w liczniku rozkazów

kolejnego słowa maszynowego i przekazanie go do dekodera

2. rozpoznanie słowa (rozkaz lub dana); jeśli jest to rozkaz, to następuje wydzielenie

części operacyjnej (nr rozkazu z listy rozkazów procesora) i części adresowej

(adres lub adresy argumentów i/lub wyniku)

3. na podstawie adresów pobranie z pamięci argumentów i wykonanie polecenia

(odwołanie się do odpowiedniego układu w arytmometrze) oraz przesłanie wyniku

pod wskazany adres

4. zwiększenie zawartości licznika rozkazów o 1 (lub o założoną jednostkę)

5. jeżeli operacja nie dotyczyła zakończenia programu, to powrót do pkt.1

Praca procesora regulowana jest przez sygnał zegarowy.

Przerwania

W czasie wykonywania rozkazu może wystąpić zdarzenie nie związane z bieżącym

cyklem rozkazowym, ale wymagające od procesora jakiejś reakcji. W ostatniej fazie

cyklu następuje sprawdzenie, czy wystąpiło zgłoszenie takiego zdarzenia.

Jeśli nie było zgłoszenia, rozpoczyna się następny cykl rozkazowy. Jeśli było

zgłoszenie, nazywane przerwaniem (interrupt), następuje zidentyfikowanie źródła

przerwania, a następnie przekazanie sterowania do stosownej procedury obsługi.

Procedury obsługi przerwań są częścią jądra systemu operacyjnego .

Pojawienie się przerwania powoduje wstrzymanie aktualnie wykonywanego

programu i wykonanie przez procesor kodu procedury obsługi przerwania.

Rodzaje przerwań:

- sprzętowe :

- zewnętrzne: sygnał przerwania pochodzi z zewnętrznego układu (np. z klawiatury,

napędu dysku) obsługującego przerwania sprzętowe

- wewnętrzne (diagnostyczne), nazywane wyjątkami (exceptions), zgłaszane przez

procesor dla sygnalizowania sytuacji wyjątkowych (np. dzielenie przez zero);

dzielą się na trzy grupy:

* faults – niepowodzenia

* traps – pułapki

* aborts – błędy, których nie można naprawić

- programowe – są wynikiem wykonania specjalnego rozkazu programu, najczęściej

wykorzystywane do komunikacji z systemem operacyjnym

Rozszerzenia architektury von Neumanna:

- wielowątkowość - wykorzystuje podział programu na wątki (threads), które są

wykonywane niezależnie (nie musza oczekiwać wzajemnie na swoje wyniki)

- przetwarzanie superskalarne – oznacza możliwość wykonywania kilku rozkazów

na raz w jednym cyklu zegara, jest to możliwe dzięki zwielokrotnieniu jednostek

wykonawczych, co umożliwia obliczenia równoległe

- przetwarzanie potokowe (pipelining) – kolejne rozkazy złożone znajdują się w

różnych stanach realizacji; rozkaz podzielony jest na wiele małych kroków (stopni)

obsługiwanych przez różne układy procesora

- wielordzeniowość – procesor składa się z kilku współpracujących ze sobą

układów tworzących w zasadzie samodzielne procesory

Pamięć

Pamięć służy do przechowywania programów i danych.

Fizycznie jest to zestaw układów elektronicznych, z których każdy w elementarnej

postaci może przyjmować dwa rozróżnialne stany 0 i 1 .

Charakterystyka pamięci:

- wewnętrzna (np. RAM), zewnętrzna (np. pamięć flash)

- dostęp: sekwencyjny (np. taśma magnetyczna), bezpośredni (np. dysk twardy),

swobodny (np. RAM)

- ulotna (np. RAM), trwała (nieulotna) (np. dysk twardy, CD-ROM)

- tylko do odczytu (np. ROM), zapisywalna 1x (CD-R) lub wiele razy (CD-RW)

- półprzewodnikowa (np. RAM, flash), magnetyczna (np. dyskietka), optyczna (np.

DVD-ROM), magnetooptyczna

Podstawowe parametry pamięci:

- pojemność – wyrażana w wielokrotnościach bajtów (B), np. 120 GB

- czas dostępu – czas niezbędny do zrealizowania operacji zapisu/odczytu lub czas

potrzebny na umieszczenie mechanizmu zapisu/odczytu w żądanym miejscu, od

kilku ns (cache) do kilku ms (dysk twardy)

- szybkość zapisu/odczytu

Rodzaje pamięci:

ROM (Read Only Memory) – pamięć trwała, tylko do odczytu, zawartość zostaje

zapisana podczas procesu produkcji i np. umożliwia zainicjowanie pracy komputera

po włączeniu (BIOS - testowanie, wczytanie systemu operacyjnego)

PROM pamięć tylko do odczytu z programowalną zawartością:

- EPROM optycznie (UV) wymazywalna, odczytywana i zapisywana elektrycznie

- EEPROM elektrycznie wymazywalna

- pamięć flash odmiana pamięci EEPROM

RAM (Random Access Memory) – pamięć ulotna, o dostępie swobodnym,

wielokrotnie zapisywalna; przechowuje programy i dane

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: