Architektura komputerów

•

Typy architektur – zestawienie

•

DMA

•

Podsumowanie pojęć

Architektura von Neumann-a

•

Podstawowe elementy

–

Centralna jednostka przetwarzająca (CPU) - procesor

•

Jednostka sterująca (CU)

•

Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU)

•

Rejestry

–

Pamięć operacyjna

•

Wspólna dla instrukcji i danych

–

Podsystem wejścia/wyjścia

•

Sekwencyjne przetwarzanie instrukcji

•

Jedna „ścieżka” pomiędzy pamięcią a jednostką centralną

–

„Von Neumann bottleneck”

Architektura von Neumann-a

Arithmetic-Logic

Unit

Control Unit

Program Counter

Acumulator

Registers

Central Processing Unit

Input/Output

Main

Memory

Architektura Harvard (Princeton)

Control Unit

Program Counter

Registers

Central Processing Unit

Data

Memory

Acumulator

Code

Memory

Modyfikacja architektury Harvard-

Princeton

•

Podstawowa architektura H-P

–

Dostęp do danych zawartych w kodzie programu

wymaga ich skopiowania do pamięci danych

•

Zmodyfikowana architektura H-P

–

Pamięć kodu programu może być traktowana jak

pamięć danych tylko do odczytu

Modyfikacja architektury Harvard-

Princeton

CPU

Data

Memory

Code

Memory

CPU

Data

Memory

Code

Memory

Podstawowa

Architektura Harvard-Princeton

Zmodyfikowana

Architektura Harvard-Princeton

Układ : DMA

Bezpośredni dostęp do pamięci

Bus

Bez DMA

Memory

CPU

I/O

Bus

Z DMA

DMA

Memory

I/O

CPU

Bezpośredni dostęp do pamięci -

DMA

•

Direct Memory Access

–

Odciąża procesor od przesyłów danych między

podsystemami

–

Przyjmuje zadania transmisji od procesora

•

Kanał

•

Adres

•

Rozmiar

•

Kierunek

–

Zgłasza status zakończenia zadania

Bezpośredni dostęp do pamięci -

DMA

•

Realizacje

–

Scentralizowane - dedykowany kontroler DMA

–

Rozproszone - strategia dostępu do magistrali

•

Transmisje są wykonywane blokowo

•

Metoda rozrzuć-zbierz (ang. scatter-gather)

–

Obsługa niespójnych obszarów pamięci

•

Z wielu buforów do strumienia

•

Z jednego strumienia do wielu buforów

–

Zamiast pojedynczego adresu – wektor adresów

18

Podstawowe pojęcia

•

Pamięć

–

w ogólnym znaczeniu – blok funkcjonalny do przechowywania

informacji na określonym nośniku (zwykle magnetycznym lub

półprzewodnikowym)

–

pamięć RAM – pamięć półprzewodnikowa zbudowana z przerzutników

(SRAM) lub tranzystorów MOS (DRAM)

•

Rejestr

–

pamięć o niewielkiej pojemności (najczęściej 8, 16, 32 lub 64 bitów)

wbudowana do procesora lub innego układu cyfrowego VLSI,

wykonana zwykle jako SRAM (zbiór przerzutników)

•

ALU (arithmetic-logic unit)

–

arytmometr, główny element bloku wykonawczego procesora zdolny

do realizacji podstawowych operacji arytmetycznych i logicznych

•

FP (floating-point)

–

zmiennoprzecinkowy zapis liczb (znak, mantysa, wykładnik)

19

Podstawowe pojęcia

cd.

•

Pamięć cache

–

nazywana podręczną lub kieszeniową – dodatkowa pamięć buforowa

umieszczona między główną pamięcią komputera (operacyjną) a

procesorem; jej zadaniem jest przyspieszenie komunikacji procesora z

pamięcią główną

•

Potok instrukcji (pipeline)

–

ciąg instrukcji (zwykle kilku lub kilkunastu) pobranych przez procesor i

wykonywanych etapami, tak jak na taśmie produkcyjnej

•

Procesor superskalarny

–

procesor z wieloma potokami instrukcji i wieloma układami

wykonawczymi (arytmometrami)

•

Zegar

–

generator impulsów taktujących bloki funkcjonalne systemu cyfrowego

20

Podstawowe pojęcia

cd.

•

Język asemblera

–

język programowania operujący elementarnymi instrukcjami

zrozumiałymi dla procesora

•

Język wysokiego poziomu (C, C++, Pascal, Java)

–

język programowania operujący złożonymi instrukcjami, niezrozumiałymi

dla procesora; program przed wykonaniem musi być przetłumaczony na

język asemblera

•

Szyna, magistrala

–

zbiór linii przesyłających sygnały między blokami cyfrowymi systemu

(adresy, dane, sygnały sterujące)

•

I/O – input/output

–

układy wejścia/wyjścia do komunikacji z otoczeniem

21

Podstawowe pojęcia

cd.

•

Architektura CISC (np. Pentium)

–

Complex Instruction Set Computer

–

procesor wykorzystujący bogaty zestaw (listę) instrukcji i liczne

sposoby adresowania argumentów; charakterystyczną cechą jest

zróżnicowana długość instrukcji (w bajtach) i czas ich wykonania

•

Architektura RISC (np. PowerPC)

–

Reduced Instruction Set Computer

–

procesor wykorzystujący niewielki zbiór elementarnych rozkazów o

zunifikowanej długości i takim samym czasie wykonania

23

Funkcje i główne bloki komputera

•

Funkcje

–

przechowywanie danych

–

przesyłanie danych

–

przetwarzanie danych

–

funkcje sterujące

•

Bloki funkcjonalne

–

pamięć

–

podsystem I/O

–

procesor (arytmometr)

–

procesor (układ sterujący)

24

Bloki funkcjonalne komputera

Od 1946 r. komputery niezmiennie składają się z 5 tych

samych bloków:

Sterowanie

Arytmometr

Pamięć

Procesor

Wejście

Wyjście

25

Struktura komputera

26

Operacja 1 – przesyłanie danych

(I/O)

27

Operacja 2 – pamiętanie danych

28

Przetwarzanie z/do pamięci

29

Przetwarzanie z pamięci do I/O

30

Struktura komputera – wysoki

poziom

Computer

Main

Memory

Input

Output

Systems

Interconnection

Peripherals

Communications

lines

Central

Processing

Unit

Computer

31

Struktura CPU

Computer

Arithmetic

and

Logic Unit

Control

Unit

Internal CPU

Interconnection

Registers

CPU

I/O

Memory

System

Bus

CPU

32

Struktura układu sterowania

CPU

Control

Memory

Control Unit

Registers and

Decoders

Sequencing

Logic

Control

Unit

ALU

Registers

Internal

Bus

Control Unit

33

Podsumowanie

•

Architektura komputera oznacza jego właściwości „widziane”

przez programistę (struktura rejestrów, lista instrukcji itp..)

•

Organizacja komputera oznacza konkretną implementację

(realizację) architektury przy użyciu określonych układów i

bloków cyfrowych

•

Komputer składa się z 5 podstawowych elementów: układu

wykonawczego, układu sterowania, pamięci, układów wejścia i

wyjścia

•

Układ wykonawczy i sterujący tworzą jednostkę centralną

(CPU)