1

1

Architektura Systemów Komputerowych

Wykład 1

Pojęcia podstawowe. Systemy liczbowe.

2

Warunki uzyskania zaliczenia:

‰

Obecność na laboratoriach

‰

Pozytywna ocena z pracy na laboratorium

‰

Pozytywna końcowa ocena z testu wyboru
(wykład+laboratorium)

Architektura Systemów Komputerowych

3

Literatura i materiały:

‰

W. Stallings, Organizacja i architektura systemu komputerowego,
Projektowanie systemu a jego wydajność, Wydawnictwa Naukowo-
Techniczne

‰

G.Syck, Turbo Assembler. Biblia Użytkownika, LT&P, Warszawa 1994

‰

J.Scanlon, Assembler 80286/80386

‰

J.Biernat, Architektura komputerów, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Wrocławskiej, Wrocław, 1999

‰

P.Metzger, Anatomia PC, Helion

‰

Randall Hyde, Profesjonalne programowanie. Część 1. Zrozumieć
komputer, 2005

‰

Czasopisma specjalistyczne i popularnonaukowe

4

System komputerowy

SK

składa

się

ze

współzależnych

zespołów

elementów.

Charakteryzuje się go poprzez określenie jego

‰

struktury (tj. sposobu powiązania zespołów)

‰

i funkcjonowania (tj. działania jego poszczególnych zespołów).

Wyróżnia się przy tym następujące poziomy systemu:

‰

sprzęt komputerowy,

‰

system operacyjny (oprogramowanie systemowe),

‰

oprogramowanie użytkowe (aplikacje).

2

5

Architektura

– odnosi się do tych atrybutów systemu, które są

widzialne dla programisty, czyli inaczej mają bezpośredni wpływ na
logiczne wykonywanie programu.

Organizacja

–

to opis zależności sprzętowych, przedstawienie

poszczególnych podzespołów komputera który funkcjonuje według
pewnych zasad, współpracuje ze sobą by osiągnąć określony cel.

‰

lista instrukcji, liczba bitów stosowana do reprezentacji danych,
mechanizm I/O, techniki adresowania;

‰

czy dostępna jest operacja mnożenia?

‰

sygnały sterujące, interfejsy, technologia wykonania pamięci

‰

np. czy mnożenie jest realizowane sprzętowo, czy przez sekwencję
dodawań?

Architektura a Organizacja

systemu komputerowego

6

Warstwy systemu komputerowego

Struktura systemu komputerowego jest struktura hierarchiczną i
składa się z pięciu zasadniczych warstw tj.:

‰

warstwa sprzętowa,

‰

system operacyjny,

‰

programy narzędziowe,

‰

programy użytkowe

‰

użytkownicy.

7

Warstwy systemu komputerowego

Sprzęt

– zapewnia podstawowe możliwości obliczeniowe (procesor,

pamięć, urządzenia wejścia/wyjścia) – podstawowe zasoby systemu
komputerowego.

Oprogramowanie systemowe

– kontroluje i koordynuje użycie zasobów

sprzętowych poprzez różne programy użytkowe dla różnych użytkowników.

Oprogramowanie narzędziowe

– wspomaga zarządzanie zasobami

sprzętowymi poprzez dogodne interfejsy użytkowe oraz usprawnia,
modyfikuje oprogramowanie systemowe.

Programy użytkowe

– określają sposoby, w jakie zostają użyte zasoby

systemowe do rozwiązywania problemów obliczeniowych zadanych przez
użytkownika (kompilatory, systemy baz danych, gry, oprogramowanie
biurowe).

Użytkownicy

– osoby, maszyny, inne komputery, które mają bezpośredni

kontakt z oprogramowaniem użytkowym.

8

Klasyfikacja systemów komputerowych

‰

Systemy

ogólnego przeznaczenia

(np. komputery osobiste, stacje

robocze)

‰

Systemy

czasu rzeczywistego

(np. systemy sterowania

procesami przemysłowymi, monitoringu)

‰

Systemy

wbudowane

(np. mikrokontrolery, zwykle występują bez

klawiatury, wyświetlacze)

‰

Systemy

wielozadaniowe

(w systemach tych procesor wykonuje

na przemian wiele różnych zadań)

3

9

Klasyfikacja systemów komputerowych

‰

Systemy

wielodostępowe

(każdy użytkownik współpracujący z

określonym zadaniem pracuje przy osobnym terminalu
wyposażonym w urządzenia wejścia wyjścia)

‰

Systemy

wieloprocesorowe

(posiadają kilka współpracujących ze

sobą procesorów, systemy równoległe)

‰

Systemy

rozproszone

(zbudowane w oparciu o niejednorodne

jednostki, podsystemy mogą mieć różne przeznaczenie)

10

Funkcje i główne bloki komputera

‰

Funkcje

…

przesyłanie danych

…

przechowywanie danych

…

przetwarzanie danych

…

funkcje sterujące

‰

Bloki funkcjonalne

…

pamięć

…

podsystem I/O

…

procesor (arytmometr)

…

procesor (układ sterujący)

11

Operacja 1 – przesyłanie danych

Przemiesz-

czanie

I/O

Sterowanie

Przetwa-

rzanie

Pamięć

12

Operacja 2 – przechowywanie danych

Przemiesz-

czanie

I/O

Sterowanie

Przetwa-

rzanie

Pamięć

4

13

Operacja 3 – przetwarzanie danych (1)

Przemiesz-

czanie

I/O

Sterowanie

Przetwa-

rzanie

Pamięć

14

Operacja 4 – przetwarzanie danych (2)

Przemiesz-

czanie

I/O

Sterowanie

Przetwa-

rzanie

Pamięć

15

Bloki funkcjonalne komputera

Wyróżnia się 5 bloków:

Sterowanie

Arytmometr

Pamięć

Procesor

Wejście

Wyjście

16

Architektury komputerów

‰

Architektura Harwardzka

‰

Zmodyfikowana architektura Harwardzka

‰

Architektura SHARC (Super Harvard ARChitecture)

‰

Architektura von Neumanna

‰

Zmodyfikowana architektura von Neumanna

5

17

Architektura Harwardzka

o

Rozkazy i dane przechowywane są
w oddzielnych pamięciach.

o

Organizacja pamięci może być

różna (inne długości słowa danych i
rozkazów).

o

Komputer posiada 2 magistrale,

rozkazów oraz danych.

o

Możliwość pracy równoległej –

jednoczesny odczyt z pamięci
programu oraz pamięci danych,

o

Stosowana m.in. w

mikrokontrolerach jednoukładowych.

RAM DANYCH

RAM

PROGRAMU

obszar I/O

CPU

ADRES 2

ADRES

DANE 2

DANE 2

18

Architektura von Neumanna

o

Ścisły podział komputera na 3 podstawowe

części: procesor, pamięć i urządzenia wejścia
wyjścia

o

Program oraz dane umieszczone są we

wspólnej pamięci.

o

Nie da się rozróżnić danych o rozkazów

(instrukcji).

o

Dane nie mają przypisanego znaczenia.

o

Pamięć traktowana jest jako liniowa tablica

komórek, które identyfikowane są przy
pomocy dostarczanego przez procesor
adresu.

o

Procesor ma dostęp do przestrzeni

adresowej, dekodery adresowe zapewniają
mapowanie pamięci na rzeczywiste układy.

RAM

(PROGRAMU

I DANYCH)

obszar I/O

CPU

ADRES

DANE 2

19

Systemy liczbowe

System liczbowy

– zestaw reguł umożliwiających przedstawienie

liczb za pomocą określonych symboli (cyfr) oraz wykonywanie na tych
liczbach określonych działań (operacji arytmetycznych).

‰

pozycyjne

systemy liczbowe – znaczenie cyfry (wartość) jest

uzależnione od pozycji, które zajmuje w liczbie (przykład: system
dziesiętny, np. 7744)

‰

niepozycyjne (addytywne)

systemy liczbowe – znaczenie cyfry

jest niezależne od zajmowanej pozycji w liczbie (przykład: system
rzymski, np. XVIII ).

20

Cyfrowa reprezentacja wartości

W technice komputerowej wykorzystywane są głównie systemy:

‰

dwójkowy

,

‰

ósemkowy

,

‰

dziesiątkowy

(dziesiętny)

‰

szesnastkowy

(heksadecymalny).

‰

system dwójkowy: {0, 1}

‰

system ósemkowy: {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7},

‰

system dziesiętny: {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9},

‰

system szesnastkowy:{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F } –
(A=10, B=11, C=12, D=13, E=14, F=15)

6

21

Systemy pozycyjne wagowe

22

Systemy pozycyjne wagowe

23

System dziesiętny

Cyfry mogą przyjmować dziesięć różnych wartości: 0,1..9

12 = 2*1 + 1*10 = 2*10

0

+ 1*10

1

+ 0*10

2

+ ...

012 = 2*10

0

+ 1*10

1

+ 0*10

2

+ ... = 12

24

Pojemność liczby

Maksymalna wartość, jaką można zapisać w danym systemie
liczbowym na

m

pozycjach całkowitych i

n

pozycjach ułamkowych.

1

−

=

m

p

m

p

L

(

) (

)

n

m

p

n

m

p

p

L

−

−

+

−

=

1

1

,