Wstęp do Informatyki

Wykład 2

Komputer von

Neumana

Autor: Dr hab. Marek J. Greniewski

Podręcznik do wykłady

• William Stallings

• Organizacja i architektura

systemu komputerowego –
projektowanie systemu a jego
wydajność

• Wydanie drugie 2000 lub trzecie 2004
• Wydawnictwo Naukowo-Techniczne

Przykład pytań

egzaminacyjnych

• Na czym polegała idea komputera von Neumana?
• Przedstaw strukturę komputera von Neumana.
• Podaj formaty słów przechowywanych w pamięci komputera IAS.
• Jakie rejestry posiadał komputer IAS (podaj liczbę rejestrów i

ich nazwy)?

• Z ilu instrukcji składała się lista rozkazów komputera IAS i na ile

grup była podzielona?

• Wymień nazwy rozkazów grup rozgałęzień bezwarunkowych i

warunkowych komputera IAS i opisz ich funkcjonalność.

• Wymień nazwy rozkazów grupy przenoszenia danych komputera

IAS i opisz ich funkcjonalność.

• Wymień nazwy rozkazów grupy arytmetycznej komputera IAS i

opisz ich funkcjonalność.

• Narysuj i opisz graf stanów komputera IAS.
• Czym różnią się pojęcia organizacji i architektury komputerów?

Przykład pytań

egzaminacyjnych

• Jakie układy kombinacyjne można zbudować korzystając z

bramki typu NAND, a jakie korzystając z bramki typu NOR?

• Podaj dwa prawa DeMorgana i ich tabliczki zerojedynkowe.
• Podaj przykład prostego układu kombinacyjnego wraz z

tabliczką zerojedynkową.

• Podaj przykład układu Multiplexera o czterech wejściach.
• Do czego używane są Multiplexery w komputerach?
• Podaj przykład układu Decoder o czterech wyjściach.
• Do czego używane są układy Decoder w komputerze?
• Wymień znane typy przerzutników i narysuj ich schematy?
• Dla każdego typu przerzutnika podaj tabliczkę zerojedynkową.

Przykład pytań

egzaminacyjnych

• Czym różnią się układy kombinacyjne od układów

sekwencyjnych?

• Wyjaśnij rolę przerwań w komputerze
• Narysuj graf stanów komputera z obsługą przerwań.
• Wymień podstawowe moduły komputera i wyjaśnij przeznaczenie

magistrali systemowej.

• Podaj znane Ci metody koordynacji czasowej działania magistrali

i wymień ich zalety i wady.

• Jakie rodzaje linii zawiera szyna uniwersalna komputera?
• Jaka jest rola i działanie układ arbitrażu?
• Wyjaśnij do czego służą linie sterowania magistrali - na

przykładzie magistrali PCI.

• Wyjaśnij co rozumiemy pod pojęciem przerwania wielokrotnego i

jak należy zorganizować obsługę dopuszczającą ich wystąpienie.

• Jak działa układ DMA?

Przykład pytań

egzaminacyjnych

• Czym różnią się statyczne i dynamiczne pamięci RAM?
• Jakie znasz typy odświeżania pamięci dynamicznych RAM?
• Wymień znane Ci sposoby dostępu do pamięci komputerowej.
• Wyjaśnij na czym polega działanie pamięci asocjacyjnej cache.
• Wymień podstawowe różnice pomiędzy pamięcią cache i

pamięcią wirtualną.

• Opisz funkcjonalność procesora.
• Do czego służy pamięć typu cache i jak taka pamięć może być

usytuowana w stosunku do szyny głównej i procesora?

• Opisz mechanizm pamięci wirtualnej komputera.
• Podaj zasady działania potokowego jednostki arytmetyczno-

logicznej procesora.

• Na czym polega kodowanie binarnych liczb ujemnych o 5

cyfrach binarnych przez uzupełnienie do 2

6

?

Przykład pytań

egzaminacyjnych

• Jak kodowane są w komputerze liczby zmienno-przecinkowe?
• Wymień problemy pojawiające się w toku wykonywania operacji

zmiennoprzecinkowych.

• Opisz funkcje poszczególnych bitów rejestru F mikroprocesora

PENTIUM.

• Wyjaśnij na czym polega działanie kodu Hemminga dla M = 4 i K = 1.
• Wymień znane Ci systemy kodowania binarnego znaków stosowanych w

komputerach.

• Czym różni się system binarny przedstawiania liczb naturalnych od

systemu dziesiętnego?

• Omów własności stosu i związek stosu z podstawowymi rejestrami

procesora.

• Wymień elementy składowe instrukcji komputera i podaj występujące we

współczesnych komputerach formaty instrukcji.

• Wymień różnice pomiędzy formatami: trzyadresowym, dwuadresowym,

jednoadresowym oraz bez-adresowym.

• Co to są instrukcje (rozkazy) uprzywilejowane komputera i kiedy są

używa?

Przykład pytań

egzaminacyjnych

• Co rozumiemy pod pojęciem procesu realizowanego przez

komputer?

• Narysuj i opisz graf zmiany stanów procesów w wielozadaniowym

systemie operacyjnym.

• Podaj listę najważniejszych funkcji i tablic wieloprogramowego

systemu operacyjnego.

• Podaj listę różnic (specyficznych funkcji) różniących

wieloprocesorowy system operacyjny od systemu

jednoprocesorowego.

• Podaj miejsce lokalizacji i zasady działania programowanej jednostki

sterującej komputera.

• Podaj zasady działania potokowego jednostki sterującej procesora.
• Opisz działanie Pipeline dla instrukcji wykonywanych w pięciu

krokach (Feach, Decode_1, Decode_2, Execute, Write).

• Jakie warianty rozkazów - ładuje logiczna jednostka szeregowania

do rejestru adresów sterowania?

• Wyjaśnij na czym polega różnica pomiędzy mikrorozkazem

poziomym a mikrorozkazem pionowym.

• Podaj format poziomej i pionowej mikroinstrukcji sterującej.

Przykład pytań

egzaminacyjnych

• Podaj i omów sygnały kierujące działaniem jednostki sterującej.
• Podaj i omów sygnały sterujące generowane przez jednostkę

sterującą.

• Przedstaw kroki cyklu pobierania jednostki sterującej.
• Jak opiszesz różnice pomiędzy komputerami typu RISC a

komputerami typu CISC?

• Podaj przykłady komputera RISC i komputera CISC.
• Co to jest Firmware, np. w komputerze RISC i do czego służy?
• Dlaczego komputer RISC sprawniej obsługuje układ przerwań?
• Podaj znane Ci techniki przyśpieszania pracy procesora.
• Opisz do czego służy tablica historii rozgałęzień wykonywanego

programu.

• Wymień podstawowe własności systemów rozproszonych.

Przykład pytań

egzaminacyjnych

• Podaj podstawowe metody łączenia modułów (pamięci i

procesorów) wielo-procesora.

• Opisz schemat współpracy w systemie klient - serwer.
• Podaj zasady działania super-komputera i różnice w porównaniu

z komputerem super-skalarnym.

• Wymień podstawowe różnice pomiędzy komputerem skalarnym,

super-skalarnym i wektorowym.

• Podaj listę komponentów pasywnych i aktywnych sieci

komputerowej.

• Wymień podstawowe topologie sieci.
• Jakie właściwości różnią technologie Ethernet i TokenRing?
• Przedstaw różnice pomiędzy modelem warstwowym ISO/OSI a

stosem protokołów TPC/IP.

• Podaj listę najpopularniejszych protokołów sieciowych i wskaż,

które z nich są rutowalne, a które nierutowalne.

• Wyjaśnij czym różnią się sieci lokalne od globalnych. Podaj

przykład sieci globalnej.

Plan nauczania

1. Wprowadzenie, komputer von Neumana,

komputer skalarny

2. Cyfrowe układy logiczne (kombinacyjne i

sekwencyjne)

3. Magistrale systemowe i sterowanie urządzeniami

we-wy

4. Pamięć wewnętrzna
5. Podstawy systemów operacyjnych
6. Arytmetyka komputera
7. Procesor i listy rozkazów procesorów
8. Komputery CISC a RISC
9. Jednostka sterująca komputera
10. Systemy wieloprocesorowe i wielo-komputery
11. Sieci komputerowe oraz system klient serwer.

Krótki zarys historii

• Prekursorzy podstaw techniki obliczeniowej i informatyki.
• Pionierzy komputerów (John von Neuman i Alan Turing) i

podstaw programowania, w tym programowania

symbolicznego oraz pierwszych aplikacji.

• Druga generacja technicznych komputerów i kompilatorów

języków wyższego rzędu (FORTRAN, COBOL) oraz metod

zarządzania przedsięwzięciami (PERT, CPM).

• Trzecia generacja komputerów, systemów operacyjnych i

systemów zarządzania bazami danych oraz powstania

zaawansowanych programów aplikacyjnych.

• Superkomputery – czyli komputery wektorowe.
• Komputery czwartej generacji technicznej, systemu

operacyjnego UNIX, jeżyka programowania C i zalążków

sieci komputerowych w tym protokółów TCP/IP.

• Komputery osobiste, edytorów tekstów, arkuszy

kalkulacyjnych i lokalne sieci komputerowe.

• Okres rewolucji Internet, powstania technologii Data

Warehousing, technologii CRM oraz e-Business’u.

Koncepcja Johna von Neumanna

• W 1945 roku po raz pierwszy została opublikowana idea

komputera, który w pamięci wewnętrznej przechowuje

program – według którego działa komputer, jest ona

przypisywana jednemu z konsultantów projektu ENIAC –

amerykańskiemu matematykowi węgierskiego

pochodzenia John'owi von Neumanowi.

• Idea ta, znana jako koncepcja przechowywania

programu, jest podstawą działania współczesnych

komputerów.

• Należy wspomnieć, że niemal w tym samym czasie

podobna koncepcja została opracowana również przez

brytyjskiego matematyki Alana Turinga.

• Według tej idei opracowany został projekt nowego

komputera von Neumana – nazwanego EDVAC

(Electronic Discrete Variable Computer).

1. Wspólna pamięć do przechowywania zarówno

rozkazów jak i danych.

2. Pamięć jednowymiarowa, złożona z kolejno

ponumerowanych komórek o jednakowej wielkości.

3. Brak jawnego rozróżniania rozkazów i danych.

4. Brak jawnej specyfikacji typów danych.

5. Praca sekwencyjna - przed rozpoczęciem

wykonywania kolejnego rozkazu musi zostać
zakończone wykonywanie rozkazu chronologicznie
poprzedniego.

6. Każdy rozkaz określa jednoznacznie adres

następnego.

Architektura von Neumanna

A. Pięć zasad komputera

wg von Neumanna

Po pierwsze, ponieważ urządzenie to jest przede
wszystkim komputerem, najczęściej będzie
wykonywało elementarne operacje matematyczne -
dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie. Jest
więc rozsądne, że powinno posiadać
wyspecjalizowane "organy" do
wykonywania tych operacji.
Należy jednak zauważyć, że chociaż powyższa
zasada jako taka brzmi rozsądnie, to szczegółowy
sposób jej realizacji wymaga głębokiego
zastanowienia[...].
W każdym przypadku centralna, arytmetyczna część
urządzenia będzie prawdopodobnie musiała istnieć,
co oznacza występowanie pierwszej specyficznej
części komputera: CA.

B. Pięć zasad komputera

wg von Neumanna

Po drugie, logiczne sterowanie urządzeniem, to
znaczy odpowiednie szeregowanie jego operacji
może być najefektywniej realizowane przez
centralny organ sterujący. Jeżeli urządzenie ma być
elastyczne, to znaczy możliwie uniwersalne, należy
rozróżniać specyficzne rozkazy związane z
określonym problemem i ogólne "organy" sterujące,
dbające o wykonanie tych rozkazów - czymkolwiek
by one nie były.
Te pierwsze muszą być w jakiś sposób
przechowywane; te drugie - reprezentowane przez
określone działające części urządzenia. Przez
sterowanie centralne rozumiemy tylko tę ostatnią
funkcję, a "organy", które ją realizują, tworzą drugą
specyficzną część urządzenia: CC.

C. Pięć zasad komputera

wg von Neumanna

Po trzecie, jakiekolwiek urządzenie, które ma
wykonywać długie i skomplikowane sekwencje
działań (w szczególności obliczeń), musi mieć
odpowiednio dużą pamięć[...].
Rozkazów kierujących rozwiązywaniem
skomplikowanego problemu może być bardzo
dużo, zwłaszcza wtedy, gdy kod jest
przypadkowy (a tak jest w większości
przypadków).
Muszą one być pamiętane [...]

D. Pięć zasad komputera

wg von Neumanna

Trzy specyficzne części CA, CC (razem C) oraz M
odpowiadają neuronom skojarzeniowym w systemie
nerwowym człowieka.
Pozostają do przedyskutowania równoważniki
neuronów sensorycznych (doprowadzających) i
motorycznych (odprowadzających).
Są to "organy„ wejścia i wyjścia naszego urządzenia.
Urządzenie musi mieć możliwość utrzymania
kontaktu z wejściem i wyjściem za pomocą
specjalistycznego narzędzia.
Narzędzie to będzie nazwane zewnętrznym
narzędziem rejestrującym urządzenia: R [...]

E. Pięć zasad komputera

wg von Neumanna

Po czwarte urządzenie musi być wyposażone w
organy przenoszące [...] informację z R do swoich
specyficznych części C i M. "Organy" te stanowią
jego wejście, a więc czwartą, specyficzną część:
I. Zobaczymy, że najlepiej jest dokonywać
wszystkich przeniesień z R (poprzez I) do M, a
nigdy bezpośrednio do C [...]

F. Pięć zasad komputera

wg von Neumanna

Po piąte, urządzenie musi mieć "organy" służące
do przenoszenia [...] ze swoich specyficznych
części C i M do R.
Organy te tworzą jego wyjście, a więc piątą
specyficzną część: O. Zobaczymy, że znowu
najlepiej jest dokonywać wszystkich transferów z
M (poprzez O) do R, nigdy zaś bezpośrednio z C
[...]

Struktura komputera von

Neumanna

Pierwsza działająca

realizacja

• Pierwszym w pełni działającym komputerem wg

idei von Neumanna był zbudowany w Wielkiej

Brytanii komputer EDSAC zbudowany przez zespół

kierowany przez M. Wilkesa.

• Komputera EDSAC został uruchomiony w 1951

roku.

• Komputera EDSAC był pełną realizacją projektu

EDVAC.

Komputer IAS

• W roku 1946 von Neumann w Princeton Institute

for Advanced Studies rozpoczął projektowanie
komputera, który wykorzystywał program
przechowywany w pamięci.

• Komputer ten nazwano IAS od nazwy Institute for

Advanced Studies i był on prototypem wszystkich
współczesnych komputerów o ogólnym
przeznaczeniu.

• Komputer IAS został w pełni uruchomiony w 1952

roku.

Części składowe komputera

IAS

• Pamięć główna (

Memory

) - w pamięci

przechowywane są dane oraz rozkazy.

• Jednostka arytmetyczno-logiczna (

Arithmetical &

Logical Unit

) - wykonuje działania arytmetyczne i

logiczne na danych binarnych.

• Jednostka sterująca (

Control Unit

) - interpretuje i

wykonuje rozkazy pobierane z pamięci.

• Urządzenia wejścia/wyjścia (

Input / Output Unit

) -

ich pracą kieruje jednostka sterująca.

Charakterystyka komputera

IAS

• Pamięć komputera IAS składała się z 1000 miejsc

przechowywania, zwanych słowami, z których każde

zawierało 40 cyfr binarnych (bitów).

• W pamięci komputera IAS przechowywane były

zarówno liczby (dane), jak i rozkazy.

• Liczby były prezentowane w formie binarnej, podobnie

każdy rozkaz był zapisywany w formie binarnej.

• Każda liczba była reprezentowana przez bit znaku i

39-bitową wartość bezwzględną (mantysę).

• Słowo mogło zawierać dwa 20-bitowe rozkazy, przy

czym każdy rozkaz składał się 8-bitowego kodu

operacji (określającego operację), oraz 12-bitowego

adresu określającego jedno ze słów pamięci

(ponumerowanych od 0 do 999).

Formaty pamięci komputera

IAS

Rozkaz lewy

Rozkaz prawy

0 8 19 20 28 39

Kod Adres Kod Adres
operacji operacji

Bit znaku

0 1 39

(a) Słowo danych (liczba)

(b) Słowo rozkazów

Schemat blokowy komputera

IAS

Urządzenia

wejścia

- wyjścia

I/O

Pamięć
główna

M

Jednostka centralna -procesor

Jednostka arytmetyczno-
logiczna ALU

Jednostka sterująca CU

MBR

Układy ArytmLog

AC

MQ

IBR

IR

MAR

PC

Układy

sterujące

Sygnały
sterujące

Rozkazy

i dane

Rejestry komputera IAS

• MBR

– rejestr buforowy pamięci (Memory Buffer Register)

• MAR

– rejestr adresowy pamięci (Memory Address

Register)

• IR

– rejestr rozkazów (Instruction Register)

• IBR

– rejestr buforowy rozkazów (Instruction Buffer

Register)

• PC

– licznik programu (Program Counter)

• AC

– akumulator - rejestr wyników operacji

arytmetycznych oraz logicznych (Accumulator Counter)

• MQ

– rejestr mnożenia dzielenia (Multiplier-Quotier

Register)

Uwaga: np. wynikiem mnożenia dwóch liczb 40-

bitowych, jest liczba 80-bitowa. 40 bardziej znaczących

bitów jest w rejestrze AC, natomiast 40 mniej znaczących

bitów znajduje się w rejestrze MQ.

Rozkazy komputera IAS

• Komputer IAS miał łącznie 21 różnych rozkazów.
• Rozkazy komputera IAS podzielono na 5 grup:

– Przenoszenie danych

. Należą tu rozkazy przesyłania danych

pomiędzy pamięcią a rejestrami ALU lub pomiędzy dwoma

rejestrami ALU.

– Rozgałęzienia bezwarunkowe

. Zwykle jednostka sterująca

wykonuje szeregowo rozkazy pochodzące z kolejnych miejsc

pamięci. Sekwencja rozkazów może być zmieniona przez

rozkaz skoku. Umożliwia to wykonywanie sekwencji

powtarzalnych rozkazów.

– Rozgałęzienia warunkowe

. Skoki mogą być wykonywane

zależnie od spełnienia pewnego warunku, co oznacza

występowanie punktów decyzyjnych programu.

– Arytmetyka

. Operacje wykonywane przez ALU.

– Modyfikowanie adresu

. Należą tu rozkazy, które po obliczanie

adresów w ALU, umożliwiają wstawienie tych adresów do

rozkazów przechowywanych w pamięci.

Rozkazy przenoszenia

danych

Kod

operacji

Symbol

Opis

00001010

Load MQ

Przenieś zawartość MQ do AC

00001001

Load

MQ,M(X)

Przenieś słowo X pamięci do

MQ

00100001

Stor M(X)

Zapamiętaj AC w słowie X

pamięci

00000001 Load M(X)

Przenieś słowo X pamięci do

AC

00000010 Load – M(X)

Przenieś – (słowo X) pamięci

do AC

00000011 Load |M(X)|

Przenieś |słowo X| pamięci do

AC

00000100

Load - |

M(X)|

Przenieś - |słowo X| pamięci

do AC

Rozkazy rozgałęzień

bezwarunkowych

Kod

operacji

Symbol

Opis

0000110

1

Jump

M(X,0:19)

Pobierz następny rozkaz

z lewej połowy słowa

M(X) pamięci

0000111

0

Jump

M(X,20:39)

Pobierz następny rozkaz

z prawej połowy słowa

M(X) pamięci

Rozkazy rozgałęzień

warunkowych

Kod

operacji

Symbol

Opis

0000111

1

Jump

+M(X,0:19)

Jeśli zawartość AC > 0

pobierz następny rozkaz

z lewej połowy słowa

M(X) pamięci

0001000

0

Jump

+M(X,20:39)

Jeśli zawartość AC > 0

pobierz następny rozkaz

z prawej połowy słowa

M(X) pamięci

Rozkazy arytmetyki

Kod

operacji

Symbol

Opis

0000010

1

Add M(X)

Dodaj M(X) do AC, wynik

w AC

0000011

1

Add |M(X)|

Dodaj |M(X)| do AC,

wynik w AC

0000011

0

Sub M(X)

Odejmij M(X) od AC,

wynik w AC

0000100

0

Sub |M(X)|

Odejmij |M(X)| od AC,

wynik w AC

0000101

1

Mul M(X)

Pomnóż M(X) przez MQ,

wynik w AC pierwszych

40 bitów, pozostałe 40

bitów umieść w MQ

0000110

0

Div M(X)

Podziel zawartość AC

przez M(X), wynik w MQ,

reszta w AC

0001010

1

LSH

Pomnóż AC przez 2

0001001

0

RSH

Podziel AC przez 2

Rozkazy modyfikowania

adresu

Kod

operacji

Symbol

Opis

0001001

0

Store

M(X,8:19)

Zamień pole adresowe

lewego rozkazu słowa

M(X) pamięci na

zawartość części AC

0001001

1

Store

M(X,28:39)

Zamień pole adresowe

prawego rozkazu słowa

M(X) pamięci na

zawartość części AC

Architektura komputera

• Pojęcie architektury komputera odnosi się do

tych atrybutów systemu, które są widziane
przez programistę.

• Innymi słowy, atrybuty te mają bezpośredni

wpływ na logikę wykonywanego programu.

• Przykładami atrybutów architektury są:

– Lista rozkazów
– Liczba bitów wykorzystywanych do prezentacji

różnych typów danych (np. liczb czy znaków)

– Mechanizmy układów wejścia-wyjścia
– Metody adresowania pamięci.

Organizacja komputera

• Pojęcie organizacji komputera odnosi się do

jednostek operacyjnych i ich połączeń, które
stanowią realizację specyfikacji typu architektury.

• Przykładami atrybutów organizacji są:

– Rozwiązania sprzętowe niewidoczne dla programisty,

takie jak sygnały sterujące

– Interfejsy pomiędzy procesorem, a urządzeniami

wejścia-wyjścia

– Wykorzystywane technologie pamięci.

Generacje komputerów

Genera

cja

Lata

Technologia

Typowa

szybkość

(operacji /

sekundę)

1

1946-

1957

Lampy próżniowe

40.000

2

1958-

1964

tranzystory

200.000

3

1965-

1971

Małą i średnia skala

integracji

1.000.000

4

1972-

1977

Wielka skala integracji

10.000.000

5

1978-???

?

Bardzo wielka skala

integracji

100.000.000

Współczesne komputery

osobiste

Podział na części architektoniczną i

układową współczesnego komputera

Układy we-wy

Procesor

Kompilator

System

operacyjny

(Windows 2K)

Aplikacje (np. Netscape)

Układy cyfrowe

Obwody

scalone

Lista rozkazów

określająca architekturę

Ścieżki danych i sterowanie

Bramki i

elementy

pamięci

Pamięć

Hardware

Software

Assemble
r

Procesor

• Procesor jest centralną częścią systemu komputerowego.
• Procesor wykonuje następujące czynności:

– Pobiera rozkazy z pamięci.
– Interpretuje i wykonuje poszczególne rozkazy
– Pobiera dane - z pamięci lub modułu wejścia-wyjścia.
– Przetwarza dane – czyli wykonuje na danych pewne operacje

arytmetyczne lub logiczne.

– Zapisuje dane - w pamięci lub module wejścia-wyjścia.

• Cztery główne części składowe procesora:

– Jednostkę arytmetyczno-logiczną (ALU) - ta część procesora jest

odpowiedzialna za wykonanie obliczeń i przetwarzanie danych.

– Jednostkę sterującą (CU) - kieruje ona ruchem danych i rozkazów

do/z procesora i steruje pracą ALU.

– Rejestry i pamięć podręczna- część pamięci wewnętrznej

uprzywilejowanej wykorzystywanej przez procesor do adresowania,

odczytu danych, itp.

– Układ powiązań pomiędzy trzema wyżej wymienionymi częściami

procesora oraz pozostałymi modułami komputera. W komputerach

skalarnych ma postać tzw.magistrali systemowej.

Struktura wewnętrzna CPU

(procesora)

Magistrala zewnętrzna

procesora

Części składowe ALU

• Układy realizujące operacje arytmetyczne i

logiczne na danych.

• Układ przesuwania:

–

Arytmetycznego danych, w lewo albo prawo

–

Logicznego (cyklicznego) danych, w lewo albo
prawo.

• Układ zmiany znaku, tzw. układ dopełniania.
• Generator tzw. znaczników stanu (flag)

wyników operacji arytmetycznych, logicznych
i przesuwań.

Magistrala systemowa

• System komputerowy zawiera pewną liczbę

magistrali.

• Najważniejsza z nich to

magistrala systemowa

(niektóre systemy wykorzystują kilka magistrali
systemowych) łącząca najważniejsze podzespoły
komputera tj. procesor, pamięć, układy wejścia-
wyjścia.

• Magistrala systemowa składa się z wielu oddzielnych

linii o określonym znaczeniu lub funkcji. Linie
zawarte w magistrali można podzielić na trzy grupy:

– linie sterowania
– linie adresów

– linie danych

.

Własności pamięci

komputera

•

Dla zrozumienia istoty pamięci oraz sposobu ich

wykorzystywania przez system komputerowy należy je

uszeregować ze względu na dalej wymienione własności.

•

Położenie pamięci:

– pamięć wewnętrzna - składają się na nią: pamięć główna, pamięć

procesora (rejestry, pamięć podręczna)

– pamięć masowa - urządzenia dostępne przez sterownik wejścia/wyjścia

(np. dyski twarde).

•

Pojemność pamięci: zwykle wyrażana w bajtach (1 bajt=8 bitów).

•

Jednostka transferu ilość danych transmitowanych w jednostce

czasu, np. bajt/s.

•

Sposób dostępu:

– sekwencyjny - pamięć masowa zorganizowana jest za pomocą jednostek

danych zwanych rekordami, a dostęp (zapis i odczyt) do wymaganej

komórki pamięci wg kolejności rekordów;

– bezpośredni – pamięć masowa z dostępem do poszczególnych rekordów;

– swobodny – typowy dla pamięci głównych zwanych również operacyjnymi;

– dostęp skojarzeniowy – typowy dla pamięci podręcznych.

•

Wydajność określają: czas dostępu, czas cyklu pamięci i

szybkość transferu.

•

Własności fizyczne: ulotna / nie ulotna i wymazywalna / nie

wymazywalna.

Pamięć główna

• Pamięć o dostępie swobodnym

RAM

(Random Access Memory)

pozwala w stosunkowo łatwy sposób na
odczytywanie/zapisywanie danych z/do pamięci.

• Zapis oraz odczyt odbywają się za pomocą sygnałów

elektrycznych.

• Ważną cechą pamięci RAM jest jej ulotność, pamięć RAM

potrzebuje źródła zasilania, a w przypadku jego braku dane
ulegają skasowaniu.

• Pamięć RAM można podzielić na statyczną i dynamiczną.
• Uzupełnieniem pamięci RAM, jest pamięć

ROM

(Read Only

Memory) jak sama nazwa wskazuje jest pamięcią tylko do
odczytu, informacja zapisana jest na trwałe, a nowe dane nie
mogą być zapisywane.

• Zaletą pamięci ROM jest to, że program znajduje się cały czas w

pamięci głównej i nigdy nie wymaga ładowania z innych
urządzeń

.

Pamięci masowe

• Wyróżniamy dwie podstawowe klasy pamięci masowych,

ze względu na sposób dostępu:

– sekwencyjny - pamięć masowa zorganizowana jest za pomocą

jednostek danych zwanych rekordami, a dostęp (zapis i odczyt)

do wymaganej komórki pamięci wg kolejności rekordów;

– bezpośredni – pamięć masowa z dostępem do poszczególnych

rekordów;

• Do klasy pamięci masowych o dostępie sekwencyjnym

zaliczamy:

– Pamięci na wielościeżkowej taśmie magnetycznej, działających

na podobnych zasadach jak magnetofon;

– Pamięci z wirującą głowicą magnetyczną, działające na podobnej

zasadach jak magnetowid.

• Do klasy pamięci masowych o dostępie bezpośrednim

zaliczamy:

– Pamięci dyskowe;
– Pamięci optyczne, np. klasy urządzeń CD-ROM.

Pamięć dyskowa

• Dysk magnetyczny ma kształt okrągłej płyty i pokryty jest materiałem

magnetycznym. Dane są na nim zapisywane i odczytywane za pomocą
głowicy, którą stanowi cewka elektryczna. W czasie operacji
odczytu/zapisu wiruje dysk, zaś głowica pozostaje nieruchoma.

• Organizacja danych na płycie magnetycznej ma postać koncentrycznego

zespołu pierścieni, nazywanych ścieżkami, z których każda ma taką samą
szerokość jak głowica. Sąsiednie ścieżki są od siebie oddzielone, dzięki
czemu błędy wynikające z niewłaściwego ustawienia głowicy lub
interferencji pola magnetycznego zostają zminimalizowane. Aby uprościć
układy elektroniczne współpracujące z głowicą, na każdej ścieżce
przechowywana jest taka sama liczba bitów, a wielkość tę nazywa się
gęstością i wyraża w bitach na cal.

• Na rozkaz zapisu, do głowicy wysyłane są impulsy, które powodują

zapisanie określonych wzorów magnetycznych na powierzchni płyty,
znajdującej się nad głowicą (zależnie od polaryzacji głowicy wzory te są
różne).

• Odczyt polega na wykorzystaniu zjawiska przepływu prądu elektrycznego

pod wpływem pola magnetycznego wirującego, względem głowicy dysku.

Organizacja dysku

magnetycznego

Dysk twardy firmy Quantum

Pamięć optyczna

• Dyski CD i CD-ROM są dziś najpowszechniej

wykorzystywanym nośnikiem informacji.

• Płyty CD I CD-ROM są wykonane w ten sam sposób: dysk

składa się z czterech warstw: warstwy nośnej z

poliwęglanu (plastik), warstwy barwnika (topi się podczas

zapisu), warstwy dobrze odbijającej światło (np.

aluminium) i lakierowej warstwy ochronnej.

• Płyta CD posiada spiralny rowek prowadzący (groove),

który naprowadza laser, wskazuje mu drogę.

• Informacja zarejestrowana cyfrowo nanoszona jest, w

postaci małych zagłębień (pit), na powierzchnię

odbijającą. Po raz pierwszy wykonuje się to za pomocą

dobrze zogniskowanego światła lasera o dużej mocy

(podczas zapisu barwnik wytapia się, odsłaniając

odbijającą światło powierzchnię) - tak powstaje dysk

wzorcowy, który służy jako matryca do tłoczenia kopii.

• Powierzchnia z naniesioną informacją jest zabezpieczona

bezbarwnym lakierem.

Zasada działania napędu CD-ROM

Urządzenia wejścia-wyjścia

• Urządzeniem wejścia-wyjścia, dotychczas nie omawianym,

jest sterownik interfejsu sieciowego - umożliwiający

łącznie z odpowiednim modemem, zapewnienie wymiany

informacji z siecią komputerową, w szczególności z siecią

Internet.

• Do urządzeń wejścia-wyjścia obok pamięci masowych

zaliczamy szereg urządzeń umożliwiających kontakt

użytkownika z komputerem.

• Najczęściej spotykane urządzenia wejścia, czyli urządzenia

umożliwiające wprowadzanie danych do komputera to:

klawiatura, mysz i skaner.

• Najczęściej spotykane urządzenia wyjścia, czyli urządzenia

umożliwiające wyprowadzanie informacji z komputera to:

monitor ekranowy lub ciekłokrystaliczny z adapterem (np.

kartą SVGA), drukarka atramentowa i drukarka laserowa.

Schemat obsługi klawiatury

Mysz firmy Microsoft

Skaner płaski

Karty SVGA (Super VGA)

Monitor ekranowy

Drukarka atramentowa firmy

HP

Zasada działania drukarki

laserowej

Przerwania

•

Przerwania są ważnym elementem funkcjonowania systemu

komputerowego. Nazwa odnosi się do tego, że przerwania

mają w zwyczaju przerywać normalną pracę programów.

•

Np. jeśli urządzenie zewnętrzne jest gotowe do obsługi

(czyli np. przyjmowania danych od procesora). Wtedy

moduł we-wy tego urządzenia wysyła sygnał żądania

przerwania do procesora.

•

W odpowiedzi procesor zawiesza działanie bieżącego

programu i wykonuje skok do programu obsługującego to

urządzenie, czyli programu obsługi przerwania (interrupt

handler).

•

Po obsłużeniu urządzenia następuje powrót do programu,

który został przerwany.

•

Zawieszenie programu użytkownika, a następnie powrót do

miejsca, gdzie nastąpiło przerwanie jego działania, realizuje

procesor i system operacyjny.

Cykl rozkazu z przerwaniami

Przekazywanie sterowania po

przerwania

Płyta główna współczesnego

PC

Pamięć

Języki programowania

Sekwencje czynności

procesora

w czasie wykonywania

instrukcji

Przykład

Krok 1

Krok 2

Krok 3

Krok 4

Krok 5

Krok 6

Podsumowanie

• Powyższy fragment programu dodaje

zawartość słowa pamięci o adresie
940H do zawartości słowa zapisanego
pod adresem 941H oraz zapisuje wynik
pod adres 941H.

• Wykonywane są 3 rozkazy, które

zostały opisane jako 3 cykle rozkazowe.

• W każdym cyklu pokazano fazę

pobrania oraz wykonania rozkazu.

Parametry komputerów

- Moc obliczeniowa, np. mierzona w

MIPS (Million Operations Per Second)
MFLOPS (Million Floppy Operations Per

Second)

-Szybkość transmisji danych do/z różnych

urządzeń
- Niezawodność, np. mierzona w

MTBF (Mean Time Between Faults)

- Koszt, np. mierzony w

* TCO (Total Cost of Ownership)

- ....

Szybkość mikroprocesorów

W przypadku mikroprocesorów dodawanie
nowych układów oraz zwiększanie szybkości
wynikające ze zmniejszenia odległości między
nimi poprawiało wydajność 4-krotnie w ciągu
każdych 3 lat (prawo Moore’a).

Aby wykorzystać potencjalne możliwości
mikroprocesora, należy zapewnić jego
„zasilanie” ciągłym strumieniem zadań
(rozkazów). Dlatego projektanci procesorów
wykorzystują coraz bardziej wymyślne
rozwiązania jak:

- przewidywanie rozgałęzienia (ang. branch
prediction),

- analiza przepływu danych,

- spekulatywne wykonywanie rozkazów.

Równowaga wydajności

Podczas gdy moc procesorów rosła z zawrotną
szybkością, rozwój innych krytycznych
zespołów komputera był zbyt wolny. Powstała
potrzeba znalezienia

tzw. - równowagi wydajności :

dostosowanie organizacji i architektury w celu
skompensowania niezgodności między
możliwościami różnych zespołów komputera.

Problem krytyczny:

interfejs między procesorem a pamięcią
główną.

Sposoby uzyskiwania

równowagi

• Zwiększanie liczby bitów, które są

jednocześnie wprowadzane (projektowanie

„szerokich” układów DRAM),

• Stosowanie bardziej efektywnych

interfejsów pamięci DRAM przez

umieszczanie układów buforowanych w

strukturach DRAM,

• Redukowanie częstości odwołań do pamięci

głównej przez wprowadzanie efektywnych

struktur pamięci podręcznych (cache)

pomiędzy procesorem a pamięcią główną.