ARCHITEKTURA

KOMPUTERÓW

WPROWADZENIE

WARUNKI ZALICZENIA



1 lub 2 kolokwia w sumie za 50
punktów



Zaliczenie zajęć laboratoryjnych



Egzamin pisemny i ustny

LITERATURA



Piotr Metzger “Anatomia PC”, Helion 2002



J.L.Hennessy, D.A. Patterson “Computer

Organization & Design The

Hardware/Software Interface”, Morgan

Kaufmann Publishers Inc.1994



J.L.Hennessy, D.A. Patterson “Computer

architecture A Quantitative Approach”,

Morgan Kaufmann Publishers Inc.1996



G.Kane “MIPS RISC Architecture”,

Prentice-Hall 1988



cdrinfo.pl



www.techfest.com

DEFINICJA

ARCHITEKTURY

KOMPUTERA



„Architektura komputera zdefiniowana

jest poprzez atrybuty komputera widoczne

dla programisty piszącego program w

języku maszynowym. Ta definicja obejmuje

listę instrukcji, format instrukcji, kody

operacji, tryby adresowania, oraz

wszystkie rejestry i lokacje pamięci, które

mogą być bezpośrednio modyfikowane

przez program napisany w języku

maszynowym.”

DEFINICJA

ARCHITEKTURY

KOMPUTERA



„Implementacja jest zdefiniowana
poprzez rzeczywistą strukturę sprzętu,
organizację układów logicznych i
organizację dróg przepływu danych”

G.M. Amdhal, G.A. Blaaw, F.P. Brooks

„Architecture of the IBM System/360”,
IBM Journal of Research and
Development, vol.8 no.2 1964, pp.87-
101

ARCHITEKTURA I

ORGANIZACJA



Architektura komputera opisuje te

atrybuty systemu, które widziane są

dla programisty



lista rozkazów, liczba bitów wykorzystywanych

do prezentacji różnych typów danych,

mechanizmy we/wy, metody adresowania

pamięci.



Organizacja komputera odnosi się do

jednostek operacyjnych i ich połączeń



rozwiązania sprzętowe niewidzialne dla

programisty, takie jak sygnały sterujące,

interfejsy między komputerem a urządzeniami

peryferyjnymi oraz wykorzystywana technologia

pamięci.

ARCHITEKTURA I

ORGANIZACJA

Architektura może przeżyć wiele lat,

organizacja zmienia się wraz z technologią



Rodzina Intel x86 ma tą samą architekturę



System/370 IBM ma tą samą architekturę



Zmiany technologii nie tylko wpływają na

organizację, ale także umożliwiają

budowanie komputerów o potężniejszej i

bogatszej architekturze

ARCHITEKTURA

Na architekturę wpływ mają:



uwarunkowania historyczne



technologia



języki programowania



systemy operacyjne



aplikacje

ARCHITEKTURA

Cechy przejrzystej architektury:



spójność – możliwość rekonstrukcji na

podstawie nie pełnej specyfikacji. W szczególności
rozkazy powinny mieć taką samą strukturę kodu,
używać takich samych typów i formatów danych.
Jednakowe dla wszystkich rozkazów powinny być
reguły zaokrąglania wyniku, reakcji na błędny
argument, reguły obsługi wyjątków



ortogonalność – niezależna (rozłączna)
specyfikacja funkcji zaliczanych do odrębnych
klas

ARCHITEKTURA

Cechy przejrzystej architektury:



trafność – specyfikacja i implementacja tylko tych

funkcji które są logicznie spójne z definicją

architektury. Przejawami trafności są:



Ekonomiczność – wyeliminowanie funkcji logicznie

niespójnych



Przeźroczystość – oddzielenie architektury od organizacji



ogólność – pełny zakres działania

specyfikowanych funkcji, wyznaczonych tylko ich

dziedziną i nie ograniczony aspektami

organizacyjnymi. Cechami ogólności są:



Kompletność – funkcjonalna pełność w obrębie klas

funkcji, której ubocznym skutkiem jest nieoszczędne

wykorzystanie przestrzeni kodowej



Otwartość – możliwość rozwoju w ramach architektury

STRUKTURA I

DZIAŁANIE



Struktura to sposób wzajemnego
powiązania składników



Funkcje określają działanie
poszczególnych składników jako
części struktury

DZIAŁANIE

Podstawowe funkcje, które realizuje

komputer:



przetwarzanie danych



przechowywanie danych



przenoszenie danych



sterowanie

PRZEGLĄD FUNKCJI

Obraz funkcjonalny komputera

URZADZENIE

STERUJ ACE

URZADZENIE DO

PRZEMIESZCZANIA

DANYCH

URZADZENIE DO

PRZECHOWYWANIA

DANYCH

URZADZENIE DO

PRZETWARZANIA

DANYCH

OPERACJE KTÓRE MOŻE

REALIZOWAĆ

KOMPUTER

Przenoszenie danych



od jednego urządzenia peryferyjnego
( linii transmisyjnej ) do drugiego

URZADZENIE

STERUJ ACE

URZADZENIE DO

PRZEMIESZCZANIA

DANYCH

URZADZENIE DO

PRZECHOWYWANIA

DANYCH

URZADZENIE DO

PRZETWARZANIA

DANYCH

OPERACJE KTÓRE MOŻE

REALIZOWAĆ

KOMPUTER

Przechowywanie danych



dane przenoszone z urządzenia do
komputera i odwrotnie (np. Internet)

URZADZENIE

STERUJ ACE

URZADZENIE DO

PRZEMIESZCZANIA

DANYCH

URZADZENIE DO

PRZECHOWYWANIA

DANYCH

URZADZENIE DO

PRZETWARZANIA

DANYCH

OPERACJE KTÓRE MOŻE

REALIZOWAĆ

KOMPUTER

Przetwarzanie zarchiwizowanych

danych



Obróbka danych z pomiarów

URZADZENIE

STERUJ ACE

URZADZENIE DO

PRZEMIESZCZANIA

DANYCH

URZADZENIE DO

PRZECHOWYWANIA

DANYCH

URZADZENIE DO

PRZETWARZANIA

DANYCH

OPERACJE KTÓRE MOŻE

REALIZOWAĆ

KOMPUTER

Przetwarzanie danych



będących w drodze między miejscem
przechowywania a otoczeniem (np.

drukowanie rachunków bankowych)

URZADZENIE

STERUJ ACE

URZADZENIE DO

PRZEMIESZCZANIA

DANYCH

URZADZENIE DO

PRZECHOWYWANIA

DANYCH

URZADZENIE DO

PRZETWARZANIA

DANYCH

STRUKTURA

KOMPUTERA

KOMPUTER

OTOCZENIE

LINIE KOMUNIKACYJ NE

OTOCZENIE

URZADZENIA PERYFERYJ NE

J EDNOSTKA

CENTRALNA

PAMIEC

RAM

WEJ SCIE
WYJ SCIE

POLACZENIA
SYSTEMOWE

JEDNOSTKA CENTRALNA -

CPU

REJ ESTRY

ALU

J EDNOSTKA

ARYTMETYCZNO

LOGICZNA

J EDNOSTKA

STERUJ ACA

POLACZENIA

WEWNETRZNE

MAGISTRAL

WEWNETRZNA

I/O

PAMIEC

CPU

KOMPUTER

CPU

JEDNOSTKA STERUJĄCA -

UKLADY

LOGICZNE

PAMIEC

STERUJ ACA

REJ ESTRY I DEKODERY

J EDNOSTKI STERUJ ACEJ

MAGISTRAL

WEWNETRZNA

ALU

REJ ESTRY

CPU

TROCHĘ HISTORII



ABACUS



5000 lat temu Azja Środkowa



system liczenia dwójkowo – piątkowy



CODEX MADRID



Leonardo da Vinci



Dr.Roberto Guatelli – replika 1968r.



PASCALINE



Blaise Pascal 1642



sumowała liczby 8-mio cyfrowe

TROCHĘ HISTORII



Gotfried Wilhelm von Leibnitz 1649r.



udoskonala maszynę Pascala i wzbogaca ją o

operację mnożenia



Xavier Thomas de Colmar 1820r.



konstruuje arytmometr umożliwiający

wykonywanie czterech podstawowych

działań matematycznych

PASCAL, LEIBNITZ, COLMAR to

twórcy mechanicznych urządzeń

liczących

TROCHĘ HISTORII



Charles Babbage (1791-1871)



matematyk



W 1822 zaproponował skonstruowanie

maszyny „Difference Engine”, która

umożliwiłaby rozwiązywanie równań

różniczkowych



maszyna napędzana parą, miała pamiętać

program obliczeń i automatycznie

drukować wyniki



Następnym pomysłem jego był uniwersalny

komputer zdolny do rozwiązywania

różnorodnych zagadnień matematycznych

TROCHĘ HISTORII



Augusta Ada King- Lovelace
(1815-1842)



córka Byron’a



współpracowniczką Babbage’a



stworzyła instrukcję (pierwowzór
programu) dla konstruowanej maszyny



Powstały w Departamencie obrony
USA język ADA nazwę swą wywodzi od
jej imienia

TROCHĘ HISTORII



Komputer parowy posiadał
„urządzenie wejściowe” mogące
odczytywać karty perforowane z
instrukcjami dla maszyny
(wymyślone przez Jacquad’a),
„pamięć” zdolną pamiętać 1000 liczb
50-cyfrowych, zawierał także
urządzenie pozwalające na zmianę
kolejności obliczeń i urządzenie
wyjściowe – drukujące wyniki.

TROCHĘ HISTORII



George Boole (1815 - 1864)



zajmował się pracami teoretycznymi

w dziedzinie logiki. W latach 1847 i

1854 opublikował prace pozwalające

na prezentację wyrażeń logicznych za

pomocą wyrażeń algebraicznych

znanych dzisiaj jako „Algebra Boole’a”



August DeMorgan



określił operacje logiczne nazywane

dzisiaj prawami DeMorgana.

TROCHĘ HISTORII



W 1889 amerykański wynalazca, Herman

Hollerith (1860-1929)



wykorzystał pomysł maszyny Jacquard’a do

obliczeń matematycznych



Swój pomysł wykorzystał do obliczenia

wyników spisu ludności, poprzedni spis trwał 7

lat dzięki jego pomysłowi obliczenia

przeprowadzono w ciągu 6 tygodni



Utworzył firmę, która w połączeniu z kilkoma

innymi w 1924 roku stała się jedną z

najważniejszych dla rozwoju techniki

komputerowej IBM (International Business

Machines).

TROCHĘ HISTORII



1906 Lee de Forest



konstruuje lampę elektronową triodę.
Mogła ona pełnić zarówno funkcje
wzmacniacza jak i przełącznika.



Koniec lat 30-tych Claude
E.Shannon



dochodzi do wniosku, że algebra Boole’a
jest idealnym systemem dla maszyn
liczących.

TROCHĘ HISTORII



1931Vannevar Bush



skonstruował kalkulator rozwiązujący
skomplikowane równania różniczkowe.



1937 Atanasoff



zbudował maszynę, która miała służyć
jego studentom i asystentom do
rozwiązywania układów równań
różniczkowych cząstkowych. Potrafiła
rozwiązać układ 29 równań z 29
niewiadomymi

TROCHĘ HISTORII



Konrad Zuse (1910-1995) Henschel Aircraft

Company Berlin



na początku II Wojny Światowej zbudował kilka

automatycznych kalkulatorów. Zwrócił uwagę na fakt, że

jednym z najtrudniejszych problemów w trakcie

wykonywania skomplikowanych obliczeń na kalkulatorach

mechanicznych jest przechowywanie danych pośrednich.



Postulował by automatyczny kalkulator posiadał trzy

podstawowe zespoły:



układy sterujące



Pamięć



kalkulator do obliczeń arytmetycznych



w 1941 komputer Z3 zbudowany przez Zuse z

przekażników wykorzystywał system binarny, mógł

wykonywać operacje zmiennoprzecinkowe, do

przechowywania danych i zapisu programu

wykorzystywał stare filmy

TROCHĘ HISTORII



w 1946 Zuse opracował pierwszy

algorytmiczny język „Plankalul” i użył go do

napisania programu gry w szachy. Język

pozwalał na użycie tablic i rekordów oraz

przyporządkowanie zmiennym wartości

podanego wyrażenia algebraicznego.



1944 Howard H.Aiken skonstruował

pierwszy elektroniczny kalkulator. 15m x

2.5m ważyła 5 ton zawierała ok.800km

przewodów łączących elementy. Program

wprowadzano na taśmie perforowanej.



Pod koniec II Wojny Światowej powstał

komputer ENIAC 18000 lamp, 70000

rezystorów i pobierała 180kW energii, ważył

około 30ton. Jednego roku wymieniono w nim

około 19000 lamp

TROCHĘ HISTORII



Połowa lat 40-tych John von Neumann stawia
postulaty dotyczące architektury komputera:



komputer powinien posiadać pamięć w której
przechowywane będą zarówno dane jak i instrukcje
z możliwością zapisu i odczytu w dowolnej
kolejności



powinien być wyposażony w jednostkę obliczeniową
pozwalającą na operacje arytmetyczne i logiczne



powinien zawierać takie układy sterujące jego
pracą, które pozwalałyby na interpretację rozkazów
pobieranych z pamięci oraz wybór alternatywnych
działań w zależności od wyniku poprzednich
operacji.

TROCHĘ HISTORII



1958 Texas Instruments demonstruje pierwszy

układ scalony



1964 John Kemeny i Thomas Kurtz dostarczają

język programowania BASIC



1969



Intel informuje o wprowadzeniu do produkcji kości

pamięci 1KB RAM



Powstaje Advanced Micro Devices



1970 Dennis M. Ritchie, Ken Thompson, Brian

Kernighan wprowadzają język C umożliwiający

abstakcyjne programowanie plików, otwierając mu

drogę do tworzenia różnych aplikacji pod różne

systemy operacyjne

TROCHĘ HISTORII



1971



Intel wprowadza pierwszy mikroprocesor
4004 (cena $200) prędkość 60000 operacji
na sekundę



Niklaus Wirth opracowuje język PASKAL



1972 Intel 8008, 300000 operacji na
sekundę, można dołączyć 16kB RAM



1973 Scelbi-8H computer kit
(8008,1KB RAM, $565)

TROCHĘ HISTORII



1974



Intel8080 75instrukcji, 3 MIPS, 64KB
MEMORY,



Motorola 6800



Gary Kildall tworzy CP/M



1975



Bill Gates i Paul Allen tworzą TrafO-Data



MC6501 $20, MC6502 $25 Intel 8080 $150



IBM 5100 (BASIC,16KB RAM, pamięć
taśmowa) $9000

TROCHĘ HISTORII



1976 „Frugal Floppy” 8-calowy
$1200



1977 oficjalnie powstaje Microsoft



1980



Z80, Timex1000



Winchester dysk twardy



PCDOS,MSDOS



Intel tworzy iAPX432 32bitowy
procesor, krokiem pomiedzy 8086 a
432 ma być 80286

TROCHĘ HISTORII



1981



Hayes sprzedaje 300bitowy modem



IBM PC (4.77MHz, 8088, 64KB RAM, 40KB ROM,

floppy 5’25,MSDOS 1.0, $3000)



IBM CGA 640x200 16 kolorów,



1982 Compaq wprowadza Portable PC (4.77MHz,

8088,12KB RAM, 9 cali monochromatyczny

monitor, 320KB 5’25 dysk, $3000)



1984



Apple 300bodów modem $300, 1200 bodów $500



640x350 EGA $850, karta 16kolorów z 64KB RAM $524



MSDOS 3.0



Hewlet-Packard laserjet laser printer 300dpi $3600



Intel 80186,80286

TROCHĘ HISTORII



1985



obroty Compaq’a sięgają 329milionów $



Windows 1.0



1986



IBM PC (80c86,256KB RAM, 2 floppy 720KB, $2000)



wprowadzane 80286,zegar 8MHz



wprowadzane 80386, 16MHz



1987



Apple open architecture Macintosh II $3900 (1MB

RAM,800K floppy, 40MB dysk $5500)



pierwszy system plug and play dla kart

rozszerzających



Windows 2.0

TROCHĘ HISTORII



1991



Microsoft mysz, tracball



CD-ROM $400



OS2->Windows NT



Dostęp dla bisnesu do internetu



MIPS Computer Systems R4000 64bitowy
RISC



1993



Pentium 60MHz



Apple 80MHz PowerPC 601



25 milionów zarejestrowanych użytkowników
WINDOWS

TROCHĘ HISTORII



1994



poczwórny CD-ROM $1000



AMD486DX2-80



WINDOWS NT 3.5



1995 pentium 133

GENERACJE

KOMPUTERÓW



GENERACJA 0



konstrukcje eksperymentalne oparte o elementy

elektromechaniczne



Alan TURING wykazał, że każdy algorytm można

wykonać automatycznie jako skończony ciąg

podstawowych operacji – maszyna Turinga –1937



GENERACJA 1

GENERACJA 1 1951-1960



Powszechnie stosowane lampy elektronowe



Pierwszy komercyjny komputer z firmy REMINGTON

RAND – UNIVAC(Universal Automatic

Computer), oraz pierwszy elektroniczny z firmy IBM



Powstaje tranzystor bipolarny W.B.Shockley 1951



Każdy komputer posługiwał się specyficznym

językiem maszynowym (rozkazy kodowane były

binarnie).

GENERACJE

KOMPUTERÓW



GENERACJA 2

GENERACJA 2 1954-1964



Układy przełączające używane w komputerach w tym

okresie bazowały na elementach dyskretnych (diody i

tranzystory), które pozwalały na uzyskanie czasów

przełączania ok. 0,3 mikrosekundy



Prototyp pierwszego komputera PDP-1 1960 z klawiaturą i

monitorem ekranowym



TRADIX zbudowany w Bell Laboratories w roku 1954 i TX-0

MIT's pochodzący z Lincoln Laboratory posiadały pamięci

oparte o rdzenie ferrytowe.



Nowością w dziedzinie architektury komputerów było

zastosowanie rejestrów indeksowych do kontroli realizacji

pętli i uproszczenia operacji zmiennoprzecinkowych na

liczbach rzeczywistych.



W tym okresie weszły do powszechnego użytku bardziej

wyrafinowane języki programowania wysokiego poziomu

takie jak COBOL (Common Business-Oriented Language)

oraz FORTRAN (Formula Translator)

GENERACJE

KOMPUTERÓW



GENERACJA 3

GENERACJA 3 1964-1975



Dominacja technologii TTL



rozwój systemów operacyjnych ( w tym wielozadaniowych).



GENERACJA 4

GENERACJA 4 1975-czasy współczesne



rozwój układów (LSI – Large Scale Integration)



GENERACJA 5

GENERACJA 5 czasy współczesne i
przyszłość



sztuczna inteligencja



możliwość konwersacji z operatorem



wejście wizyjne (a więc również możliwość
rozpoznawania operatora)



możliwość uczenia się na podstawie własnych
doświadczeń

PRAWO GORDONA

MOORA



Zgodnie z empirycznie sformułowanym
prawem MOORA gęstość upakowania
układów scalonych i ich szybkość
działania podwaja się co 18 miesięcy

POSTĘP TECHNOLOGII



Ewolucja pamięci DRAM i procesorów

POSTĘP TECHNOLOGII



Tendencje rozwoju pamięci DRAM

POSTĘP TECHNOLOGII



Zmniejszenie fizycznego rozmiaru elementu
logicznego pozwala na stosowanie niższego napięcia
zasilania oraz powoduje wprowadzenie mniejszego
czasu opóźnienia dla sygnału elektrycznego (można
stosować wyższe częstotliwości taktowania układów)



Niższe napięcie zasilania zmniejsza ilość
emitowanego przez układ ciepła, które jest wprost
proporcjonalne do kwadratu napięcia zasilającego i
częstotliwości pracy. Intel dual voltage (mniejsze
napięcie zasilania jądra procesora niż układów
we/wy).



Dąży się do zmniejszania średnicy ścieżek
przewodzących – obecnie 0.13mikrona

WZROST WYDAJNOŚCI



Zwiększanie prędkości procesora



Zwiększanie pojemności pamięci



Podążanie szybkości dostępu do pamięci

za prędkością procesora



Pamięć cache na płycie



Pamięć cache L1 i L2



Przewidywanie skoków



Analiza struktury danych



Potokowość



Prognozowanie

WZROST WYDAJNOŚCI



Zwiększenie ilości bitów dostępnych w
jednym cyklu



Zmiana interfejsu dostępu do pamięci



Cache



Redukcja częstotliwości dostępu do
pamięci



Zwiększenie szybkości magistral



Magistrale hierarchiczne

DZIAŁANIE KOMPUTERA



Podstawowa funkcja komputera –
wykonywanie programów



Na najwyższym poziomie możemy
opisać system komputerowy poprzez:



Opisanie zewnętrznego zachowania
każdego modułu (danych i sygnałów
kontrolnych, które wymienia on z innymi
modułami)



Podanie struktury połączeń i sterowania
wymaganego do zarządzania tą strukturą

KOMPUTER -

STRUKTURA



MAR - rejestr adresowy pamięci

- określa adres w pamięci

następnego zapisu lub odczytu



MBR - rejestr buforowy pamięci

- zawiera dane, które mają być

zapisane w pamięci lub dane

odczytane z pamięci



I/OAR - rejestr adresowy we/wy -

określa konkretne urządzenie

we/wy



I/OBR - rejestr buforowy we/wy -

wykorzystywany do wymiany

danych między modułem we/wy a

jednostką centralną



PC - licznik rozkazu - rejestr

zawierający informacje który

rozkaz ma być pobrany



IR - rejestr rozkazu - do

przechowywania pobranego

rozkazu



ACC – akumulator – rejestr w

którym wykonywane są wszystkie

operacje arytmetyczno logiczne

KOMPUTER – CYKL

ROZKAZOWY



Wykonywanie programu:



Program składa się z zestawu rozkazów

przechowywanych w pamięci



Jednostka centralna realizuje program poprzez

wykonywanie rozkazów w nim zawartych



Przetwarzanie rozkazów realizowane jest

przez procesor w dwóch krokach:



Pobranie rozkazu z pamięci



Wykonanie rozkazu

KOMPUTER – FAZY

PRZETWARZANIA ROZKAZU



F – pobranie kodu rozkazu z pamięci
(fetch)



D – dekodowanie (decode)



E – wykonanie (execute), w
szczególności transfer rejestr – pamięć
(load/store)



W – zapamiętanie wyniku (write)

KOMPUTER – CYKL

ROZKAZOWY - POBIERANIE



Licznik programu (PC – Program Counter)
przechowuje adres następnej instrukcji do
wykonania



Procesor pobiera instrukcję z pamięci spod adresu
wskazywanego przez PC



Zwiększany jest licznik PC (incrementacja PC)



Instrukcja ładowana jest do rejestru rozkazowego
(IR – Instruction Register)



Procesor interpretuje rozkaz i przeprowadza
wymagane działanie (przechodzi do cyklu
wykonywania)

KOMPUTER – CYKL

ROZKAZOWY -

WYKONYWANIE



Cztery kategorie działań:



Przesłanie procesor  pamięć



Przesłanie procesor  wejście/wyjście



Przetwarzanie danych (operacje
arytmetyczne lub logiczne na danych)



Sterowanie – zmiana sekwencji operacji np.
rozkaz skoku



Kombinacja wyżej wymienionych działań

KOMPUTER – PRZYKŁAD

WYKONANIA PROGRAMU

KOMPUTER – GRAF CYKLU

ROZKAZOWEGO

KOMPUTER –

ROZWIĄZANIA

ZWIĘKSZAJĄCE PRĘDKOŚĆ

DZIAŁANIA PROCESORA



PIPELINING

PIPELINING – odseparowanie układów
wykonujących kolejne etapy realizacji
rozkazu umożliwia ich współbieżne
wykonywanie. Podział każdego etapu na
podetapy umożliwia skrócenie cyklu a co za
tym idzie dalszy wzrost wydajności.
Ograniczeniem jest głębokość potoku gdyż
wraz z głębokością rośnie ilość buforów
separujących i czas potrzebny do ich obsługi
rzutuje na przepustowość potoku.

KOMPUTER –

ROZWIĄZANIA

ZWIĘKSZAJĄCE PRĘDKOŚĆ

DZIAŁANIA PROCESORA



PRZETWARZANIE SUPERSCALARNE

PRZETWARZANIE SUPERSCALARNE –
powielenie jednostki wykonawczej i
współbieżne wykonywanie rozkazów w
równoległych potokach. Możliwe jest wtedy
gdy między rozkazami nie zachodzi konflikt
danych. Stosuje się także specjalizowane
współbieżne jednostki realizujące określone
klasy rozkazów (jednostka stałoprzecinkowa,
jednostka zmiennoprzecinkowa, układ
wykonania/przewidywania skoku)

KOMPUTER –

ROZWIĄZANIA

ZWIĘKSZAJĄCE PRĘDKOŚĆ

DZIAŁANIA PROCESORA



Wydajność potoku może zostać zmniejszona na skutek:

–

Konfliktu sterowania – zaburzenie sekwencji na skutek skoku

–

Konfliktu zasobu – jednoczesne żądanie dostępu do pamięci lub
innego zasobu unikatowego w komputerze (np. we/wy)

–

Konfliktu danych – jednoczesne użycie tej samej danej

W celu wyeliminowania konfliktów w przetwarzaniu

potokowym spowodowanym jednoczesnym żądaniem
dostępu do pamięci w celu przesłania danych i pobrania
rozkazu pamięć podręczną pierwszego poziomu dzieli się
na dwa niezależne obszary danych i programu.

KOMPUTER – ROZWIĄZANIA

ZWIĘKSZAJĄCE PRĘDKOŚĆ

DZIAŁANIA PROCESORA



Czas trwania wykonania rozkazu zależy także od stopnia

złożoności listy rozkazów.

Analiza częstości użycia rozkazów wykazuje, iż dużo

częściej wykonywane są rozkazy o małym stopniu

złożoności.

Program złożony z rozkazów prostych będzie dłuższy,

lecz prędkość jego przetwarzania może wzrosnąć na

skutek eliminacji rozkazów złożonych. Spostrzeżenia te

są źródłem koncepcji architektury RISC (Reduced

Instruction Set Computer), w której uboższą listę

instrukcji niż w architekturze CISC (Complex

Instruction Set Computer) kompensuje szybsze ich

dekodowanie i wykonywanie.

KOMPUTER –

ADRESOWANIE



Pamięć to zbiór komórek o jednakowych rozmiarach.



Każda komórka zawiera jednostkę informacyjną

zwaną słowem.



Każda komórka posiada unikatowy numer – adres.



Sposób przydzielania indeksów (adresów) jest cechą

architektury.



Stosowane są dwie konwencje numeracji bitów i

bajtów:

–

Ważniejszy niższy (big endian) – słowo (lub bit)

zawierające bardziej znaczącą część informacji posiada

niższy numer porządkowy (adres)

–

Ważniejszy wyższy (little endian) – słowo (lub bit)

zawierające bardziej znaczącą część informacji posiada

wyższy numer porządkowy

INTEL 80x86 – little endian, PowerPC big endian, MC 680x0

bajty big endian a bity little endian

KOMPUTER – ROZDZIELCZOŚĆ

ADRESOWANIE



Rozdzielczość adresowania jest cechą architektury mającą
wpływ na organizację kompilatora. Podstawową jednostką
informacji jest słowo maszynowe. Dane systemowe są
tworzone w formacie zgodnym z rozmiarem słowa
maszynowego lub stanowiącym jego wielokrotność.



Szerokość magistrali systemowej musi umożliwiać co
najmniej przesłanie jednego słowa maszynowego w jednym
cyklu pamięci.



W przypadku gdy rozdzielczość adresowania jest większa niż
rozmiar słowa lub szerokość magistrali jest wielokrotnością
podstawowej jednostki adresowej powstaje problem
wpasowania danych w strukturę pamięci. (Problem ten
powinien być rozwiązany podczas kompilacji programu).



Umieszczenie danych o rozmiarze jednostkowym równym
rozmiarowi komórki pamięci jest dowolne, jeśli słowo zajmuje
dwie komórki pamięci to adres słowa powinien być parzysty,
cztery komórki to adres podzielny przez cztery.

KOMPUTER – PRZESTRZENIE

ADRESOWE



Ze względu na sposób adresowania wyróżnia
się następujące przestrzenie adresowe:

–

Obszar roboczy – rejestry procesora

–

Pamięć główna

–

Przestrzeń sterowania

–

Stos

–

Przestrzeń wejścia/wyjścia

–

Identyfikator przychodzącego przerwania

KOMPUTER – ODWZOROWANIE

PRZESTRZENI ADRESOWYCH



ROZDZIELNE PRZESTRZENIE ADRESOWE
– używa się różnych rozkazów dla każdej z
przestrzeni



JEDNOLITA PRZESTRZEŃ ADRESOWA – te
same rozkazy, natomiast w zależności od
adresu można adresować różne urządzenia lub
różne fragmenty pamięci.

KOMPUTER – TRYBY

ADRESOWANIA



Adresowanie zeroelementowe – adresowanie

bezpośrednie adres niejawny:

–

Błyskawiczne – kod danej jest częścią kodu rozkazu

–

Natychmiastowe – za pomocą licznika rozkazów. Kod

danej lub jego rozszerzenie jest umieszczony w pamięci

bezpośrednio po kodzie rozkazu.



Adresowanie jednoelementowe bezpośrednie

–

Bezwzględne – skrócony adres danej w kodzie rozkazu

lub pełny adres danej w rozszerzeniu kodu rozkazu

–

Rejestrowe pośrednie – argument umieszczony w

rejestrze, identyfikowanym w kodzie rozkazu

KOMPUTER – TRYBY

ADRESOWANIA



Adresowanie jednoelementowe pośrednie

–

Bezwzględne pośrednie – adres danej jest słowem

rozszerzenia kodu rozkazu

–

Rejestrowe pośrednie – adres danej umieszczony w

rejestrze identyfikowanym w kodzie rozkazu

–

Rejestrowe pośrednie z modyfikacją – adres danej

w rejestrze jest automatycznie zwiększany

(inkrementacja) lub zmniejszany (dekrementacja) po

użyciu (postinkrementacja i postdekrementacja) lub

przed użyciem (preinkremntacja i predekrementacja)

KOMPUTER – TRYBY

ADRESOWANIA



Adresowanie wieloelementowe

jednopoziomowe (pośrednie) – suma

składowych adresu wyznacza adres danej w

pamięci.



Adresowanie wieloelementowe

dwupoziomowe (pośrednie)

–

Bazowe z przemieszczeniem

–

Indeksowe z przemieszczeniem

–

Bazowo – indeksowe

–

Względne z przemieszczeniem – bazą jest zawartość

licznika rozkazów

–

Względne indeksowe

KOMPUTER – TRYBY

ADRESOWANIA



W architekturze Intel 80x86 zaadresowanie danej w
pamięci wymaga dwóch wskaźników: identyfikatora
spójnego bloku pamięci zwanego segmentem i
adresu względnego wewnątrz segmentu o wartości
nie przekraczającej rozmiaru segmentu.



Najbardziej złożonym trybem adresowania
spotykanym w procesorach rodziny Intel 80x86 jest
dwuwskaźnikowe skalowalne adresowanie bazowo-
indeksowe z przemieszczeniem

LA=([wskaźnik segmentu])+(baza)+

(indeks)*skala+przemieszczenie

Nawias [...] oznacza adres pośredni, a nawias (...) oznacza,

że składowa adresu umieszczona jest w rejestrze procesora

KOMPUTER – TRYBY

ADRESOWANIA



Stos programowy LIFO



Adresowanie opisowe (deskryptorowe) – cechą
szczególną tego trybu adresowania jest odniesienie
wszystkich adresów spójnego obszaru pamięci do
adresu bazowego wyznaczonego na podstawie
deskryptora lokalizowanego poprzez wskaźnik.
Oprócz adresu bazowego opis zawiera również
informację umożliwiające realizację selektywnego
dostępu do bloku. Zaletą tej metody adresowania jest
elastyczne adresowanie zmiennych strukturalnych
przy jednoczesnym zapewnieniu prywatności. Taki
sposób adresowania jest stosowany przy realizacji
mechanizmów pamięci wirtualnej.