Elektronik - Rzeszów 2011-10-06
Architektura systemu komputerowego
2
Zasada działania komputera.
Mówiąc o zasadzie działania komputera, mamy na myśli sposób, w jaki
wykonuje on program i uzyskuje dostęp do pamięci oraz danych.
Decyduje o tym architektura systemu komputerowego, która określa
sposób połączenia między jego trzema podstawowymi składowymi:
K L A S A 1
T E M A T : N R 2 3 , 2 4 " Procesorem;
" Pamięcią;
" Urządzeniami wejścia-wyjścia.
Ze względu na sposób organizacji oraz wykonywania programu wyróżnia
się komputery o architekturze von Neumanna oraz o architekturze
harwardzkiej. Opracowano też systemy o architekturze mieszanej mającą
cechy dwóch poprzednich.
ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06
Ogólny schemat systemu komputerowego Procesor
3 4
Jest głównym elementem komputera, który odpowiada za przetwarzanie
danych W jego skład wchodzi:
jednostka arytmetyczno-logiczna ALU(Aritmetic Logical Unit);
jednostka sterująca CU (Central Unit);
zespół rejestrów.
Jednostka sterująca pobiera dane z pamięci i dostarcza do ALU. W
jednostce arytmetyczno-logicznej realizowane są operacje na liczbach
dwójkowych: dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie oraz inne
operacje logiczne. W rejestrach przechowywane są adresy wybranych
miejsc w pamięci oraz dane i wyniki obliczeń.
ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06 ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06
Pamięć wewnętrzna Magistrala
5 6
Stanowi zespół linii służących do przesyłania danych, adresów i sygnałów między
procesorem, pamięcią i urządzeniami wejścia-wyjścia. W systemie występują trzy
Składa się z pamięci ROM (Read Only Memory) oraz RAM
podstawowe rodzaje magistral: magistrala danych, magistrala adresowa i
(Random Access Memory). Pamięć ROM służy jedynie do
magistrala sterująca.
odczytania. Przechowywane są w niej informacje o konfiguracji 1. Zadaniem magistrali danych jest przesyłanie danych, wyników oraz kodów
instrukcji. Jest to magistrala dwukierunkowa, co oznacza, że informacja może
sprzętowej oraz programy diagnostyczne. W pamięci operacyjnej
zarówno wpływać do mikroprocesora, jak i być przez niego przesyłana do
RAM przechowywane są przetwarzane dane, programy oraz wyniki
innych układów.
wykonania programów. Pamięć RAM można odczytywać i
2. Magistralą adresową przesyłane są adresy komórek pamięci lub układów
zapisywać w dowolnym czasie, jednak po wyłączeniu zasilania
wejścia/wyjścia, z którymi chce się komunikować mikroprocesor. Jest to
wszystkie dane są tracone. magistrala jednokierunkowa, adresy są generowane przez mikroprocesor,
natomiast trafiają bądz
do pamięci, bądz
do układów wejścia/wyjścia.
3. Trzecia magistrala nie jest w istocie magistralą, a raczej zestawem linii
sterujących. Linie te służą do sterowania pracą układów współpracujących z
mikroprocesorem oraz do sygnalizowania pewnych ich określonych stanów.
Zwyczajowo jednak zestaw tych linii nazywa się magistralą sterującą.
ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06 ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06
1
Elektronik - Rzeszów 2011-10-06
Architektura von Neumanna Architektura von Neumanna
7 8
System komputerowy o architekturze von Neumanna składa się z trzech bloków:
System komputerowy o architekturze von Neumanna wszystkie
procesora (jednostki arytmetyczno-logicznej ALU oraz jednostki sterującej CU)
informacje, zarówno dane, jak i rozkazy, przechowuje w tej samej
pamięci;
pamięci. Są one jednakowo dostępne dla procesora. Procesor ma
urządzeń wejścia/wyjścia.
skończoną funkcjonalnie pełną listę rozkazów. Operacje i arytmetyczne i
logiczne są wykonywane kolejno (sekwencyjnie) zgodnie z instrukcjami
programu, z określoną częstotliwością zegara procesora.
ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06 ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06
Architektura harwardzka Architektura harwardzka
9 10
W przypadku architektury harwardzkiej pamięć operacyjna jest tworzona z dwóch
System komputerowy o architekturze harwardzkiej ma dwie
bloków pamięci zwanych pamięcią programu i pamięcią danych. Pierwszy z nich
pamięci: jedną przeznaczoną na rozkazy a drugą na dane. Są one
przechowuje wyłącznie wykonywany program. W drugim zapisywane są dane (a
połączone z procesorem osobnym magistralami. Dane z pamięci więc także i wyniki działań), na których operuje program. Procesor może
komunikować się z wymienionymi blokami pamięci osobnymi magistralami.
danych i pamięci programu mogą być odczytywane jednocześnie,
Sytuacja taka jest przedstawiona na rysunku:
dzięki temu systemy o tej architekturze są szybsze od systemów o
architekturze von Neumanna.
ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06 ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06
Zasada współpracy układu mikroprocesorowego z pamięcią
Schemat logicznej budowy komputera
oraz układami wejścia-wyjścia
11 12
Współpracę
procesora z pamięcią
oraz urządzeniami
wejścia-wyjścia
obrazuje rysunek
obok. Odbywa się
ona poprzez szynę
danych i szynę
adresową. Procesor
wysyła sygnały
sterujące, które
umożliwiają odczyt
lub zapis z
poszczególnych
urządzeń.
ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06 ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06
2
Elektronik - Rzeszów 2011-10-06
System mikroprocesorowy a specjalizowany układ
cyfrowy
14
Dodatkowy opis Komputer jest zespołem układów cyfrowych tworzących system mikroprocesorowy.
Układy cyfrowe służą do przetwarzania informacji. Przetwarzanie informacji polega na
dostarczeniu do układu bądz
systemu danych poddawanych określonym działaniom,
13
dzięki którym otrzymujemy wyniki. Wynikami mogą być przykładowo sygnały sterujące
pracą pewnych urządzeń, obrazy, teksty i tym podobne. Tak określone przetwarzanie
informacji dotyczy więc przykładowo zarówno układów automatyki, jak i komputerów.
Przetwarzanie informacji przez układy cyfrowe możemy obecnie zrealizować dwoma
sposobami:
1. Projektując tak zwany specjalizowany układ cyfrowy będący zestawem różnorodnych
układów cyfrowych połączonych tak, aby realizowały określony sposób przetwarzania
informacji. Sposób ten będzie zależał wyłącznie od użytych układów i sposobu ich
połączenia, czyli od sprzętu (ang. hardware). Układ tego typu jest przedstawiony
schematycznie na rysunku poniżej.
Przetwarzanie informacji za pomocą specjalizowanego układu cyfrowego
ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06 ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06
System mikroprocesorowy a specjalizowany układ Schemat blokowy systemu mikroprocesorowego
cyfrowy
15 16
Jednym z elementów systemu mikroprocesorowego jest uniwersalny układ przetwarzający
Stosując system mikroprocesorowy. Jedną z ważniejszych części tego systemu jest
informacje. W naszym przypadku jest to mikroprocesor będący główną częścią CPU.
uniwersalny układ przetwarzający informację, czyli procesor. Procesor przetwarza
Wykonuje wszelkie działania arytmetyczne i logiczne potrzebne do osiągnięcia
informacje, wykonując na niej elementarne operacje zwane instrukcjami maszynowymi
zamierzonego wyniku. Układ ten musi jednak współpracować z dodatkowymi układami w
(bądz
rozkazami). Ciąg takich instrukcji realizujący konkretne zadanie przetwarzania
celu utworzenia użytecznego, efektywnie pracującego systemu zwanego systemem
informacji nazywamy programem. Do systemu mikroprocesorowego oprócz danych
mikroprocesorowym. Schemat blokowy takiego systemu przedstawiony jest na rysunku :
wejściowych musimy więc dostarczyć także pogram lub zestaw programów, czyli
oprogramowanie (ang. software). W przypadku systemu mikroprocesorowego sposób
przetwarzania informacji jest określony głównie przez oprogramowanie. Ułatwia to w razie
potrzeby zmianę sposobu przetwarzania informacji. Schematycznie przetwarzanie
informacji za pomocą systemu mikroprocesorowego możemy przedstawić tak, jak na
rysunku poniżej:
ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06 ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06
Schemat blokowy systemu mikroprocesorowego Schemat blokowy systemu mikroprocesorowego
17 18
Program musi być przechowywany w miejscu, z którego mikroprocesor będzie
Zadaniem centralnej jednostki przetwarzającej  CPU (ang. Central Processing Unit),
mógł szybko, bez zbędnego oczekiwania, odczytywać kolejne instrukcje
oprócz przetwarzania informacji jest sterowanie pracą pozostałych układów systemu.
przeznaczone do wykonania. Miejscem tym jest pamięć półprzewodnikowa. Inne
W skład CPU wchodzą mikroprocesor oraz układy pomocnicze, takie jak zegar czy
sterownik magistral. Mikroprocesor jest układem przetwarzającym informację i rodzaje pamięci, na przykład pamięci masowe, są zbyt wolne  ich czasy dostępu w
kierującym pracą reszty układów. Zegar systemowy wytwarza przebiegi czasowe porównaniu z szybkością pobierania kolejnych instrukcji przez mikroprocesor są za
niezbędne do pracy mikroprocesora i systemu. Sterownik magistral jest układem, który długie. Tak więc przed rozpoczęciem jego wykonania program jest ładowany z
pośredniczy w sterowaniu magistralami, wytwarzając na podstawie informacji
miejsca jego przechowywania (dysku twardego, płyty CD itp.) do pamięci
otrzymanych z mikroprocesora (sygnałów statusowych i sterujących) sygnały sterujące
półprzewodnikowej(zwanejpamięcią operacyjną ).
pracą układów pamięci i układów wejścia/wyjścia.
W bloku pamięci systemu stosowane są i pamięci RAM, i ROM. Pierwsze z nich,
Można stwierdzić, że wszystkie działania i operacje zachodzące w systemie są
jak pamiętamy, przeznaczone są zarówno do odczytu, jak i zapisu, i są pamięciami
sterowane bądz
inicjowane przez mikroprocesor. Rodzaj tych działań uzależniony jest
ulotnymi. Tego typu układy pamięci tworzą pamięć operacyjną (PAO). W pamięci
od ciągu instrukcji dostarczanych do mikroprocesora stanowiących program. Wynika z
tej przechowywane są kody instrukcji tworzących program, dane oraz wyniki
tego, że każde działanie wykonywane przez system (np. przez komputer) jest
działania programu.
wynikiem realizacji określonego programu bądz
jego fragmentu. Stwierdzenie to
jest bardzo istotne dla zrozumienia działania i zachowania się systemów
mikroprocesorowych.
ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06 ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06
3
Elektronik - Rzeszów 2011-10-06
Schemat blokowy systemu mikroprocesorowego Schemat blokowy systemu mikroprocesorowego
19 20
Ponieważ RAM jest pamięcią ulotną, w momencie włączenia systemu nie zawiera Ostatnim niezbędnym blokiem systemu są układy wejścia/wyjścia. Pośredniczą w
żadnej użytecznej informacji. Powiedzieliśmy też, że realizacja jakiejkolwiek wymianie informacji pomiędzy mikroprocesorem i pamięcią systemu a
operacji w systemie mikroprocesorowym jest wynikiem wykonania przez urządzeniami zewnętrznymi w stosunku do systemu (na przykład takimi jak
mikroprocesor pewnej liczby instrukcji stanowiących program (lub jego fragment). drukarka, monitor, stacja dysków), zwanymi urządzeniami peryferyjnymi.
Aby więc system rozpoczął działanie, musi istnieć miejsce, gdzie przechowywany Potrzeba pośredniczenia w wymianie informacji może wynikać z konieczności
jest program inicjalizujący jego pracę. Miejsce to musi pamiętać program translacji poziomów sygnałów elektrycznych, z potrzeby sterowania przepływem
niezależnie od tego, czy napięcie zasilania jest włączone, czy nie. Takim miejscem informacji w przypadku współpracy urządzeń o różnych szybkościach działania czy
jest pamięć ROM. W pamięci ROM przechowywany jest więc BIOS, czyli też z koniecznościprzygotowania odpowiedniego formatu informacji.
podstawowy system obsługi wejścia/wyjścia (ang. Basic Input Output System).
Zawiera między innymi procedury inicjalizujące pracę systemu oraz umożliwiające
wprowadzenie do pamięci operacyjnej dalszego oprogramowania.
ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06 ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06
y
ródło:
21
1. Urządzenia techniki komputerowej, T. Marciniuk
2. Urządzenia techniki komputerowej- część 1, Jak działa komputer?,
Krzysztof Wojtuszkiewicz
ZSE Rzeszów - Systemy operacyjne 2011-10-06
4