Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекція Поняття архітектури комп'ютера

План лекції

1. Предмет, структура і завдання дисципліни

2. Принципи архітектури комп'ютера фон Неймана

3. Архітектура системи команд

Мета: дати поняття про предмет, структуру і завдання дисципліни, ознайомити із принципами архітектури комп'ютера фон Неймана та архітектурою системи команд

1. Предмет, структура і завдання дисципліни

Предметом вивчення “Основ програмування та алгоритмічні мови” є основні методи і засоби використання сучасної комп'ютерної техніки, надання майбутнім спеціалістам знань про технологію програмування на алгоритмічних мовах та навчити розв'язувати задачі з допомогою ЕОМ.

Основним завданням, що має бути вирішене в процесі викладання дисципліни, є надання знань з етапів підготовки, алгоритмізації й структурного програмування задач мовами програмування Паскаль.

2. Принципи архітектури комп'ютера фон Неймана

В основу архітектури більшості сучасних комп'ютерів покладено принципи, які ще 1946 року були сформульовані у звіті «Попереднє обговорення логічного конструювання електронного обчислювального пристрою» Джоном фон Нейманом і його колегами Г. Голдстайном та А. Берксом. Усі комп'ютери, побудовані згідно з цими принципами, тепер відомі як комп'ютери з фоннейманівською архітектурою.

Основні принципи архітектури фон Неймана такі:

- використання двійкової системи числення для кодування інформації у комп'ютері;

- програмне керування роботою комп'ютера;

- збереження програм у пам'яті комп'ютера;

- адресація пам'яті.

У класичній роботі фон Неймана перелічено основні пристрої, з використанням яких може бути побудований комп'ютер. Типова фоннейманівська обчислювальна машина має такі складові: арифметико-логічний пристрій, пристрій керування, пам'ять і пристрої введення-виведення (рис. 1.1).

В обчислювальних машинах із класичною фоннейманівською архітектурою функції обробки інформації покладені на арифметико-логічний пристрій (АЛП). До функцій АЛП входить у першу чергу виконання арифметичних і логічних команд та команд зсуву. Отже, цей пристрій забезпечує обробку вхідних даних і формування результату. АЛП -- це не один, а ціла група операційних пристроїв, кожен з яких реалізує певну підмножину операцій. архітектура команда програмування числення

Пристрій керування (ПК) -- найголовніша частина комп'ютера, що координує роботу всіх його пристроїв та забезпечує виконання всіх програм. Основною функцією цього пристрою є формування сигналів, необхідних для вибирання команд із пам'яті в порядку, що задається програмою, і подальше виконання цих команд. Крім того, ПК формує сигнали, необхідні для синхронізації та координації дій зовнішніх і внутрішніх пристроїв комп'ютера. Синхронізуючі сигнали -- це сигнали, що визначають, коли має бути виконана певна операція. Реальні синхронізуючі сигнали, які керують пересиланням даних і виконанням команд, генеруються схемами керування.

Пристрій керування можна уявити собі як окремий блок, котрий взаємодіє з іншими блоками комп'ютера. Однак на практиці так буває рідко. Більша частина керуючих схем фізично розподілена між різними компонентами комп'ютера: процесором, чіпсетом, контролерами введення-виведення та шин.

АЛП і ПК дуже тісно взаємодіють між собою, і їх часто реалізують єдиним пристроєм, відомим як центральний процесор, чи просто процесор. Процесор - це основа будь-якого комп'ютера, і швидкість роботи комп'ютера цілковито залежить від моделі та параметрів процесора.

Пам'ять комп'ютера призначена для збереження інформації й оперативного обміну нею з іншими компонентами комп'ютера. Пам'ять поділяють на внутрішню та зовнішню. Внутрішня пам'ять складається з регістрів процесора, основної пам'яті та кеш-пам'яті.

Регістри процесора -- це найбільш швидкодіючий, але найменший за обсягом різновид пам'яті комп'ютера. Зазвичай регістрів у процесорі небагато, і тільки в комп'ютерах з неповним набором команд їх кількість може сягати кількох сотень. Регістри залежно від свого призначення можуть мати обсяг від 1 до 10 байт.

Основна пам'ять може включати пам'ять двох типів -- постійну й оперативну.

Постійна пам'ять (Read Only Memory, ROM) реалізується у вигляді постійного запам'ятовуючого пристрою, дані в якому не можна модифікувати, їх можна тільки читати. Основне призначення RОМ -- підтримання процедур початкового завантаження операційної системи та обслуговування переривань, які припиняють виконання програми з метою реалізації спеціальних системних дій.

Процес зчитування інформації з постійної пам'яті майже не відрізняється від процесу зчитування з оперативної пам'яті. З іншого боку процес записування інформації в RОМ набагато складніший і потребує великих затрат часу й енергії. Записування інформації в постійну пам'ять називають її програмуванням. Сучасні пристрої постійної пам'яті - це мікросхеми, інформація до яких може записуватись як при виготовленні, так і після нього.

Оперативна пам'ять (Ramdom Access Memory, RAM) використовується і для читання, і для запису інформації. Під час роботи комп'ютера в ній зберігаються програми та дані. Оперативна пам'ять комп'ютера організована у вигляді множини байтів, або комірок, у яких зберігаються числові та символьні значення. Байти оперативної пам'яті послідовно пронумеровані починаючи з 0. Ці номери байтів є їх адресами. Залежно від типів даних, над якими виконуються дії, байти групуються у слова (два байти) або подвійні слова (чотири байти).

Особливістю RАМ є неможливість зберігання інформації в ній після вимикання живлення комп'ютера. Саме цим вона відрізняється від пам'яті RОМ, в якій дані зберігаються незалежно від наявності живлення.

Між регістрами та процесором часто розміщується кеш-пам'ять, призначена для узгодження швидкостей роботи основної пам'яті та процесора. Сучасні комп'ютери мають декілька рівнів кеш-пам'яті, які позначаються буквою L з певним номером. У більшості персональних комп'ютерів кеш-пам'ять має два рівні -- L₁ та L₂, в останніх розробках все частіше з'являється кеш-пам'ять третього рівня, а в проектах навіть і четвертого. Обсяг кеш-пам'яті вимірюється десятками і сотнями кілобайтів, а оперативної -- десятками і сотнями мегабайтів. Оперативна пам'ять сучасних персональних комп'ютерів сягає кількох гігабайтів.

Для довгострокового збереження великого обсягу даних і програм потрібна зовнішня пам'ять. Зокрема, у зовнішній пам'яті зберігається все програмне забезпечення комп'ютера (системне та прикладне). До складу зовнішньої пам'яті входять різноманітні пристрої: накопичувачі на жорстких і гнучких магнітних дисках, пристрої на касетній магнітній стрічці (стримери), накопичувачі на оптичних дисках СD-RОМ та СD-RW тощо. Накопичувачі на жорстких магнітних дисках відрізняються від накопичувачів на гнучких магнітних дисках за конструкцією, обсягом даних, що зберігаються, а також часом пошуку, запису і зчитування інформації. Необхідно пам'ятати, що інформація, яка зберігається у зовнішній пам'яті, стане доступною для процесора тільки після того, як буде переписана в основну пам'ять.

Пристрої введення-виведення є важливою складовою будь-якого комп'ютера. Вони забезпечують взаємодію комп'ютера з навколишнім середовищем, користувачами, об'єктами керування та іншими комп'ютерами.

Зовнішні пристрої за їх призначенням можна розділити на два основних різновиди -- для тривалого зберігання інформації та для взаємодії комп'ютера із зовнішнім середовищем, а саме користувачами, іншими комп'ютерами й об'єктами керування.

Серед них можна виділити пристрої введення (клавіатура, сканер, графічний планшет, маніпулятори типу «миша», джойстик, світлове перо тощо), виведення (принтер, плотер), діалогові засоби користувача (дисплеї, пристрої мовного введення-виведення - мікрофонні акустичні системи, синтезатори звуку тощо), засоби зв'язку та телекомунікацій (мережні плати, модеми).

Більшість зовнішніх пристроїв мають свої процесори (контролери), які є простішими за центральний процесор і виконують інші набори команд. Контролери можуть переносити дані із зовнішніх носіїв до оперативної пам'яті (читання, або введення із «зовнішнього світу») чи навпаки (запис, або виведення даних у «зовнішній світ»). Кожному пристрою введення-виведення виділено окрему ділянку оперативної пам'яті - порт. Із нього пристрій бере дані для зовнішнього носія, записуючи їх, наприклад, на диск або на екран комп'ютера. І саме в порт записуються дані, що надходять з клавіатури або дисковода.

Сигнали синхронізації дій усіх пристроїв передаються по керуючих лініях -шинах. Шини комп'ютера повинні забезпечити передачу інформації між:

¦ процесором та оперативною пам'яттю (шина процесор-пам'ять);

¦ процесором і портами введення-виведення зовнішніх пристроїв;

¦ оперативною пам'яттю і портами введення-виведення зовнішніх пристроїв у режимі прямого доступу до пам'яті.

Шина процесор-пам'ять забезпечує безпосередній зв'язок між процесором комп'ютера та основною пам'яттю. У сучасних комп'ютерах таку шину іноді називають шиною переднього плану. Інтенсивний обмін даними між процесором та пам'яттю вимагає, щоб кількість інформації, яка передається за одиницю часу (секунду) цією шиною (пропускна спроможність шини), була якомога більшою. Від пропускної спроможності шини процесор-пам'ять значною мірою залежить продуктивність комп'ютерів із фоннейманівською архітектурою. Функції різних шин конструктори іноді покладають на єдину системну шину, але з погляду швидкодії краще, коли дані між процесором і пам'яттю передаються окремою шиною.

Зв'язок процесора чи пам'яті із пристроями введення-виведення забезпечують шини введення-виведення. На відміну від шини процесор-пам'ять, такі шини містять менше ліній, але фізична довжина цих ліній може бути більшою. Велика кількість і різноманітність зовнішніх пристроїв у різних типах комп'ютерів обумовили необхідність розроблення стандартів для таких шин. Стандартизація шин дозволяє розробникам зовнішніх пристроїв працювати незалежно, а користувачам -- самостійно формувати потрібну конфігурацію комп'ютера.

Фізично шини складаються з великої кількості паралельних металевих провідників -- ліній, розміщених на системній платі чи кристалі мікросхеми. Серед ліній будь-якої шини можна виділити три функціональні групи: шина адреси, шина даних і шина керування.

Шиною адреси передаються адреси комірок пам'яті, номери регістрів процесора, адреси портів введення-виведенні і т. ін. Кількість ліній, виділених для передачі адреси, становить ширину шини адреси і визначає максимально можливий обсяг пам'яті комп'ютера, який може адресуватися.

Лінії, якими дані (команди чи операнди) передаються між блоками системи, називаються шиною даних. Найважливіші параметри шини даних - ширина та пропускна спроможність. Ширина шини даних вказує на кількість бітів інформації, які можуть бути передані по шині за один її цикл.

Використання окремих шин для адрес і даних дає можливість значно підвищити продуктивність комп'ютера, особливо під час записування інформації в пам'ять -- адреса комірки пам'яті та дані, що записуються, передаються паралельно.

Поряд із лініями для передачі адрес та даних обов'язковим атрибутом будь-якої шини є лінії, якими передається керуюча інформація та інформація про стан пристроїв введення-виведення. Сукупність таких ліній прийнято називати шиною керування. Цією шиною передаються сигнали синхронізації, переривання, арбітра шини тощо.

Загалом, функціонування фоннейманівського комп'ютера можна описати так:

- комп'ютер за допомогою пристроїв введення приймає інформацію у вигляді програм та даних і записує її в пам'ять;

- інформація, що зберігається в пам'яті, під керуванням програми шинами пересилається в арифметико-логічний пристрій для подальшої обробки;

- дані, отримані після обробки інформації, спрямовуються (також шинами) на пристрої виведення.

3. Архітектура системи команд

Щоб виконати операції над даними будь-якого типу, в оперативній пам'яті потрібно розмістити відповідні команди програми. Коди команд, так само як і їх структура, розробляються під час проектування комп'ютера. Повний перелік команд, які здатний виконати даний комп'ютер, називається його системою команд. Система команд сучасного комп'ютера може містити сотні і навіть тисячі інструкцій. Типова команда комп'ютера фоннейманівської архітектури у загальному випадку має задавати:

¦ операцію, яку слід виконати;

¦ адреси даних (операндів), над якими має бути виконана операція;

¦ адресу пам'яті, де потрібно зберегти результат виконання операції.

Отже, команда складається з двох частин - командної й адресної. У даному разі термін «адресність» означає кількість операндів, вказаних в адресній частині команди. Триадресна команда може мати таку структуру, як показано на рис. 1.2. КОП -- код операції, Al, A2, A3 -- адреси комірок оперативної пам'яті, в яких містяться дані та результат виконання операції.

Рис. 1.2. Спрощена структура триадресної команди

Як правило, команда розміщується в декількох байтах. Адреса команди визначається як адреса її першого байта. Від формату команди залежить її структура, тобто кількість двійкових розрядів, які відводяться для збереження команди в пам'яті, а також кількість та розташування окремих груп розрядів команди. Код операції та адреси комірок даних - це послідовності двійкових розрядів.

Команди оперують даними, які прийнято називати операндами. Базовими типами операндів є адреси, числа, символи та логічні значення. Крім базових типів комп'ютер здатний обробляти і складніші інформаційні структури - графічні зображення, аудіо-, відеоінформацію, анімацію. Така інформація є похідною від базових типів і зберігається, як правило, на зовнішніх носіях.

Наведена триадресна команда (рис. 1.2) відповідає зображенню звичайних алгебричних операцій вигляду х = у х z, що читається так: «виконати операцію множення над змінними у і z, результат присвоїти змінній х або виконати операцію множення над вмістом комірок у і z, результат записати до комірки з адресою х. Команди програми виконуються послідовно, починаючи з першої. Це можна реалізувати завдяки тому, що адреси комірок оперативної пам'яті, в яких розміщено команди програми, становлять послідовність. Процесор має регістр команд, призначений для їх автоматичного виконання, та регістр-лічильник команд, у якому зберігається адреса наступної виконуваної команди. Для виконання наступної команди вміст лічильника команд необхідно збільшити на довжину поточної команди (визначається в байтах), з тим щоб отримати адресу наступної команди. З метою автоматичного виконання команди потрібно вибрати її за вказаною адресою і передати до регістра команд. Щоб зв'язати адреси комірок оперативної пам'яті з ідентифікаторами змінних, які використовуються у процесі розв'язання конкретної задачі, створюється таблиця адрес. Процес її упорядкування називається розподілом пам'яті.

Закріплення вивченого матеріалу.

1. Охарактеризуйте предмет, структуру і завдання дисципліни?

2. Сформулюйте основні принципи фон Неймана.

3. У чому полягає призначення процесора та його регістрів?

4. Чим відрізняється кеш-пам'ять від інших типів пам'яті?

5. Які компоненти входять до складу зовнішньої пам'яті?

6. Що таке архітектура системи команд?

Домашнє завдання

Ковалюк Т.В.Основи програмування, - ст.12-21.