Архитектура и структура персонального компьютера Компьютер - это универсальное (многофункциональное) электронное программно-управляемое устройство для хранения, обработки и передачи информации. Когда Чарльз Бэббидж разрабатывал аналитическую счетную машину в тридцатых годах XIX века, он предположил, что для успешной работы необходимы как минимум следующие устройства: • устройство для обработки данных, в котором непосредственно осуществляются вычисления (“мельница); • устройство для хранения данных (“склад”); • устройство для управления процессом вычислений (“контора”). Архитектура аналитической счетной машины с точки зрения Ч.Бэббиджа Разработке Бэббиджа не суждено было воплотиться в действующей модели, но идеи о разделении отдельных операций процесса вычислений между отдельными “специализированными” устройствами получили дальнейшее развитие в принципах архитектуры компьютеров, традиционно называемых принципами фон Неймана (сороковые годы ХХ века). 1. Принцип общего устройства Для того, чтобы устройство было универсальным средством обработки информации, оно должно состоять из следующих частей: - арифметико-логического устройства (АЛУ) - устройства управления (УУ) - оперативной памяти (ОП) - устройств ввода-вывода (УВВ). А также быть электронным, а не механическим, и работать в двоичной системе счисления. 2. Принцип произвольного доступа к основной памяти Память - это совокупность ячеек с адресами, где хранится информация, закодированная двоичными числами. И каждому устройству в любой момент доступна любая ячейка основной памяти 3. Принцип хранимой программы Каждая команда кодируется в двоичном коде в виде последовательности 0 и 1, и может быть помещена в память компьютера. Таким образом, программа, представляющая собой набор команд, хранится в памяти вместе с данными. 4. Принцип программного управления ЭВМ может выполнять последовательность команд, находящуюся в памяти машины, без участия человека, т.е. автоматически. Схема компьютера фон Неймана Устройства ввода Внешняя память Устройства вывода Порты ввода Оперативная память Порты вывода Управляющее устройство Арифметико-логическое устройство Под архитектурой компьютера будем понимать функциональную организацию компьютера, т.е. описание устройств, принципы их работы, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативной памяти и внешних устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя. КЛАССИЧЕСКАЯ АРХИТЕКТУРА ФОН НЕЙМАНА Несмотря на разнообразие существующих в настоящее время ЭВМ, в основу их построения и работы заложены общие функциональные принципы, которые впервые были сформулированы американским математиком Джоном фон Нейманом и представлены им еще в 1945 году в "Предварительном докладе о машине EDVAC" Наиболее распространены следующие архитектуры: • Классическая архитектура (ниже рассмотрим подробнее) • Многопроцессорная архитектура. Наличие в компьютере несколько процессоров означает, что параллельно может быть организовано несколько потоков данных и много потоков команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи Рассмотрим классическую архитектуру компьютера. В основу классической архитектуры современных персональных компьютеров положен магистральномодульный принцип, позволяющий комплектовать нужную конфигурацию компьютера и производить модернизацию. Модуль - это функционально законченное устройство компьютера (системный блок, клавиатура, монитор и т.п.). Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами. Магистрально-модульное принцип построения компьютера Процессор Оперативная память Обработка данных Хранение данных и программ Шина данных Магистраль Шина адреса Шина управления Устройства ввода Устройства вывода Ввод данных Вывод данных Долговременная память Сетевые устройства Хранение данных и программ Для обеспечения информационного обмена между различными устройствами должна быть предусмотрена какая-то магистраль для перемещения потоков информации. Магистрально-модульный принцип устройства персонального компьютера Системный блок компьютера Процессор КЭШ-память Системная плата Оперативная память Контроллер клавиатуры BIOS Жесткий диск Шина данных Шина адреса Шина управления Контроллер Контроллер дисков портов Ввода и вывода ввода и COM порт СD-ROM LPT порт Видеоадаптер Звуковая плата Информационная связь между устройствами компьютера осуществляется через магистраль. Магистраль - это набор электронных линий, связывающих воедино оперативную память, процессор и периферийные устройства. Магистраль Магистраль (системная шина) включает в себя: 1. Шину данных – передает обрабатываемую информацию; 2. Шину адреса передает адреса памяти или внешних устройств, к которым обращается процессор; 3. Шину управления – по ней передаются управляющие сигналы. Упрощенно системную шину можно представить как группу кабелей и электрических (токопроводящих) линий на системной плате. Шина данных по ней данные передаются между различными устройствами любом направлении. Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством двоичных разрядов, которые могут обрабатываться или передаваться процессором одновременно. Шина адреса. Каждое устройство или ячейка оперативной памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина). Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые имеют уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле: N — 2I, где I — разрядность шины адреса. Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию — считывание или запись информации из памяти — нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее. Магистрально-модульное устройство ПК Основные электронные компоненты, определяющие архитектуру процессора, размещаются на основной плате компьютера, которая называется системной или материнской (MotherBoard). А контроллеры и адаптеры дополнительных устройств, либо сами эти устройства, выполняются в виде плат расширения (DаughterBoard — дочерняя плата) и подключаются к шине с помощью разъёмов расширения, называемых также слотами расширения (англ. slot — щель, паз). Архитектура микропроцессора Центральный процессор — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. ПРОЦЕССОР Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены. В составе процессора находится еще несколько устройств, называемых регистрами. Регистры – это ячейки памяти, обладающие большим быстродействием. В принципе, достаточно двух регистров: первый принимает число и хранит результат операции, а второй только принимает число, которое после выполнения операции не меняется. Сумматор (аккумулятор) используется для временного накапливания и хранения данных, полученных в результате выполнения операций АЛУ. Устройство управления управляет вычислительным процессом по программе и координирует работу всех устройств. УУ формирует управляющие сигналы и затем их выполняет. На физическом уровне регистр представляет совокупность триггеров, которые связаны между собой общей системой управления, при этом каждый триггер способен хранить один двоичный разряд. Триггер – электронная схема, применяемая в регистрах для запоминания одного бита информации и имеющая два устойчивых состояния 0 и 1 Параметры микропроцессора: Тактовая частота Частота, при которой способен работать микропроцессор. Она определяется максимальным временем, необходимым для выполнения элементарного действия Разрядность Максимальное количество разрядов двоичного кода, которые могут обрабатываться и передаваться одновременно Архитектура Минимальная конструкция процессора и система команд «Разрядность» включает в себя: Разрядность внутренних регистров (m) Внутренняя длина машинного слова Разрядность шины данных (n) Скорость передачи данных m /n / k Разрядность шины адресов (k) Определяет адресное пространство Пример: МП с разрядностью 16/16/20 В 2 раза МП с разрядностью 16/8/20 Доступное адресное пространство составляет 2k При k = 20 доступное адресное пространство составляет 2 20 или 1 Мбайт ПО КОНСТРУКТИВНОМУ ПРИЗНАКУ процессоры разрядно – модульные (собираются из нескольких микросхем) однокристальные (изготавливаютс я в виде одной микросхемы) Архитектура МП это совокупность сведений о составе его компонентов, организации обработки в нем информации и обмена информацией с внешними устройствами ЭВМ, а также о функциональных возможностях МП, выполняющего команды программ. Структура МП это сведения только о составе его компонентов, соединениях между ними, обеспечивающих их взаимодействие. Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Математиче ский сопроцессор Генератор тактовых импульсов МИКРОПРОЦЕССОР АЛУ РОН УУ КЭШ ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ ОЗУ СИСТЕМНАЯ ШИНА: Шина адреса/ шина данных/ шина управления СИСТЕМА ПОРТОВ ВВОДА - ВЫВОДА ПЗУ Центральная часть и системная шина МИКРО ПРОЦЕССОР СИСТЕМНАЯ ШИНА Микропроцессор (МП) или CPU-это центральное устройство ПК, предназначенное для управления работой всех устройств и для выполнения арифметико –логических операций над информацией Процессор содержит: Арифметико –логическое устройство (АЛУ) Устройство управления (УУ) Регистры общего назначения (РОН) Кеш -память АЛУ РЕГИСТР 1 1-е число РЕГИСТР 2 результат 2-е число СУММАТОР ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ ВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕ Схема МП - РД – регистр данных; РК – регистр команд; ВШ- внутренняя шина (передает данные, команды и управляющие сигналы) Работа МП 1) Порядок действий задается УУ, которому необходимо поступление постоянных тактовых импульсов; При поступлении каждого тактового импульса происходит либо перемещение информации по регистрам или подключение к шине или другие действия. Работа МП 2) Каждая операция выполняется в определенной последовательности за несколько циклов синхронизации. Содержание операций определяется командами т.е. информацией, которую МП принимает в регистр команд РК. Работа МП 3) Информация о данных, над которыми выполняются операции, МП принимает в регистр данных РД. Детальная структурная схема МП Детальная структурная схема МП 1) В регистр команд записывается код команды, который преобразуется в управляющие сигналы дешифратором команд ДшК; 2) Исходные данные и промежуточные результаты записываются в регистр общего назначения РОН, один из которых общается с АЛУ – это регистр А (аккумулятор). В нем размещаются результаты каждой арифметической операции. Детальная структурная схема МП 3) В процессе вычислений и обработки информации используется регистр флагов или регистр признаков РП. Под словом «флаг» понимается сигнал о том, что в процессе вычислений или обработки информации результат получил некий характерный признак (например, результат равен 0 – флаг нуля, отрицательный результат – флаг знака и т.д.) Регистр флагов состоит из нескольких независимо управляемых триггеров, при переходе от 0 к 1 сигнализирует о появлении соответствующего признака. Детальная структурная схема МП 4) Загрузка некоторых регистров МП. Обработка содержащихся в них слов, пересылка слов в другие регистры могут происходить по командам программы. Такие регистры называются пользовательскими. 5) Для временного хранения информации используются буферные регистры, недоступные программисту – это БД (буфер данных) и БА (буфер адреса). Детальная структурная схема МП 6) Шины для передачи информации – шина данных (ШД), шина адреса (ША), шина команд (ШК), шина управления (ШУ), ВШ – внутренняя шина. 7) С адресной шиной связаны Буфер адреса БА, счетчик команд СК и указатель стеков УС. СК указывает в МП адреса по которым находятся в памяти команды. После считывания команды автоматически происходит прибавление 1 к адресу. Эта операция называется инкрементом. Детальная структурная схема МП 8) Стек С представляет собой группу регистров в МП , куда временно может записываться информация, которая будет использована позже. Регистр УС служит для указания адреса той ячейки в ЗУ, в которую записано последнее по времени поступления слово. Именно оно будет считаться первым при обращении к стеку. (принцип «последний записан – первый считан»). Сигналы, вызывающие операции со стеком, называются сигналами прерываний. Детальная структурная схема МП При каждом занесении в стек содержимое УС автоматически увеличивается на 1 (инкрементируется), при каждом извлечении – уменьшается (декрементируется). Для этого имеется схема инкремент-декремент СИД. Процесс обработки данных Процесс обработки данных состоит из нескольких этапов. 1) Команды и данные забираются из кэша. Такая процедура называется выборкой. 2) Выбранные команды декодируются в понятные для данного процессора команды. Затем происходит их выполнение в исполнительных блоках. Результат записывается в оперативную память. Процесс обработки данных В предпроцессоре происходит выборка команд из кэша и их декодирование. В постпроцессоре – процесс выполнения декодированных команд. Таким образом обязательны 4 стадии (каждая стадия – 1 такт): 1) Выборка из кэша; 2) Декодирование; 3) Выполнение; 4) Запись результатов. Данные стадии называют конвейером обработки команд. Процесс обработки данных В разных процессорах разное число ступеней. Например, в конвейере процессора Пентиум 4 содержится 20 ступеней. Причина в том, что при выполнении сложных команд они не могут быть обработаны за 1 такт. Любой процессор должен быть сконструирован так, чтобы за минимальное время выполнять максимальное число команд. Именно этот факт определяет производительность процессора. Т.к. процессор является основным устройством ЭВМ , то его характеристики определяют эффективность ЭВМ в целом. Характеристики процессора: 1. Разрядность; 2. Емкость адресуемой памяти; 3. Длина конвейера; 4. Число внутренних регистров; и т.д. Характеристики МП как интегральной схемы: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Быстродействие; Потребляемая мощность; Масса и габаритные размеры; Число источников питания; Надежность; Стоимость; Эксплуатационная стойкость. Основные понятия Техпроцесс — это размер, используемый при производстве процессоров. Он определяет величину транзистора, единицей измерения которого является нм (нанометр). Транзисторы, в свою очередь, составляют внутреннюю основу ЦП. Суть заключается в том, что постоянное совершенствование методики изготовления позволяет уменьшать размер этих компонентов. В результате на кристалле процессора их размещается гораздо больше. Это способствует улучшению характеристик CPU, поэтому в его параметрах всегда указывают используемый техпроцесс. Например, Intel Core i5-760 выполнен по техпроцессу 45 нм, а Intel Core i5-2500K по 32 нм, исходя из этой информации, можно судить о том, насколько процессор современен и превосходит по производительности своего предшественника, но при выборе необходимо учитывать и ряд других параметров. Ядро – самый главный элемент центрального процессора. Оно представляет собой часть процессора, способное выполнять один поток команд. Ядра отличаются по размеру кэш памяти, частоте шины, технологии изготовления и т. д. Сокетом называют разъем, в который устанавливается ЦП на материнскую плату компьютера. Тип сокета характеризуется количеством ножек и производителем процессора Выполнение команды УУ АЛУ Регистры РИ СК Инструкции Данные Сигналы Управления ОЗУ Адрес Передача данных Управляющие сигналы Классификация МП 1) По назначению: Универсальные; Специализированные; 2) По разрядности: С фиксированной разрядностью слов; С изменяемой разрядностью слов; 3) По способу управления: микропрограммируемые; макропрограммируемые; Основная память Основная память – это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно участвующих в операциях. оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) Основная память (ОП) RAM (Random Access Memory-память с произвольным доступом) В качестве элементов памяти в ОЗУ используются либо триггеры, либо конденсаторы ROM-BIOS постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) ПЗУ используется для хранения информации, которая не меняется при работе компьютера В зависимости от способа хранения информации ОЗУ статистические каждый бит информации (1 или 0) хранится на элементе типа электронной защелки (триггер), состояние которого остается неизменным до тех пор, пока не будет сделана новая запись в этот элемент или не будет выключено питание динамические каждый бит информации хранит в виде заряда конденсатора. Из-за токов утечки заряд конденсатора необходимо с определенной периодичностью обновлять (регенерировать). Во время регенерации запись новой информации должна быть запрещена. Динамические ОЗУ по сравнению со статическими имеют более высокую удельную емкость, большее быстродействие и энергопотребление. Система шина Системная шина предназначена для передачи данных между периферийными устройствами (ПУ) и центральным процессором или между периферийными устройствами и оперативной памятью. Системная шина Шина данных Служит для передачи информации в оба направления (от МП к ОЗУ или ПУ и обратно, либо между ОЗУ и ПУ Шина управления предназначена для передачи управляющих сигналов, таких как «запись в память», «чтение из памяти», сигналы прерываний Шина адреса используется для адресации ОП и портов вводавывода Системная шина обеспечивает три типа передачи данных Микропроцессор – основная память (МП-ОП); Микропроцессор – порты ввода-вывода (МП-ПВВ); Основная память – порты ввода-вывода (ОП и ПВВ).