Architektura komputerów
Mariusz Nowak 2019
Architektura systemu komputerowego
Architektura komputera to sposób organizacji połączeń pomiędzy pamięcią, procesorem a urządzeniami wejścia-wyjścia.
PAMIĘĆ PROCESOR
UKŁADY
WE/WY
Architektura von Neumanna
• Zarówno dane, jak i programy są
przechowywane w tym samym bloku pamięci.
• Architektura ta została zaproponowana w roku 1945 przez jednego z pionierów informatyki Johna von Neumanna.
• W architekturze tej wyróżniamy trzy podstawowe części:
o procesor (CPU - ang. Central Processing Unit) - zawierający część sterującą (CU - ang. Control Unit) oraz część arytmetyczno-logiczną (ALU -ang.
Arithmetic Logic Unit)
o pamięć - przechowuje dane i programy
o układy wejścia-wyjścia - zapewniające komunikację z otoczeniem
Architektura von Neumanna
PAMIĘĆ UKŁADY
WE/WY ALU CU
PROCESOR (CPU)
Architektura von Neumanna - pamięć
• Przechowuje dane programu i instrukcje programu
• Uporządkowana jest w sposób jednowymiarowy, każda komórka pamięci ma unikatowy identyfikator nazywany adresem
• Instrukcje i dane są przechowywany w pamięci w postaci liczb - nierozróżnialnie
• Jednolitość postaci programu i danych umożliwi modyfikację programu w czasie jego wykonywania
PAMIĘĆ UKŁADY
WE/WY ALU CU
PROCESOR (CPU)
Architektura von Neumanna - procesor
• Jednostka sterująca (CU) odpowiedzialny jest za pobieranie danych i instrukcji z pamięci oraz ich sekwencyjnego przetwarzania
• Jednostka arytmetyczno-logiczna odpowiedzialna jest za wykonywanie podstawowych operacji arytmetyczno-logicznych
PAMIĘĆ UKŁADY
WE/WY ALU CU
PROCESOR (CPU)
Architektura von Neumanna - układy we/wy
• Zapewniają komunikację z otoczeniem
PAMIĘĆ UKŁADY
WE/WY ALU CU
PROCESOR (CPU)
Architektura harwardzka
• Pamięć podzielona jest na dwie odrębne części: pamięć danych i pamięć programu
• Procesor może odczytywać w tym samym czasie instrukcje oraz dane
• Architektura szybsza od architektury Von Neumanna
• Program jest zapisane na stałe, nie może zostać zmodyfikowany podczas wykonywania
instrukcji
Komputer Harvard Mark I
Architektura harwardzka
PAMIĘĆ PROGRAMU
UKŁADY WE/WY ALU CU
PROCESOR (CPU) PAMIĘĆ
DANYCH
Ogólny schemat systemu komputerowego
Pamięć wewnętrzna RAM, ROM
Urządzenia wejścia/wyjścia
Procesor
ALU, CU, rejestry
Magistrala
Procesor
Procesor jest głównym elementem komputera. Odpowiada za przetwarzanie danych i sterowanie pracą pozostałych układów systemu.
W jego skład wchodzą:
• jednostka arytmetyczno-logiczna ALU (ang. Arithmetic Logical Unit)
• jednostka sterująca CU (ang. Central Unit)
• zespół rejestrów
Jednostka sterująca pobiera dane z pamięci i dostarcza do ALU. W jednostce
arytmetyczno-logicznej są realizowane 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.
Pamięć wewnętrzna - ROM
ROM (ang. Read Only Memory) - pamięć z której dane można tylko odczytać, natomiast zapis jest nie możliwy albo może wymagać dodatkowych czynności.
Przechowywane są w niej informacje o konfiguracji sprzętowej oraz programy diagnostyczne.
W pamięci ROM zapisany jest tzw. BIOS (ang. Basic Input/Output System -
podstawowy system wejścia wyjścia), który jest wykonywany przez procesor, zaraz po włączeniu zasilania komputera.
Pamięć wewnętrzna - RAM
RAM (ang. Random Access Memory) - pamięć o swobodnym dostępie, służy do przechowywania przetwarzanych danych, programów i wyników wykonania
programów. Pamięć RAM można odczytywać i zapisywać w dowolnym czasie, jednak po wyłączeniu zasilania wszystkie dane są tracone.
Struktura połączeń - magistrala
• Najczęściej stosowana struktura połączeń to magistrala
• Magistrala jest wspólnym nośnikiem transmisji, do którego dołączonych jest wiele urządzeń, a sygnały wysyłane przez jedno z nich mogą być odbierane przez
pozostałe urządzenia
• Magistrala składa się z wielu linii komunikacyjnych, którym przypisane jest określone znaczenie i określona funkcja
• Fizycznie magistrala jest zbiorem równoległych połączeń elektrycznych
• System komputerowy zawiera pewną liczbę różnych magistrali
• Magistrala łącząca główne zasoby komputera (procesor, pamięć, wejście/wyjście) nazywana jest magistralą systemową
Struktura połączeń - magistrala (in. szyna)
• Linie dzielą się na trzy grupy: linie danych, adresów i sterowania
PAMIĘĆ PROCESOR UKŁADY WE/WY
MAGISTRALA DANYCH
MAGISTRALA ADRESÓW
MAGISTRALA STERUJĄCA
Architektura jednoszynowa (od 1970)
PAMIĘĆ PROCESOR Karta graficzna
MAGISTRALA (SZYNA)
UKŁADY WE/WY
Monitor Klawiatura
mysz
Dysk
twardy
Architektura dwuszynowa (1994 - 1998)
PAMIĘĆ PROCESOR
UKŁADY WE/WY
SZYBKA MAGISTRALA SYSTEMOWA
MOST (chipset)
WOLNA MAGISTRALA
Architektura trójszynowa (1999 - 2002)
PAMIĘĆ PROCESOR
MAGISTRALA PMIĘCI
MOST Północy
SZYBKA MAGISTRALA
WOLNA MAGISTRALA
MOST Południowy UKŁADY WE/WY UKŁADY WE/WY
UKŁADY WE/WY UKŁADY WE/WY
Architektura z połączeniami punk-punkt
PAMIĘĆ
PROCESOR MOST Północy
SZYBKA MAGISTRALA (PCI)
MOST Południowy UKŁADY WE/WY UKŁADY WE/WY
GRAFIKA
Architektura z połączeniami punk-punkt II
PAMIĘĆ PROCESOR
MOST Północy
SZYBKA MAGISTRALA (PCI)
MOST Południowy
UKŁADY WE/WY
UKŁADY WE/WY
GRAFIKA
UKŁADY WE/WY PCI e
PCI e PCI e
Współpraca procesora z pamięcią oraz urządzeniami wejścia/wyjścia
PAMIĘĆ ROM
MAGISTRALA DANYCH MAGISTRALA ADRESÓW
PAMIĘĆ RAM
Urządzenia WE/WY
Procesor
IOW IOR MR MW IOW
IOR MR
MW MR MR (ang. Memory Read)
- odczyt z pamięci MW (ang. Memory
Write) - zapis do pamięci IOR (ang. I/O Read) -
odczyt z urządzenia we/wy
IOW (ang. I/O Write) - zapis do urządzenia we/wy
Współpraca procesora z urządzeniami wejścia/wyjścia - przerwania
Urządzenie nr 1
MAGISTRALA DANYCH MAGISTRALA ADRESÓW
INTA
Przerwanie (ang. interrupt) lub żądanie
przerwania (ang. interrupt request - IRQ) - to sygnał powodujący wstrzymanie aktualnie wykonywanego programu i wykonania przez procesor kodu procedury obsługi przerwania.
INTR - sygnał odebrania zgłoszenia przerwania od urządzenia
INTA - sygnał przyjęcia zgłoszenia przerwania IRQ1, IRQ2, IRQ3 - numery kanałów
przerwań urządzeń Urządzenie
nr 2
Urządzenie nr 3
INTR
Procesor Kontroler przerwań IRQ1 IRQ2 IRQ3
Operacje wejścia/wyjścia z bezpośrednim dostępem do pamięci DMA
Urządzenie nr 1
MAGISTRALA DANYCH MAGISTRALA ADRESÓW
HLDA
DMA (ang. Direct Memory Access - bezpośredni dostęp do pamięci) - technika umożliwiająca urządzeniom we/wy korzystać z pamięci operacyjnej RAM, pomijając procesor.
Urządzenie nr 2
Urządzenie nr 3
HRQ
Procesor Kontroler DMA
DRQ1 DACK1 DRQ2 DACK2 DRQ3 DACK3
Pamięć RAM
