2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом icon

2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом




Скачати 122.1 Kb.
Назва2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом
Дата14.09.2012
Розмір122.1 Kb.
ТипДокументи
1. /Uch/Rz1.doc
2. /Uch/Rz2.doc
3. /Uch/Rz3.doc
4. /Uch/Rz4.doc
5. /Uch/Rz5.doc
6. /Uch/Rz51.doc
7. /Uch/Rz7.doc
1 технічні характеристики цом І мікропроцесорів, їх еволюція І класифікація
2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом
Вибір системи числення для зображення чисел у цифрових еом
Інформації в обчислювальних машинах І мікропроцесорних пристроях. 1 Поняття про кодування І зразки деяких кодів
5. логічні основи обчислювальної техніки основні поняття алгебри логіки
5. логічні основи обчислювальної техніки основні поняття алгебри логіки
7 схемотехнічні основи обчислювальної техніки 1 Тригерні пристрої

2. АРХІТЕКТУРА ЦОМ

2.1. Поняття архітектури ЦОМ. Принципи роботи ЦОМ.

Під архітектурою ЦОМ розуміють сукупність характеристик, які визначають принцип її дії, конфігурацію і організацію з точки зору можливостей програмування. Конфігурацією називається склад і взаємне з´єднання основних вузлів обчислювальної машини, а організація з точки зору можливостей програмування визначається складом регістрів процесора, системою команд і способамии адресації, можливістю сполучення виконання команд у часі, логічною організацією пам´яті, типами даних і засобами їх введення/виведення.

Уявлення про архітектуру та принципи роботи обчислювальних машин 1-го і 2-го поколінь дає структурна схема ЦОМ, представлена на рис. 2.1.





Рисунок 2.1 – Узагальнена структурна схема цифрових ЕОМ 1-го і 2-го поколінь


Алгоритмічно універсальна ЕОМ (рис. 2.1) складається із запам’ятовувального (3П), арифметичного (АП) пристроїв і пристроїв керуван­ня (ПК) та введення і виведення інформації (ПВв, ПВив).

Запам'ятовувальний пристрій призначений для зберігання початко­вих даних, проміжних та кінцевих результатів, а також програм обробки інформації. Всю інформацію в ЗП зображено у вигляді двійкових кодів.

Основні характеристики ЗП - місткість і швидкодія. Місткість пам’яті визначає кількість N адресованих комірок, кожна з яких призначена для зберігання двійкових слів з певною розрядністю. Найпоширеніша розрядність комірки в сучасних ЕОМ - 1 байт (комірка, яка містить вісім двійкових розрядів - 8 біт). Швидкодію ЗП визначає інтервал часу між початком та закінченням запису (читання) інформації в комірку пам’яті (з комірки пам´яті).

Дня досягнення одночасно великої ємності й великої швидкодії пам’ять ЕОМ звичайно містить два типи ЗП – оперативний (ОЗП) і зовнішні (ЗЗП). ОЗП притаманна вища швидкодія, ніж ЗЗП, але менша ємність (у сучасних: ЕОМ вона становить від 128 Мбайт до 1 Гбайт, в той час як обсяг пам´яті ЗЗП сягає декількох сотень Гбайт).

ОЗП звичайно реалізують на напівпровідникових елементах і зберігають у них тільки ту інформацію, котра необхідна для розв'язування конкретної задачі на протязі одного сеансу роботи користувача. Великі масиви інформації зберігають у ЗЗП, якими в сучасних ЕОМ найчастіше є накопичувачі на гнучких магнітних дисках (НГМД), на жорстких магнітних дисках (НЖМД), оптичних дисках (CD-ROM) і так званих змінюваних дисках (флеш-карти). Місткість таких ЗЗП досягає від кількох десятків і сотень мегабайт до кількох сотень гігабайт.

Арифметико-логічний пристрій (АЛЛ) призначений для виконання арифметичних та логічних операцій, необхідних у процесі переробки ін­формації, яка зберігається в ЗП. Він має такі параметри: продуктив­ність (середню швидкодію), тобто кількість арифметичних чи логічних операцій, виконуваних за секунду; розрядність оброблюваних слів; на­бір елементарних операцій, що їх він здатен виконувати (система команд).

Продуктивність АЛП сучасних ЕОМ розташована в межах від десятків мільйонів до сотень мільярдів операцій на секунду, а розрядність оброблюваних слів - від 8 до 128. АЛП виконує такі елементарні операції, як дода­вання, віднімання, множення, ділення, зсування коду, порівняння, й цілий набір логічних операцій; беручи загалом, набір операцій може містити понад декілька сотень команд.

Пристрій керування (ПК) призначений для автоматичного керування ходом обчислювального процесу й забезпечує взаємодію всіх частин ма­шини згідно з програмою розв'язування задачі. ПК бере із ЗП чергову команду, розшифровує її й виробляє послідовність сигналів, які керу­ють діями інших пристроїв ЕОМ щодо виконання даної команди. Оператор може втрутитися в процес автоматичного розв'язування, даючи вказівки з пульта керування, з'єднаного з ПК.

Комплекс пристроїв, який охоплює АЛП, ПК і частину ОЗП, називають процесором. Отже, останній являє собою самостійну частину ЕОМ, яка переробляє інформацію й керує діями інших її частин.

Пристрій введення (ПВв) вводить інформацію в ЕОМ і перетворює її в двійкову форму. Сучасні ЕОМ мають широку номенклатуру ПВв. Великого розповсюдження набули клавіатури різного типу, ручні маніпулятори (миша, джойстик), сканери, пристрої голосового введення з мікрофона, пристрої введення даних з дискових накопичувачів. Коли ЕОМ використовують для контролю й керу­вання якимось об’єктом, то пристроєм введення даних з давачів та при­ладів е пристрій зв’язку з об'єктом (ПЗО).

Пристрій виведення (ПВив) призначений для перетворення одержаної внаслідок обчислень інформації з двійкової у форму, зручну для сприй­няття людиною чи виконавчим механізмом. Інфор­мацію звичайно виводять на друкувальні пристрої (принтери), графопобудівники (плоттери), відеомонітори чи записують в ЗЗП вказаних вище типів.

2.2 Структурна схема мікропроцесорної ЕОМ

Зображену на рис. 2.1 структурну схему мають машини першого та другого покоління. Завдяки вдосконаленню елементної бази та винайденню мікропроцесора пізніше було набагато підвищено продуктивність процесора і місткість пам’яті ЕОМ, тому архітектура машин наступних поколінь була змінена таким чином, щоб використати ці показники більш раціонально. Їх уже побудовано у вигляді обчислювальних сис­тем (ОС), тобто сукупності порівняно автономних модулів, які об’єднано уніфікованими засобами зв’язку і які працюють під керуванням цент­рального пристрою керування (ЦПК).

Найпростіша мікроЕОМ містить генератор тактових імпульсів (ГТІ), мікропроцесор, постійний запам'ятовувальний пристрій (ПЗП), оператив­ний 3П, інтерфейси пристроїв введення (ІПВв) і виведення (ІПВив). Зв’язок між пристроями мікроЕОМ організовують з допомогою інформаційної магістралі, що складається з трьох шин: шини адреси (ША) для адресації пристрою, з якого в МП надходять дані чи команди, шини даних (ШД) для передавання даних з МП в зовнішні пристрої або з останніх у МП і шини керування (ШК) для керувальних сигналів. Тришинна організація зв’язку найпопулярніша, оскільки спро­щує обмін даними між окремими компонентами й зменшує час виконання команд. В кожний момент часу можливий обмін інформацією тільки між двома модулями системи. Таким чином, обмін інформацією здійснюється шляхом розподілу в часі модулями МП системи колективних шин.





Рисунок 2.2 - Структурна схема мікроЕОМ


Наявність загального інтерфейсу мікропроцесора для модулів пам´яті і периферійних пристроїв, окрім наведених вище причин, пояснюється також обмеженою кількістю зовнішніх виводів на кристалі МП. Більшість перших мікросхем мікропроцесорів розміщувалися в 40-вивідному корпусі, і для інтерфейсу в них використовувалося від 30 до 38 зовнішніх виводів. Функціонально вони розподілялися таким чином: 16 виводів для під´єднання адресної шини, 8 виводів – для двонаправленої шини даних, 10-17 виводів – для шини керування. Обмежена пропускна здатність інтерфейсу мікропроцесора зменшує продуктивність МП систем і приводить до того, що вони зазвичай працюють з невеликою кількістю джерел і споживачів інформації. Найпоширенішими моделями мікроЕОМ такого типу були ЕОМ класу “Елетроника”, “ДВК”, IBM PC XT.

2.3 Еволюція шинної структури мікроЕОМ. Структура сучасного ПК.

Описана вище структура МП системи, побудована на основі однієї магістралі, розбитої на три шини, використовувалася лише в перших мікроЕОМ. Маючи назву “Загальна шина”, вона і дійсно пронизувала весь комп'ютер, дозволяючи з'єднати в кожен момент часу процесор з одним із пристроїв пам'яті або одним з контролерів периферійних пристроїв. В цьому випадку шина, до якої під´єднувались пристрої введення/виведення, працювала з тією ж швидкістю, що й шина процесора. З появою нових МП з покращеними технічними характеристиками швидкодія шини процесора збільшувалася, а швидкодія шини введення/виведення залишалася незмінною, змінювалась тільки розрядність шини. Це почало гальмувати продуктивність МП системи в цілому, особливо з появою високошвидкісних дискових накопичувачів і необхідністю обробки в відеоконтроллерах великих масивів графічної інформації, характерних для таких графічних користувацьких інтерфейсів, як Windows. За цих умов процесор з тактовою частотою, наприклад 450 МГц, виявляється зовсім непотрібним, оскільки дані по шині введення/виведення передаються в декілька разів повільніше.

Еволюцію шинної архітектури МП систем розглянемо на прикладі персональних мікроЕОМ типу IBM PC. Основою домінування комп´ютерів даного типу на ринку став покладений в основу їх побудови принцип “відкритої системи” (Open System). Принцип “відкритості” обчислювальної системи вимагає такої системи шин, яка повинна задовольняти двом вимогам. По-перше, вона повинна організовувати інформаційні потоки таким чином, щоб дозволяти користувачеві без особливих зусиль підключати до ресурсів процесора нові апаратні засоби. По-друге, вона повинна давати можливість самій архітектурі удосконалюватися і розвиватися за рахунок уведення додаткових або нових компонентів без яких-небудь принципових змін в організації інформаційних потоків. Цим вимогам задовольняє архітектура, яка включає чотири основних шини - L-шину, S-шину, М-шину і X-шину (рис. 2.3)





Рисунок 2.3 - Шинна організація персонального комп´ютера IBM PC AT

ранніх моделей


Основною шиною в такій конфігурації, що зв'язує комп'ютер у єдине ціле, є S-шина, або системна шина, до якої, крім того, підключаються адаптери периферійних пристроїв, що не входять до складу системного ядра. Саме вона виведена на 8 спеціальних роз´ємів-слотів, в які установлюються плати периферійних адаптерів (дисплея, флопі-диска, вінчестера, миші і т.д.).

При переході із шини L на шину S сигнали процесора повинні зазнати необхідного перетворення. Зокрема, максимальна навантажувальна здатність ліній мікропроцесора не перевищує одного TTL входу, тому максимальний вихідний струм цих ліній не повинен перевищувати 1мА. Тому між лініями L - шини і S-шини повинні розташовуватися буферні елементи, що підвищують потужність виводів як мінімум у сто разів. Крім того, шина даних мікропроцесора, як ми побачимо надалі, не завжди повинні з'єднуватися з іншими частинами ЕОМ. При виконанні так званого позапроцессорного обміну мікропроцесор узагалі повинний бути відключений від інших схем комп'ютера.

Коли мікропроцесор з розглянутою шинною архітектурою виконує, наприклад, команду читання з пам'яті, адреса і сигнали керування з локальної L-шини попадають на системну S шину, а тільки потім на шину пам'яті M. Після цього дані, прочитані з пам'яті, знову таки попадають на системну шину, а з неї - на локальну. Очевидно, що кожен перенос інформації через той або інший буферний елемент супроводжується визначеною затримкою, що і визначає ту досить низьку тактову частоту, на якій працювали перші IBM PC - 12, або навіть 8 Мгц. Для усунення таких втрат у більш пізніх моделях IBM PC (наприклад, AT 286) основна оперативна пам'ять виділяється в особливу підсистему і доступ до неї здійснюється не через системну шину, а паралельно з доступом до системної шини. Як правило, це зв'язано з наявністю інтегрованого контролера шини даних (рис.2.4). Сумарна затримка передачі даних у цьому випадку скорочується приблизно до 20 нс, а тактова частота підвищується до 25 Мгц.

Подальші можливості підвищення продуктивності процесора зв'язані з пошуками рішень в області архітектури. Уведення буферної кеш-пам'яті дозволило послабити вимоги за часом доступу до основної оперативної пам'яті (кеш-пам'ять - це статична пам'ять з малим часом доступу). Обсяг її коливається від 128Кбайт до 1 МБайт. При цьому на локальній шині, крім мікропроцесора і співпроцесора, з'являється контролер керування кеш-пам'яттю. При обсязі пам'яті 128 Кбайт імовірність того, що необхідна мікропроцесорові інформація виявиться в кеш-пам'яті, складає 95-98%. Ефективність кеш-пам'яті стає значною на частотах вище 30 МГц, тому що в цьому випадку втрати продуктивності через затримки доступу до оперативної пам'яті дуже чуттєві.




Рис 2.4 - Архітектура IBM PC AT 286 пізніх моделей


Наступні архітектурні зміни зв'язані з переходом від процесорів, що мають 32 розрядні шини даних (i80386 і i80486), до процесорів, що мають 64 розрядні шини, а саме до процесорів Pentium, Pentium Pro, Pentium II, III IV. Структурна схема сучасного комп´ютера в результаті описаної еволюції на сьогодні виглядає таким чином , як це показано на рис. 2.5.





laptop


Рисунок 2.5 – Структурна схема сучасного ПК


2.4 Гарвардська і фон-нейманівська архітектури ЕОМ.


Розглянута в попередньому розділі структура IBM PC-сумісного комп'ютера уявляє собою реалізацію так названої фон-нейманівської архітектури обчислювальних машин. Ця архітектура була представлена Джоном фон-Нейманом ще в 1945 році і має наступні основні ознаки. Машина складається з блоку керування, арифметико-логічного пристрою (АЛУ), пам'яті і пристроїв введення/виведення. У ній реалізується концепція зберігання програм і даних в одній і тій же пам'яті (рис. 2.6).





Рисунок 2.6 – Структура МПС із фон-нейманівською архітектурою.


Основна перевага архітектури фон-неймана – спрощення пристрою МПС, оскільки реалізується звертання тільки до однієї загальної пам'яті. Крім того, використання єдиної області пам'яті дозволяє оперативно перерозподіляти ресурси між областями програм і даних, що істотно підвищувало гнучкість МПС із погляду розроблювача програмного забезпечення.Наприклад, у деяких випадках потрібна велика і складна програма, а даних у пам'яті треба зберігати не занадто багато. В інших випадках, навпаки, програма досить проста, але необхідні великі обсяги збереження даних. Перерозподіл пам'яті не викликає ніяких проблем, головне — щоб програма і дані разом містилися в пам'яті системи. Як правило, у системах з такою архітектурою пам'ять буває досить великого обсягу (до десятків і сотень мегабайт). Це дозволяє вирішувати самі складні задачі. Розміщення стека в загальній пам'яті полегшувало доступ до його вмісту. Невипадково тому фон-нейманівська архітектура стала основною архітектурою універсальних комп'ютерів, включаючи персональні комп'ютери.

Але існує також і альтернативний тип архітектури мікропроцесорної системи — це архітектура з роздільними шинами даних і команд (двохшинна, або гарвардська, архітектура). Ця архітектура припускає наявність у системі окремої пам'яті для даних і окремої пам'яті для команд (рис. 2.7). Обмін процесора з кожним із двох типів пам'яті відбувається по своїй шині.





Рисунок 2.7 - Структура МПС із гарвардською архітектурою.


Архітектура з роздільними шинами даних і команд складніша, вона змушує процесор працювати одночасно з двома потоками кодів, обслуговувати обмін по двох шинах одночасно. Програма може розміщатися тільки в пам'яті команд, дані — тільки в пам'яті даних. Така вузька спеціалізація обмежує коло задач, вирішуваних системою, тому що не дає можливості гнучкого перерозподілу пам'яті. Пам'ять даних і пам'ять команд у цьому випадку мають не занадто великий обсяг, тому застосування систем з даною архітектурою обмежується звичайно не надто складними задачами.

Гарвардська архітектура майже не використовувалася до кінця 70-х років, поки виробники МК не зрозуміли, що вона дає значні переваги розроблювачам автономних систем керування.

Справа в тім, що, судячи з досвіду використання МПС для керування різними об'єктами, для реалізації більшості алгоритмів керування такі переваги фон-нейманівської архітектури, як гнучкість і універсальність, не мають великого значення. Аналіз реальних програм керування показав, що необхідний обсяг пам'яті даних МК, використовуваний для збереження проміжних результатів, як правило, на порядок менше необхідного обсягу пам'яті програм. У цих умовах використання єдиного адресного простору приводило до збільшення формату команд за рахунок збільшення числа розрядів для адресації операндів. Застосування окремої невеликої по обсягу пам'яті даних сприяло скороченню довжини команд і прискоренню пошуку інформації в пам'яті даних.

Крім того, гарвардська архітектура забезпечує потенційно більш високу швидкість виконання програми в порівнянні з фон-нейманівською за рахунок можливості реалізації рівнобіжних операцій. Вибірка наступної команди може відбуватися одночасно з виконанням попередньої, і немає необхідності зупиняти процесор на час вибірки команди. Цей метод реалізації операцій дозволяє забезпечувати виконання різних команд за однакове число тактів, що дає можливість більш просто визначити час виконання циклів і критичних ділянок програми.

Більшість виробників сучасних 8-розрядних МК використовують гарвардську архітектуру. Однак гарвардська архітектура є недостатньо гнучкою для реалізації деяких програмних процедур. Тому порівняння МК, виконаних за різними архітектурами, варто проводити стосовно до конкретного застосування.


2.5 Контрольні запитання і завдання


  1. Що розуміють під поняттям “архітектура ЦОМ”?

  2. Наведіть структурну схему ЦОМ 1-го і 2-го поколінь, опишіть функціональне призначення і технічні характеристики її складових частин.

  3. Охарактеризуйте основні принципи функціонування ЦОМ.

  4. Опишіть архітектуру перших мікроЕОМ. Які її недоліки і переваги?

  5. Наведіть структуру ранніх моделей ПК з чотирма шинами. Яке призначення кожної із шин?

  6. Яка обчислювальна система називається “відкритою” ?

  7. Яким факторами зумовлена еволюція шинної архітектури комп´ютерів?

  8. Нарисуйте структурну схему сучасного ПК і охарактеризуйте її особливості.

  9. Назвіть основні ознаки фон-нейманівської архітектури?

  10. Зарисуйте структурну схему ЦОМ з фон-нейманівською архітектурою.

  11. Які переваги і недоліки фон-нейманівської архітектури ЦОМ? В машинах якого класу вона використовується?

  12. Які основні ознаки гарвардської архітектури ЦОМ? Які її переваги і недоліки?

  13. Який клас обчислювальних пристроїв використовує гарвардську архітектуру і чому?

Схожі:

2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом iconДисципліни «історія мистецтв, архітектури та містобудування»
«Архітектура», галузь 0601 – «Будівництво та архітектура», напряму 1201 – «Архітектура» спеціальності 120100 – «Містобудування»
2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом iconМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства г. Л. Коптєва методичні вказівки до виконання самостійної роботи з курсу «історія мистецтв, архітектури та містобудування»
«Архітектура» та напряму 1201 – «Архітектура» спеціальність 120100 – «Містобудування»
2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом iconЛ. П. Панова Історія мистецтва, архітектури І містобудування бароко Методичні вказівки до виконання самостійної роботи
...
2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом iconО. В. Конопльова Навчальний посібник з дисципліни «Історія мистецтв, архітектури та містобудування»
«Історія мистецтв, архітектури та містобудування» «Архітектура та мистецтво Відродження» (для студентів 2 курсу напрямку підготовки...
2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом iconМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства л. П. Панова методичні вказівки до виконання самостійної роботи з дисциліни «Історія мистецтв, архітектури І містобудування»
«Архітектура», галузь 0601 – «Будівництво та архітектура» /Укл. Панова Л. П.; Харк нац акад міськ госп-ва – Х.: Хнамг, 2011
2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом iconНаціональна академія образотворчого мистецтва І архітектури зведена екзаменаційна відомість для вступників 2012 р. Напрям архітектура, спеціалізація архітектура будівель І споруд

2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом iconХарківська національна академія міського господарства методичні вказівки до виконання самостійної роботи з навчальної дисципліни «історія мистецтва, архітектури та містобудування»
Методичні вказівки до виконання самостійної роботи з навчальної дисципліни «Історія мистецтва, архітектури та містобудування» (для...
2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом icon1. Архітектура комп'ютера Тема Основні принципи роботи в Windows

2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом iconМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства л. П. Панова методичні вказівки до виконання самостійної роботи з курсу сучасні проблеми архітектури
Методичні вказівки до виконання самостійної роботи з курсу «Сучасні проблеми архітектури» (для студентів 5 курсу денної форми навчання...
2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом iconМіністерство освіти І науки україни харківська національна академія міського господарства ю. В. Жмурко теорія І критика сучасної архітектури
Методичні вказівки до самостійної роботи з курсу «Теорія І критика сучасної архітектури» (для студентів 5 курсу денної форми навчання...
2. архітектура цом поняття архітектури цом. Принципи роботи цом. Під архітектурою цом iconН.І. Криворучко Навчальний посібник з дисципліни «Історія мистецтв, архітектури та містобудування»
«Історія мистецтв, архітектури та містобудування» «Історія містобудування, архітектури та мистецтва Європи та Америки хіх-сер. ХХ...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи