Презентация на тему Архитектура персональных компьютеров

аппаратных средств процессора.

Понятие архитектуры является комплексным и включает в

себя
структурную схему компьютера;
средства и способы доступа к элементам структурной схемы;
организацию и разрядность интерфейсов;
набор регистров;
организацию и способы адресации памяти;
способы представления и форматы данных;
набор машинных команд;
форматы машинных команд;
обработку прерываний.

основе которых в дальнейшем строится система

Набор этих принципов

часто называется архитектурными принципами

Рассмотрим архитектурные принципы, положенные в основу компьютерной техники

Computer и
компании IBM (International Business Machines).
 

узлы компьютера размещены на одной плате (поэтому замена узлов

невозможна),
пользователю предоставляются минимальные возможности по вмешательству в работу системы.

Согласно принципу Apple
изготовлением узлов и сборку компьютера должна осуществлять одна фирма,
а настройкой компьютера и заменой его узлов должны заниматься только профессионалы.

⇒ высокое качество и надежность ПК Macintosh.

составлен из отдельных узлов (блоков),
пользователю предоставляются широкие возможности

изменять состав компьютера, заменяя одни узлы другими

Производством узлов для IBM-совместимых компьютеров и сборкой самих компьютеров занимаются фирмы из разных стран.

Такой подход к построению компьютера предоставляет
1) возможности для массового производства
2) широкие возможности дальнейшего совершенствования

с процессором производства корпорации Motorola

присущи всем современным машинам фон-неймановской архитектуры.
 
Принцип хранимой программы
Код программы

и ее данные находятся в едином адресном пространстве в ОП.
С точки зрения процессора нет принципиальной разницы между данными и командами.
 
Принцип микропрограммирования
В состав процессора входит блок микропрограммного управления. Этот блок для каждой машинной команды имеет набор действий-сигналов, которые нужно сгенерировать для физического выполнения требуемой машинной команды.

как совокупность ячеек памяти (байтов), которым последовательно присваиваются номера

(адреса) 0, 1, 2 …
 
Последовательное выполнение программ
Процессор выбирает из памяти команды строго последовательно. Для изменения прямолинейного хода выполнения программы или осуществления ветвления необходимо использовать специальные команды условного и безусловного перехода.
 
Безразличие к целевому назначению данных
Машине все равно, какую логическую нагрузку несут обрабатываемые ею данные.

диск
(CD…)
Принтер
Модем

вместе с микропроцессором


Предназначена для
обеспечения бесперебойной работы процессора;
обеспечения эффективной

работы компьютера.

ПЗУ
Оперативное запоминающее устройство – ОЗУ (ОП)
Энергонезависимая память (CMOS-память)
Тактовый генератор
Таймер
Блок

обработки прерываний (контроллеры прерываний)
Блок прямого доступа к памяти

предусмотрено изменение содержимого пользователем.
После отключения питания содержимое ПЗУ

сохраняется.

Содержит следующие программы:
базовую систему ввода-вывода – BIOS (Basic Input Output System)
первоначального тестирования работоспособности компьютера – POST (Power On Self Test)
изменения информации CMOS-памяти - Setup

их параметрах (дисковая подсистема);
необходимая при каждом запуске (например, порядок

загрузки компьютера)

отдельные части компьютера (пучок проводов)
Перенос информации происходит по параллельным

линиям (проводам).
Один бит – одна линия.
Их количество называют шириной шины.

Шина адреса
Шина данных
Шина управления

вида:
Данные – обрабатываемые числовые значения.
Адреса – сведения о местонахождении

данных.
Управляющие сигналы – указывают направление потокам данных и регламентируют обмен данными.

Набор линий, предназначенных для передачи одного вида информации, называют шиной.
Шина адреса
Шина данных
Шина управления

узлами системы и получает ответные сигналы состояния узлов и

подтверждение выполнения команды

микропроцессора
i8086 – 20-разрядная шина адреса
16-разрядная шина данных

Ширина шины

адреса устанавливает ограничение на объем ОП


Pentium – 64-разрядная шина адреса
64-разрядная шина данных
32-разрядная внутренняя архитектура !!!

210 = 1 Kб
220 = 1 Мб
230 = 1 Гб
240 = 1 Тб

шина управления) составляют процессорную (внутреннюю) шину

Шина адреса и шина

управления – однонаправленные (передача в одном направлении - из микропроцессора)

Шина данных – двунаправленная (данные считываются и выдается результат)

а от остальных отделен специальными микросхемами-буферами (для усиления проходящих

сигналов).

После буферов шины адреса, данных и управления совместно с некоторыми дополнительными сигналами образуют другой канал обмена информацией – СИСТЕМНУЮ ШИНУ.

Системная шина характеризуется частотой системной шины (образуется из тактовой частоты)

тактовых импульсов, которые выдаются через фиксированные интервалы времени специальным

устройством – тактовым генератором.

Промежуток между тактовыми импульсами – такт.
Такт - минимальная временная единица в системе.




Для выполнения машинной команды процессор подразделяет ее на последовательность шагов, каждый из которых может быть выполнен за один такт.

Длительность одного такта – важнейший параметр,
определяющий производительность процессора (Т)

(количество тактов в секунду).
Длительность одного такта – Т
1 Герц

(Гц) = 1 такт в секунду

Первые ≈ 4,77 МГц
Pentium --- 60 МГц
Pentium III --- 500 Мгц ≈ 500 миллионов тактов в секунду
Pentium 4 ---- 1,3 – 1,5 ГГц
тактовая частота ядра микропроцессора 3 ГГц ≈ 3 миллиарда

действия должны быть «увязаны» между собой, время работы должно

измеряться в одинаковых интервалах)

Тактовая частота используется для формирования
РАБОЧЕЙ (СИСТЕМНОЙ) частоты
(на рабочей частоте процессор взаимодействует с памятью).
Из рабочей частоты образуется частота системных шин.

«Внутри себя» (ядро) микропроцессор работает на более высокой частоте (начиная с i486).
Внутренняя частота процессора образуется путем умножения системной частоты на некоторый коэффициент.

(мультипроцессорной)

Процессоры выполняют параллельно несколько задач
(несколько подзадач одной большой задачи)

Все

процессоры имеют доступ ко всей памяти системы – мультипроцессорная система с общей памятью
Высокая производительность
Высокая стоимость (большое количество процессоров, большой объем памяти, сложные схемы управления)

компьютеру доступна только своя память
Обмен данными через пересылку сообщений

Кластер

– группа компьютеров, объединенных для решения одной задачи

элементов,
собранных определенным образом.
Каждый элемент – это электронно-техническое
изделие.

В основе конструкции

процессоров лежат элементарные логические микросхемы
Используется несколько базовых логических функций (элементов) и бесчисленное число их комбинаций.

(для вычислений)
запоминающие (для хранения)

высказывания

Таблица истинности

одно высказывание, входящее в него


Таблица истинности

имеет высокий потенциал, то ключ, реализованный
на транзисторе, замкнут,

и потенциал точки Y низкий.
В противном случае связь между точкой Y и "землей" разорвана,
и сигнал Y имеет высокий уровень,
что и обеспечивает реализацию логической функции "отрицание".

используется для хранения одного бита информации
Его задача – запомнить,

что было на его входе – 1 или 0, и сообщить об этом, когда спросят.

из входов (R или S)
подавался последний сигнал 1

(Set) служит для установки ЗЯ в состояние "1" (Q=1,

Q=0).
Сигнал R (Reset) устанавливает ЗЯ в состояние "0" (Q=0, Q=1).
Пусть на входы ЗЯ поданы сигналы: S=0, R=1.
Тогда при любом исходном состоянии ЗЯ на выходе элемента 1 установится 1.
Так как на входы элемента 2 поступают значения Q и R, то на его выходе будет сигнал 0. Таким образом, ЗЯ перейдет в состояние "1".
Аналогично при S=1, R=0 запоминающая ячейка перейдет в состояние Q=0, Q=1, то есть в "0".
Если S=1, R=1, то состояние ЗЯ будет определяться ее предыдущим состоянием.
Если ЗЯ находилась в состоянии "1", то сигнал Q=0, поступая на вход элемента 1, подтвердит состояние его выхода Q=1. На входы элемента 2 поступят только 0. Поэтому его выход будет находиться в состоянии Q=0, то есть не изменится.
Если ЗЯ находилась в состоянии "0", то сигнал Q=0, поступая на вход элемента 2, подтвердит состояние его выхода Q=1. В свою очередь, выход элемента 1 также останется без изменения.
Таким образом, эта комбинация входных сигналов соответствует режиму хранения.
Если на входы S и R поданы сигналы S = R = 0, то сигнал на выходах элементов 1 и 2 будет Q = Q = 1. При переводе ЗЯ в режим хранения ( S = R = 1), выходы элементов 1 и 2 могут установиться в произвольное состояние. Поэтому комбинация сигналов S = R = 0 на управляющих входах не используется.

определяется не таблицей
истинности,
как для логической схемы, а

таблицей переходов

S R Q(t+1) Функция
0 0 х Запрещено
0 1 1 Установка в "1"
1 0 0 Установка в "0"
1 1 Q(t)Хранение


Таблица переходов показывает изменение состояния триггера при изменении состояния входных сигналов в зависимости от его текущего состояния.