Архитектура

Программист, составляющий программу, должен представлять:

• какие ресурсы компьютера ему доступны,

• к каким устройствам он может обращаться при помощи операторов программы.

Устройство компьютера с точки зрения программиста называют архитектурой компьютера.

Рассматриваемая нами архитектура компьютера называется магистрально-модульной. К общей магистрали подключаются отдельные модули. Такая архитектура является открытой.

Открытая архитектура предназначена для того, чтобы можно было добавлять адаптеры дополнительных устройств и приспосабливать компьютеры к потребностям каждого пользователя.

Для подключения дополнительных модулей и расширения функциональных возможностей компьютера служат разъемы (слоты расширения), установленные на системной плате компьютера. Системную плату называют еще материнской платой, так как на ней размещаются все основные микросхемы, обеспечивающие работу компьютера и его связь с внешним миром.

2.2. Микропроцессор и его роль в персональном компьютере.

Процессор современного компьютера представляет собой сверхбольшую интегральную схему - микропроцессор.

Он должен считывать из памяти команды, расшифровывать их и управлять работой всех устройств компьютера.

Если бы процессор выполнял только арифметические операции и операции по пересылке данных, он был бы только вычисляющим устройством.

Логические функции наделяют процессор интеллектом. Появляется возможность анализа ситуации и выбора дальнейшего пути. Такой выбор реализуют команды условного перехода и циклических вычислений.

Первый микропроцессор был изготовлен в 1971 году и был предназначен для выпуска микрокалькуляторов. Он был четырехразрядным, так как каждый десятичный разряд представляется в двоичной системе счисления четырьмя разрядами. Его рабочая частота составляла всего 750 КГц.

В последующих поколениях процессоров увеличивалась не только тактовая частота, но и их разрядность.

В 1979 году американской фирмой Intel был выпущен 8 - разрядный процессор 8088, у него было 20 адресных линий и он мог адресовать 2²⁰ = 1 Мбайт памяти. Он содержал примерно 29 тысяч транзисторов, работал на частоте 4.77 Мгц. и имел быстродействие 0.33 MIPS (миллионов операций в секунду).

Выпущенный на год раньше 16-разрядный процессор 8086 имел такую же архитектуру. С этих процессоров начался выпуск семейства процессоров фирмы Intel - i286, i386, i486, Pentium, Pentium Pro, и т.д. Именно это семейство использует в своих персональных компьютерах фирма IBM.

Уже в 2006 году процессоры содержат несколько сотен тысяч транзисторов и работают на частотах 3 - 5 ГГц., современные процессоры преодолевают рубеж по производительности - тера FLOPS (операций с плавающей точкой в секунду).

Разрабатываются новые на сегодняшний день многоядерные процессоры, которые уже содержат миллиарды транзисторов на одном кристалле. Через 5–10 лет сегодняшнее появление многоядерных процессоров будет рассматриваться как эпохальное событие в развитии вычислительной техники.

С выпуском новых моделей процессоров начинается очередной виток возрастания мощности вычислительных систем. Для сравнения приведем характеристики процессора Pentium4:

разрядность шины данных - 32;

разрядность шины адреса - 64, поэтому адресное пространство почти не ограничено;

количество транзисторов - порядка 45 миллионов;

наиболее распространены сейчас процессоры с внутренней тактовой частотой 3 - 4 ГГц.

В простейшем представлении процессор состоит (Рис.2.) из арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ), сверхоперативного внутреннего запоминающего устройства (СОЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ/ВЫВ).

АЛУ выполняет арифметические и логические операции.

Чтобы выполнение операций в процессоре не было связано с обязательным чтением данных из оперативной памяти и пересылкой результата в оперативную память компьютера, в процессор включена сверхоперативная память в виде набора регистров (ячеек памяти с расширенными функциями) общего назначения (РОН). В регистрах возможно выполнение некоторых операций, например возможно увеличить содержимое регистра на единицу. Эта операция выполняется в специальном регистре - счетчике команд после выполнения очередной команды.

Для приема кода команды служит регистр команд. Код команды устанавливается на шине адреса и, по сигналу чтения из памяти, новая команда передается в регистр команд процессора по шине данных.

Код команды расшифровывается в устройстве управления и на все внутренние устройства процессора подаются управляющие сигналы, операция выполняется. Затем повторяется цикл чтения из памяти кода команды, дешифрации и выполнения команды. Если естественный порядок выполнения команд должен быть нарушен, выполняется команда перехода. В этом случае в регистр счетчик команд записывается новый адрес.

В современных микропроцессорах, кроме набора регистров общего назначения, сверхоперативное запоминающее устройство включает в себя кэш-память.

Ceche memory можно перевести как скрытая память. Она включена в процессор для записи и хранения последовательности выполняемых команд и необходимых для этого данных. Таким образом, за счет расширения СОЗУ, значительно возрастает скорость вычислений.

Кроме того, и АЛУ в современных микропроцессорах не одно, а несколько, что позволяет некоторые команды выполнять одновременно (параллельно). Более того, в зависимости от поставленной задачи процессор использует АЛУ разного типа.

Для простых математических вычислений используется АЛУ для операций с фиксированной точкой, для сложных операций, например графических работ, используется АЛУ для чисел, представленных в формате с плавающей точкой. В этом случае используется полулогарифмическая запись чисел представленных в двоичной системе счисления.

Приведем для примера, запись в десятичной системе счисления, запишем: 0.000500..*10³. Для двоичной системы счисления подобная запись будет выглядеть следующим образом: 0.1100...* 10^0000100. В таком представлении чисел в ячейке памяти хранится мантисса числа (0.1100...) и порядок (0000100). Для мантиссы, порядка и знака числа отведены определенные разряды.

В процессорах Pentium используется два АЛУ с фиксированной точкой и два АЛУ с плавающей, кэш команд и кэш данных. Каждое АЛУ строится по блочному принципу и включает в себя блок сложения, блок умножения, блок деления. Операции с плавающей точкой выполняются процессором за один такт.

Интересным новшеством процессоров Pentium является небольшая кэш память (буфер меток переходов), которая позволяет предсказывать переходы в выполняемых программах и заранее подготавливать их.