Архітектура комп’ютерів

1. Архітектура комп’ютера. Структурна схема персонального комп’ютера.

Сучасні комп’ютери побудовані за модульним принципом. Це означає, що вони складаються з окремих блоків – модулів, які певним чином сполучені між собою з метою забезпечення їх взаємодії; кожен з блоків виконує специфічні функції відповідно до свого функціонального призначення. Ланкою, яка забезпечує взаємодію модулів комп’ютера, є системна магістраль – сукупність ліній електричного зв’язку, які сполучають однойменні контакти3 всіх модулів.

Кожна лінія магістралі має своє жорстко встановлене функціональне призначення, сигнали на лініях мають визначені електричні та часові параметри. Електричні параметри сигналів магістралі, правила їх формування та часова залежність між ними називаються інтерфейсом магістралі. Очевидно, що для успішної співпраці всіх модулів в комп’ютерній системі, останні повинні функціонувати за правилами магістралі, тобто мати єдиний інтерфейс.

Архітектурою ПК називають його опис на деякому загальному рівні, що включає опис системи команд, системи адресації, організації пам'яті і т. д. Архітектура визначає принципи дії, інформаційні зв'язки і взаємодію головних пристроїв ПК: процесора, внутрішньої, зовнішньої пам'яті та периферійних пристроїв. Уніфікація архітектури ПК забезпечує їх сумісність з точки зору користувача.

2. Характеристика процесорів.

Процесор є модулем, призначенням якого є виконання розміщеної в пам’яті комп’ютера програми та управління іншими компонентами системи. Схема процесора здатна виконувати обмежену кількість відповідним чином закодованих команд, що в сукупності становлять його операційний ресурс. Операційний ресурс сучасних процесорів становить 100 – 400 команд і містить команди обміну даними, команди арифметичних операцій, команди порозрядних логічних операцій, команди зсувів та ін.

Характеристика МП:

розрядність (біт);

тактова частота (Гц);

кількість ядер;

розмір кешу (Мб).

Розрядність показує, скільки двійкових розрядів (бітів) інформації обробляється (або передається) за один такт, а також скільки двійкових розрядів може бути використано у МП для адресації оперативної пам'яті, передачі даних та ін. Тактова частота вказує, скільки елементарних операцій (тактів) МП виконує за секунду, вимірюється в мегагерцах (1 МГц = 1000000 Гц). Вона є лише відносним показником продуктивності МП. Через архітектурні відмінності МП у деяких з них за один такт виконується робота, на яку інші витрачають кілька тактів. Важливими характеристиками сучасних МП, що впливають на їхню продуктивність, є об'єм і швидкість функціонування вмонтованої кеш-пам'яті. Річ у тім, що сучасні МП «обганяють» за тактовою частотою інші елементи комп'ютера. Найпринциповішим є те, що тактова частота МП у кілька разів вища, ніж частота синхронізації системної шини, по якій відбувається обмін інформацією з відносно повільним оперативним запам'ятовувальним пристроєм (ОЗП). Без внутрішньої кеш-пам'яті (що має особливо високу швидкодію) МП часто працював би вхолосту, чекаючи чергової інструкції з ОЗП або закінчення операції запису в пам'ять. Джерело безперебійного живлення — пристрій, призначений для захисту комп'ютера від стрибків напруги або відключення електроенергії. Для надійної роботи комп'ютера йому необхідно постійне енергоживлення.

Мікропроцесор координує роботу всіх пристроїв цифрової системи за допомогою шини керування (ШК). Крім ШУ є 16-розрядна адресна шина (ША), яка служить для вибору визначеної комірки пам'яті, порту введення або порту виводу. За 8-розрядної інформаційній шині або шині даних (ШД) здійснюється двунаправленная пересилання даних до мікропроцесора і від мікропроцесора. Важливо відзначити, що МП може посилати інформацію в пам'ять мікроЕОМ або до одного з портів виведення, а також отримувати інформацію з пам'яті або від одного з портів вводу.  Постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ) в мікроЕОМ містить деяку програму (на практиці програму ініціалізації ЕОМ). Програми можуть бути завантажені в запам'ятовуючий пристрій з довільною вибіркою (ЗУПВ) і з зовнішнього запам'ятовуючого пристрою (ВЗУ). Це програми користувача. 

Під архітектурою процесора розуміється його програмна модель, тобто властивості, які є доступними програмно. Під мікроархітектурою розуміється внутрішня реалізація цієї програмної моделі. Для однієї і тієї ж архітектури (IntelArchitecture 32 bit, IA-32) різними фірмами і у різних поколіннях застосовуються принципово різні мікроархітектурні реалізації.

У мікроархітектурі процесорів 5-го і 6-го поколінь – Pentium, PentiumPro, PentiumMMX, PentiumII – суттєве значення має реалізація різних способів конвеєризації і розпаралелювання обчислювальних процесів, а також інших технологій, не притаманних процесорам попередніх поколінь.

Існуючі на даний час процесорні архітектури поділяються на 2 глобальні категорії – RISC і CISC.

Покоління процесорів x86

Сімейство x86 нараховує 7 поколінь процесорів:

Перше покоління (процесори 8086, 8080 і математичний сопроцесор 8087) заклало архітектурну основу – набір нерівноправних 16-розрядних регістрів, сегментну систему адресації пам’яті у межах 1Мбайт з великим різноманіттям режимів, систему команд, систему переривань та ін. В процесорах застосовувалась „мала" конвеєризація – поки одні вузли виконували поточну інструкцію, блок попередньої вибірки вибирав з пам’яті наступну. На виконання інструкції було потрібно в середньому 12 тактів процесорного ядра.

Друге покоління (80286 із сопроцесором 80287) принесло захищений режим, що дозволяє задіяти віртуальну пам’ять розміром до 1Гбайт для кожної задачі, користуючись адресованою фізичною пам’яттю у межах 16Мбайт. Захищений режим є основою для побудови багатозадачних операційних систем, в яких жорстко регламентуються взаємовідношення задач з пам’яттю. На виконання інструкції – в середньому 4,5 тактів.

Третє покоління (386/387 DX і SX) – перехід до 32-розрядної архітектури IA-32. Збільшився об’єм адресованої пам’яті (до 4Гбайт реальної, 64Тбайт віртуальної). В систему команд введено можливість переключення розрядності адресації і даних. На виконання інструкції – ті самі 4,5 тактів, але тактова частота досягла 40МГц.

Четверте покоління (486 DX і SX) у видиму архітектурну модель великих змін не внесло, але було прийнято ряд заходів для збільшення продуктивності. Значно ускладнений виконавчий конвеєр – основні операції виконує RISC-ядро, „завдання" для якого готуються з вхідних CISC-інструкцій. На виконання інструкції – в середньому 2 такти. Введено швидкодіючий первинний кеш об’ємом 8-16Кбайт. Відмовились від зовнішнього математичного сопроцесора: тепер він розміщується на одному кристалі з центральним (FPU – Floating-Point Unit), або відсутній взагалі. Тактова частота досягла 100МГц (Intel) і 133МГц (AMD).

П’яте покоління (IntelPentium, AMDK5) привнесло суперскалярну архітектуру. Після блоків попередньої вибірки і першої стадії декодування інструкцій є два конвеєра, U-конвеєр і V-конвеєр. Кожен з них має ступіні кінцевого декодування, виконання інструкцій і буфер запису результатів. На виконання інструкції – в середньому 1 такт. Застосовується блок передбачення розгалужень. Для швидкого забезпечення конвеєрів інструкціями і даними з пам’яті шина даних процесорів є 64-розрядною. З’являється розширення MMX (Multimedia Extensions), яке застосовує принцип SIMD: одна інструкція виконує дії одразу з декількома (2, 4 або 8) комплектами операндів.

Шосте покоління процесорів Intel (мікроархітектура P6: PentiumPro, PentiumII, PentiumIII, Celeron, Xeon). Характерна риса – динамічне виконання, під котрим розуміється виконання інструкцій не в тому порядку (out of order), як передбачено програмним кодом, а в тому, як „зручно" процесору. Інструкції, які поступають на конвеєр, розбиваються на мікрооперації μ-ops, які надалі виконуються суперскалярним процесорним ядром у порядку, зручному процесору. Результати „невпорядкованого" виконання операції збираються в упорядкувальному буфері та в коректному порядку записуються в пам’ять (і порти в/в). Застосовується апаратне перейменування регістрів. Реалізовано виконання по припущенню. Середня кількість тактів на інструкцію (PentiumPro) скоротилося до 0,5. Введено подвійну незалежну шину (DIB), яка зв’язує процесор із вторинним кешем, що знаходиться в одній упаковці з процесором. AMD у своїх процесорах 6-го покоління (K6) реалізувала невпорядковане виконання, а подвійна шина з’явилася лише в K6-III. Шосте покоління отримало потокове розширення 3DNow! (AMD) і SSE – Streaming SIMD Extension (Intel).

Сьоме покоління (у AMD) почалося з процесора Athlon, в якому суперскалярність і суперконвеєрність охопили блок FPU. Intel розпочала 7 покоління процесором Pentium4