лекции / лекция _1

Лекция №1

Архитектура персонального компьютера

Архитектура ЭВМ – это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию.

В состав ЭВМ входит центральный процессор (ЦП), внешняя и оперативная память, устройство ввода – вывода информации.

Функционирование ЭВМ осуществляется с помощью машинного языка.

Машинный язык – это комбинации строго организованных последовательностей 0 и 1. Машинный язык полностью отражает все архитектурные особенности конкретного типа ЭВМ. Это значит, что у каждого компьютера свой язык (машинный язык индивидуален для каждого семейства ЭВМ). Для того, чтобы эффективно использовать все возможности компьютера применяют символический аналог машинный язык, т.е. язык ассемблера. В отличие от языка высокого уровня язык ассемблера для каждой конкретной машины свой.

МП состоит:

1. Операционного устройства:

2. Шинного интерфейса.

Операционное устройство включает в себя:

1. Устройство микропрограммного управления;

2. Регистры микропроцессора (кроме сегментных);

3. АЛУ.

Эти устройства обеспечивают выполнение команд, арифметические вычисления и

логические операции.

Шинный интерфейс подготавливает команды и данные к выполнению (управляет передачей данных на операционное устройство, в память и на внешние устройства). Она включает в себя:

• блок управления шиной;

• очередь команд (конвейер),

• сегментные регистры (управляют адресацией памяти).

Важный элемент архитектуры ЭВМ является конвейер – специальное устройство, реализующее метод обработки команд внутри МП, при котором исполнение команды разбивается на несколько этапов. I486 имеет пятиступенчатый конвейер, этапы которого включают:

• выборку команды из кэш памяти или оперативной памяти;

• декодирование команды;

• генерацию адреса, при которой определяются адреса операндов памяти;

• выполнение операции с помощью АЛУ;

• запись результата.

Преимущество: в этом случае на конвейере могут находиться пять команд в различной стадии, что увеличивает скорость вычислений.

Принцип функционирования схемы.

Устройство ШИ обращается к оперативной памяти системы через внешнюю системную шину. Считываемые по запросу данные помещаются в кэш второго уровня. Устройство шинного интерфейса взаимодействует с кэшем второго уровня через 64-разрядную шину кэша, которая ориентирована на обработку запросов и работает на тактовой частоте процессора. Доступ к кэшу первого уровня осуществляется через внутренние шины на тактовой частоте МП.

Затем устройство выборки/декодирования читает поток команд из кэша команд и декодирует их в последовательность микроопераций, который поступает в буфер команд. Устройство выборки извлекает одну 32-байтную строку кэша команд за такт и передает ее в декодер. Декодер преобразует команды МП в микрооперации. Микрооперации представляют собой примитивные команды, которые выполняются пятью исполнительными устройствами МП, работающими параллельно. К ним относятся:

- целочисленное устройство;

• ММХ – расширение целочисленного устройства (программно-аппаратное решение, дополняющее архитектуру МП новыми свойствами).

• Сопроцессор;

• ММХ – расширение сопроцессора;

• Устройство связи с памятью.

ММХ-расширение предназначено для поддержки приложений, ориентированных на работу с большими массивами данных, над которыми выполняются одинаковые операции. С данными такого типа работают мультимедийные, графические программы. (MultiMedia eXtention)

Информация о последовательности микроопераций для реализации конкретной машинной команды содержится в блоке микропрограммного управления.

Буфер команд – содержит команды, переупорядоченные для оптимальной загрузки конвейера.

Устройство диспетчеризации/исполнения содержит буфер микроопераций, готовых к исполнению и пять исполнительных устройств. Он планирует и исполняет неупорядоченную последовательность микроопераций из буфера переупорядоченных команд.

Блок удаления и восстановления. Его задачей является возврат вычислительного процесса в рамки, определенные исходной последовательностью команд. Для этого он постоянно сканирует буфер переупорядоченных команд на предмет обнаружения полностью выполненных микроопераций, не имеющих связей с другими микрооперациями, которые удаляются из буфера переупорядоченных команд, восстанавливаются в порядке, соответствующем порядку команд исходной программы. При восстановлении команд в порядок, соответствующий исходному, блок удаления и восстановления записывает результаты в реальные регистры микропроцессора и в оперативную память.

Программная модель микропроцессора Intel (Pentium III)

Регистры общего назначения

целочисленного устройства

Структурная схема персонального компьютера