LEKCJA TEMAT: Zasada działania komputera.

Transkrypt

1 LEKCJA TEMAT: Zasada działania komputera. 1. Ogólna budowa komputera Rys. Ogólna budowa komputera. 2. Komputer składa się z czterech głównych składników: procesor (jednostka centralna, CPU) steruje działaniem komputera i realizuje funkcje przetwarzania danych; pamięć operacyjna pamięć bezpośrednio połączona z procesorem, przechowuje dane i program; urządzenia zewn. (urządzenia wejścia/wyjścia) np. klawiatura, monitor, drukarka, dysk, CD, DVD, etc. np. klawiatura, monitor, drukarka, dysk, CD, DVD, etc. Komunikacja między procesorem a tymi urządzeniami odbywa się za pośrednictwem sterowników; magistrala systemowa - połączenia systemu; wszystkie mechanizmy zapewniające komunikację między jednostką centralną, pamięcią operacyjną a urządzeniami zewnętrznymi. 3. Architektura von Neumanna to rodzaj architektury komputera, przedstawionej po raz pierwszy w 1945 roku komputera, przez von Neumanna, a stworzonej wspólnie z W. Mauchly ym i Johnem Presper Eckertem. Architektura von Neumana polega na ścisłym podziale komputera na trzy podstawowe części: procesor (w ramach którego wydzielona bywa część sterująca oraz część arytmetyczno-logiczna); pamięć komputera (zawierająca dane i sam program); urządzenia wejścia/ wyjścia; 4. Charakterystyka systemu komputerowego zbudowanego w oparciu o architekturę von Neumanna: skończona i funkcjonalnie pełna lista rozkazów; możliwość wprowadzenia programu do systemu poprzez urządzenia zewnętrzne i jego przechowywanie w pamięci operacyjnej w sposób identyczny jak danych; pamięć operacyjna składa się z pewnej liczby ponumerowanych komórek (numer nazywamy adresem);

2 dostęp do pamięci następuje poprzez podanie przez procesor numer komórki; informacja jest przetwarzana dzięki sekwencyjnemu odczytywaniu instrukcji z pamięci operacyjnej komputera i wykonywanie tych instrukcji w procesorze; Założenia architektury von Neumana pozwalają na przełączanie się systemu komputerowego z wykonania jednego zadania (programu) na inne bez fizycznej ingerencji w strukturę systemu, co gwarantuje jego uniwersalność. 5. Schemat logiczny komputera Ogólnie komputer składa się z procesora, pamięci wewnętrznej oraz połączonych za pomocą magistrali urządzeń peryferyjnych, czyli zewnętrznych urządzeń wejścia i wyjścia. Rys. Schemat logiczny komputera Procesor - stanowi główny podzespół komputera, ponieważ jest odpowiedzialny za przetwarzanie informacji. Składa się z układów sterujących, arytmometru oraz zespołu rejestrów. Układy sterujące - odpowiadają za dostarczanie arytmometrowi danych do obliczeń z pamięci operacyjnej, przekazywanie wyników obliczeń z powrotem do pamięci oraz właściwą kolejność przetwarzania. Arytmometr - jest jednostką, w której odbywają się wszystkie obliczenia realizowane przez komputer, zarówno arytmetyczne, jak i logiczne na liczbach binarnych. Rejestry - przechowują adresy wybranych miejsc pamięci operacyjnej oraz dane i wyniki obliczeń. W określonym rejestrze, zwanym licznikiem rozkazów, jest umieszczany adres miejsca w pamięci wewnętrznej, zawierającego bieżący rozkaz dla procesora. Praca procesora odbywa się w tzw. Cyklach rozkazowych. Pamięć wewnętrzna - składa się z pamięci stałej ROM i operacyjnej RAM. W pamięci ROM zapisuje informacje o konfiguracji sprzętowej, programy rozpoczynające pierwszą fazę pracy komputera oraz programy diagnostyczne. Do pamięci ROM nie można zapisywać danych, można jedynie je odczytać, są przechowywane informacje będące obiektem bieżącego przetwarzania. Pamięć RAM jest pamięcią lotną, jej zawartość znika po wyłączeniu komputera.

3 Magistrala - jest zbiorem przewodów elektrycznych oraz specjalnych gniazd połączonych ze sobą równolegle, tak aby była możliwość przesyłania danych, adresów, sygnałów sterujących pomiędzy procesorem, pamięcią wewnętrzną i urządzeniami peryferyjnymi komputera. Magistrala składa się z szyny sygnałów sterujących, szyny danych i szyny adresowej. Cykl pracy magistrali odbywa się w taktach zegarowych, z tym że zwykle częstotliwość pracy magistrali jest kilka razy mniejsza od częstotliwości pracy procesora. Powoduje to zmniejszenie efektywności pracy całego systemu komputerowego. Urządzenia wejścia i wyjścia - podczas operacji wejścia/wyjścia zachodzi wymiana informacji pomiędzy pamięcią operacyjną systemu mikroprocesorowego a urządzeniami peryferyjnymi. Operacje te mogą być realizowane dwoma sposobami: pod nadzorem procesora lub z bezpośrednim dostępem do pamięci. 6. System mikroprocesorowy Układy cyfrowe służą do przetwarzania informacji. Przetwarzanie informacji polega na dostarczeniu do układu bądź systemu danych poddawanych określonym działaniom, dzięki którym otrzymuje się wynik (praca pewnych urządzeń, obraz, tekst itd.). Jedną z ważniejszych części systemu mikroprocesorowego jest uniwersalny układ przetwarzający informację, czyli procesor. Procesor przetwarza informacje, wykonując na niej elementarne operacje zwane instrukcjami maszynowymi (rozkazami). Ciąg takich instrukcji realizujący konkretne zadanie przetwarzania informacji nazywa się programem. Do systemu mikroprocesorowego muszą być również dostarczone oprogramowanie (software). W przypadku systemu mikroprocesorowego sposób przetwarzania informacji jest określony głównie przez oprogramowanie. Rys. Przetwarzanie informacji za pomocą systemu mikroprocesorowego. 7. Architektura Architektura z Princeton - dane jak i program są przechowywane w tym samym bloku pamięci, z którym procesor komunikuje się jedną i tą samą magistralą. Rys. Architektura PAO z Princeton Architektura harwardzka - pamięć operacyjna jest tworzona z dwóch bloków pamięci zwanych pamięcią programu i pamięcią danych. Pierwszy przechowuje wyłącznie

4 program, w drugim zapisywane są dane, na których operuje program. Procesor może komunikować się z wymienionymi blokami pamięci osobnymi magistralami. Rys. Harwardzka architektura PAO Architektura harwardzka ma zastosowanie w komputerach klasy PC (od pojawienia się procesora Pentium). Powoduje to możliwość równoległego wykonywania operacji, a więc szybszą pracę procesora. 8. Magistrale Wszystkie bloki wymieniają informację i współpracują ze sobą używając wspólnych dróg przesyłania informacji zwanych magistralami. W systemie występują trzy podstawowe rodzaje magistral: magistrala danych - zadaniem jest przesyłaniem danych, wyników oraz kodów instrukcji. Jest to magistrala dwu kierunkowa. magistrala adresowa przesyłane są adresy komórek pamięci lub układów wej/wyj z którymi chce się komunikować mikroprocesor. Jest to magistrala jednokierunkowa, adresy są generowane przez mikroprocesor, natomiast trafiają do pamięci bądź do układów wej/wyj. magistrala sterująca (zestaw linii sterujących) służą do sterowania pracą układów współpracujących z mikroprocesorem oraz do sygnalizowania pewnych ich określonych stanów. Cykl pracy magistrali odbywa się w taktach zegarowych, z tym że zwykle częstotliwość pracy magistrali jest kilka razy mniejsza od częstotliwości pracy procesora. Powoduje to zmniejszenie efektywności pracy całego systemu komputerowego. 9. Urządzenia peryferyjne mogą służyć nie tylko do wprowadzania i wyprowadzania informacji (np. klawiatura, mysz, monitor, drukarka, ploter itp.), ale także do przechowywania informacji (np. pamięci dyskowe). Mogą też być układami wykonawczymi, komunikacyjnymi lub pomiarowymi. Urządzenia peryferyjne są dołączane do magistrali systemowej komputera za pośrednictwem odpowiednich układów wejścia-wyjścia. 10. Używanie układów wejścia-wyjścia wynika z następujących powodów: istnieją różnice w szybkości działania współpracujących urządzeń (zachodzi wówczas konieczność sterowania przepływem informacji), istnieją różnice w parametrach elektrycznych współpracujących układów (zachodzi konieczność translacji poziomów sygnałów), urządzenia wymagają podania informacji o określonym formacie wraz z pewnymi sygnałami sterującymi (np. sygnał video wraz z synchronizacją).

5 11. Układem wejścia-wyjścia nazywamy układ elektroniczny pośredniczący w wymianie informacji pomiędzy procesorem i pamięcią systemu z jednej strony a urządzeniem peryferyjnym z drugiej. Dla systemu mikroprocesorowego układ wejścia-wyjścia widoczny jest zwykle jako rejestr lub zespół rejestrów o określonych adresach oraz pewien zestaw sygnałów sterujących. Rys. Koncepcja komunikacji systemu mikroprocesorowego z urządzeniami peryferyjnymi. 12. Układy wejścia-wyjścia mogą być przeznaczone do współpracy z konkretnym urządzeniem peryferyjnym (np. sterownik dysku czy karta graficzna) lub mogą współpracować z wieloma urządzeniami (np. interfejs szeregowy RS 232C czy sterownik przerwań). 13. W zależności od sposobu komunikacji z systemem, a dokładniej od sposobu, w jaki wybierany jest układ wejścia-wyjścia, z którym system chce się komunikować, układy wejścia-wyjścia możemy podzielić na układy: współadresowalne z pamięcią operacyjną, izolowane. 14. W przypadku układów współadresowalnych z pamięcią operacyjną wybieramy obiekt, na którym dokonujemy operacji (komórka pamięci lub rejestr układu wejściawyjścia), za pomocą adresu. Sygnały sterujące są wspólne dla pamięci i układów wejścia-wyjścia. Rys. Układy wejścia/wyjścia współadresowalne z pamięcią operacyjną. Układy we/wy będzie posiadał wejście adresowe i wejście sterujące zapis/odczyt. Układy współadresowalne z pamięcią wymagają wydzielenia części przestrzeni adresowej pamięci dla adresów układów wejścia-wyjścia. Układy te i pamięć operacyjna są obsługiwane tymi samymi rozkazami (ze względu na wspólne sygnały sterujące wytwarzane w wyniku realizacji określonego rozkazu). 15. Dla izolowanych układów wejścia-wyjścia wybiera się obiekt, na którym dokonywana jest operacja (komórka pamięci lub rejestr układu wejścia-wyjścia), za pomocą

6 sygnałów sterujących. Przestrzenie adresowe pamięci i układów wejścia-wyjścia nie są rozdzielone. Rys. Układy wejścia/wyjścia izolowane.. W przypadku układów izolowanych sygnały sterujące dla pamięci i układów wejściawyjścia są rozdzielone. Przestrzeń adresowa układów wejścia-wyjścia i pamięci operacyjnej mogą się pokrywać, gdyż w przypadku jednakowego adresu sygnały sterujące decydują o tym, czy zostanie wykonana operacja na układzie wejściawyjścia, czy na komórce pamięci. Wymaga to oczywiście osobnych rozkazów obsługujących pamięć i osobnych rozkazów obsługujących układy wejścia-wyjścia. 16. We współczesnych komputerach obydwa rozwiązania są stosowane. Przykładem jest tu karta graficzna jako układ współadresowalny z pamięcią operacyjną i sterownik dysku twardego w standardzie IDE jako układ izolowany. 17. Operacjami wejścia-wyjścia nazywa się całokształt działań potrzebnych do realizacji wymiany informacji pomiędzy mikroprocesorem i pamięcią z jednej strony a układem wejścia-wyjścia z drugiej. 18. Operacje wejścia-wyjścia mogą być realizowane w dwojaki sposób: od początku do końca przy udziale procesora (z bezpośrednim sterowaniem przez procesor tzw. tryb PIO); wówczas informacja przepływa przez rejestry procesora, który także steruje każdym krokiem realizacji operacji, bez stałego udziału procesora (z pośrednim sterowaniem przez procesor tzw. tryb DMA); wówczas procesor inicjuje operacje, a następnie przekazuje sterowanie realizacją procesu innemu układowi (zarządcy magistrali).