Budowa i zasada działania komputera. dr Artur Bartoszewski

Podobne dokumenty
Architektura systemów komputerowych. dr Artur Bartoszewski

Architektura systemów komputerowych

Architektura systemów komputerowych. dr Artur Bartoszewski

LEKCJA TEMAT: Współczesne procesory.

Procesory. Schemat budowy procesora

Wykład I. Podstawowe pojęcia. Studia Podyplomowe INFORMATYKA Architektura komputerów

Wykład III. Procesor. Studia Podyplomowe INFORMATYKA Architektura komputerów

Architektura systemów komputerowych. dr Artur Bartoszewski

Organizacja typowego mikroprocesora

Budowa Mikrokomputera

Układ sterowania, magistrale i organizacja pamięci. Dariusz Chaberski

Spis treúci. Księgarnia PWN: Krzysztof Wojtuszkiewicz - Urządzenia techniki komputerowej. Cz. 1. Przedmowa Wstęp... 11

Budowa komputera Komputer computer computare

ARCHITEKTURA PROCESORA,

LEKCJA TEMAT: Zasada działania komputera.

Budowa komputera. Magistrala. Procesor Pamięć Układy I/O

Budowa komputera. Magistrala. Procesor Pamięć Układy I/O

Sprzęt komputerowy 2. Autor prezentacji: 1 prof. dr hab. Maria Hilczer

Architektura komputerów

Logiczny model komputera i działanie procesora. Część 1.

Architektura komputera. Cezary Bolek. Uniwersytet Łódzki. Wydział Zarządzania. Katedra Informatyki. System komputerowy

Architektura systemów komputerowych. dr Artur Bartoszewski

MOŻLIWOŚCI PROGRAMOWE MIKROPROCESORÓW

Wstęp do informatyki. System komputerowy. Magistrala systemowa. Architektura komputera. Cezary Bolek

Mikroprocesor Operacje wejścia / wyjścia

Podstawy techniki cyfrowej Mikroprocesory. Mgr inż. Bogdan Pietrzak ZSR CKP Świdwin

Architektura komputera

Wykład Mikroprocesory i kontrolery

dr inż. Rafał Klaus Zajęcia finansowane z projektu "Rozwój i doskonalenie kształcenia i ich zastosowań w przemyśle" POKL

Systemy operacyjne i sieci komputerowe Szymon Wilk Superkomputery 1

Magistrala systemowa (System Bus)

UTK ARCHITEKTURA PROCESORÓW 80386/ Budowa procesora Struktura wewnętrzna logiczna procesora 80386

Mikroprocesory rodziny INTEL 80x86

UTK Można stwierdzić, że wszystkie działania i operacje zachodzące w systemie są sterowane bądź inicjowane przez mikroprocesor.

Struktura i działanie jednostki centralnej

MIKROKONTROLERY I MIKROPROCESORY

Programowanie Niskopoziomowe

Sprzęt komputerowy 2. Autor prezentacji: 1 prof. dr hab. Maria Hilczer

Architektura komputerów

UKŁADY MIKROPROGRAMOWALNE

Budowa komputera. Lubię to! - podręcznik

Architektura komputerów

Projektowanie. Projektowanie mikroprocesorów

Wprowadzenie. Dariusz Wawrzyniak. Miejsce, rola i zadania systemu operacyjnego w oprogramowaniu komputera

Wprowadzenie do informatyki i użytkowania komputerów. Kodowanie informacji System komputerowy

Wprowadzenie. Dariusz Wawrzyniak. Miejsce, rola i zadania systemu operacyjnego w oprogramowaniu komputera

architektura komputerów w. 4 Realizacja sterowania

Systemy operacyjne. Wprowadzenie. Wykład prowadzą: Jerzy Brzeziński Dariusz Wawrzyniak

Opracował: Jan Front

Podstawy działania układów cyfrowych...2 Systemy liczbowe...2 Kodowanie informacji...3 Informacja cyfrowa...4 Bramki logiczne...

Architektura Systemów Komputerowych. Rozwój architektury komputerów klasy PC

Architektura komputerów. Komputer Procesor Mikroprocesor koncepcja Johna von Neumanna

Architektura mikroprocesorów z rdzeniem ColdFire

Uniwersytet w Białymstoku Wydział Ekonomiczno-Informatyczny w Wilnie SYLLABUS na rok akademicki 2010/2011

Systemy operacyjne. wykład dr Marcin Czarnota laboratorium mgr Radosław Maj

Spis treœci. Co to jest mikrokontroler? Kody i liczby stosowane w systemach komputerowych. Podstawowe elementy logiczne

Technika mikroprocesorowa. Linia rozwojowa procesorów firmy Intel w latach

Przetwarzanie potokowe pipelining

Architektura komputera. Dane i rozkazy przechowywane są w tej samej pamięci umożliwiającej zapis i odczyt

Wykład I. Podstawowe pojęcia. Studia stacjonarne Pedagogika Budowa i zasada działania komputera

Pośredniczy we współpracy pomiędzy procesorem a urządzeniem we/wy. W szczególności do jego zadań należy:

Architektura systemów komputerowych. Przetwarzanie potokowe I

Architektura komputerów

PAMIĘCI. Część 1. Przygotował: Ryszard Kijanka

Podstawy Techniki Mikroprocesorowej

Architektura von Neumanna. Jak zbudowany jest współczesny komputer? Schemat architektury typowego PC-ta. Architektura PC wersja techniczna

organizacja procesora 8086

Podstawy Informatyki Układ sterujący

System mikroprocesorowy i peryferia. Dariusz Chaberski

Architektura mikroprocesorów TEO 2009/2010

dr inż. Jarosław Forenc

dr inż. Jarosław Forenc Dotyczy jednostek operacyjnych i ich połączeń stanowiących realizację specyfikacji typu architektury

Architektura komputerów egzamin końcowy

PROGRAMOWALNE STEROWNIKI LOGICZNE

drklaus 1 Model funkcjonalny komputera struktura, funkcje, komputer dr inż. Rafał KLAUS STRUKTURA I DZIAŁANIE KOMPUTERA

WPROWADZENIE Mikrosterownik mikrokontrolery

RDZEŃ x86 x86 rodzina architektur (modeli programowych) procesorów firmy Intel, należących do kategorii CISC, stosowana w komputerach PC,

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

Przykładowe pytania DSP 1

Podstawy Informatyki JA-L i Pamięci

4.2. Współczesne generacje procesorów

dr inż. Jarosław Forenc

Układ wykonawczy, instrukcje i adresowanie. Dariusz Chaberski

dr inż. Konrad Sobolewski Politechnika Warszawska Informatyka 1

dr hab. Joanna Jędrzejowicz Podstawy informatyki i komputeryzacji Gdańska Wyższa Szkoła Humanistyczna

Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Architektura systemów komputerowych. dr Artur Bartoszewski

BUDOWA I DZIAŁANIE MIKROPROCESORA

Wykład I. Podstawowe pojęcia. Studia stacjonarne inżynierskie, kierunek INFORMATYKA Architektura systemów komputerowych

Liczniki, rejestry lab. 08 Mikrokontrolery WSTĘP

Architektura komputerów

Wykład I: Kodowanie liczb w systemach binarnych. Studia Podyplomowe INFORMATYKA Podstawy Informatyki

Politechnika Gdańska. Gdańsk, 2016

Automatyka przemysłowa na wybranych obiektach. mgr inż. Artur Jurneczko PROCOM SYSTEM S.A., ul. Stargardzka 8a, Wrocław

Urządzenia zewnętrzne

Programowanie sterowników PLC wprowadzenie

Podstawy Informatyki Systemy sterowane przepływem argumentów

Technika mikroprocesorowa I Wykład 1

Architektura systemów komputerowych. dr Artur Bartoszewski

Transkrypt:

Budowa i zasada działania komputera 1 dr Artur Bartoszewski

Jednostka arytmetyczno-logiczna 2

Pojęcie systemu mikroprocesorowego Układ cyfrowy: Układy cyfrowe służą do przetwarzania informacji. Do układu podajemy dane. Układ wykonuje na danych określone operacje. Układ zwraca wyniki. Układ cyfrowy to nie to samo co procesor czy nawet ALU. Pojęcie Układu cyfrowego obejmuje każde urządzenie elektroniki, i automatyki spełniające powyższe funkcje. 3

Jednostka arytmetyczno-logiczna 4

Jednostka arytmetyczno-logiczna Najważniejszym elementem procesora jest ALU jednostka arytmetyczno-logiczna (ang. Arithmetic Logic Unit) nazywana też niekiedy arytmometrem. Jest to uniwersalny układ cyfrowy w którym wykonywane są operacje arytmetyczne (dodawanie, odejmowanie, dzielenie, mnożenie) oraz logiczne na dostarczanych do niego liczbach. Dane pobierane są z pamięci operacyjnej lub rejestrów, a o tym, jaka operacja zostanie na nich wykonana decydują sygnały sterujące. 5

Jednostka arytmetyczno-logiczna Zestaw operacji ALU powinien być funkcjonalnie pełny, tzn. taki za pomocą którego jesteśmy w stanie zrealizować dowolny algorytm przetwarzania informacji. Każda lista rozkazów zawiera kilka grup działań występujących w różnych wersjach niemal w każdym komputerze są to: przesłania, działania arytmetyczne, działania logiczne, przesunięcia, sterowanie przebiegiem programu, przesłania wejścia-wyjścia, działania zmiennopozycyjne, działania na argumentach upakowanych. 6

Lista rozkazów 7

Lista rozkazów Każdy rozkaz składa się z kilku pól. Jedno z nich występuje zawsze i nosi nawę pola kodu operacji. Kod ten definiuje funkcję rozkazu, czyli czynności jakie należy wykonać. Pozostałe pola zawierają argumenty operacji. Liczba tych pól zależy od rodzaju operacji, jakiej odpowiada rozkaz. W rozkazach bez argumentów pola dodatkowe nie występują. 8

Lista rozkazów Definicja: Rozkazem nazywamy najprostszą operacje w programowaniu, taką której wykonania program może zażądać od procesora Definicja: Lista rozkazów to pełny zestaw instrukcji maszynowych jakie może wykonać procesor 9

Cykl rozkazowy procesora Cykl rozkazowy procesora obejmuje dwie powtarzające się czynności: 10

Procesor 11

Systemu mikroprocesorowy Zadaniem CPU oprócz przetwarzania informacji jest także sterowanie pracą pozostałych układów systemu. Wszystkie działania i operacje w systemie są sterowane lub zainicjowane przez procesor. Rodzaj tych działań uzależniony jest od ciągu instrukcji dostarczonych do mikroprocesora nazywanych programem. Tak więc, każde działanie wykonane przez system jest wynikiem działania programu lub jego fragmentu. Program musi być przechowywany w pamięci o krótkim czasie dostępu i dostępie swobodnym (pamięć półprzewodnikowa). Pamięci masowa nie nadają się - mają zbyt długi czas dostępu i dostęp sekwencyjny. 12

Schemat blokowy mikroprocesora 13

Schemat blokowy mikroprocesora W procesorze są dwie części różniące się pełnionymi funkcjami BLOK STERUJĄCY ( CU, control unit) BLOK WYKONAWCZY (EU execution unit) 14

Schemat blokowy mikroprocesora Jednostkę arytmetyczno-logiczną wraz z zespołem rejestrów nazywamy blokiem wykonawczym procesora. ALU można wyobrazić sobie, jako zestaw wielu prostych układów elektroniki cyfrowej, z których każdy wykonuje pojedynczą operację arytmetyczną lub logiczną. Sygnały sterujące uaktywniają taką kombinację tych układów, która jest potrzebna w danej chwili, do wykonania aktualnie przetwarzanego rozkazu lub jego części. Zmiana sygnałów sterujących powoduje uaktywnienie nowej kombinacji układów i przełączenie się ALU inna operację. 15

Rejestry procesora dostępne programowo AX Akumulator Zawiera jeden z operandów działania i do niego przekazywany jest wynik BX,CX,DX,EX,HX,LX rejestry robocze (uniwersalne) SP - wskaźnik stosu F - rejestr znaczników PC - licznik rozkazów 16

Schemat blokowy mikroprocesora Przetwarzaniem poleceń programu rozkazów asemblera dla danego procesora na wewnętrzne sygnały sterujące zajmuje się blok sterujący. W jego skład wchodzą: rejestr rozkazów (IR), w którym przechowywany jest kod aktualnie wykonywanego rozkazu; dekoder rozkazów, którego zadaniem jest rozpoznanie pobranego z pamięci operacyjnej rozkazu i wygenerowanie na jego podstawie sekwencji sygnałów sterujących dla ALU oraz pozostałych podzespołów procesora; pamięć ROM zawierająca słownik rozkazów (nie należy mulić z pamięcią ROM umieszczoną na płycie głównej). 17

Schemat blokowy mikroprocesora Zadaniem części sterującej jest pobieranie rozkazów z pamięci, dekodowanie ich, przygotowanie argumentów i generowanie sygnałów sterujących mikrooperacjami w fazie wykonania. Układ sterujący może być zrealizowany na dwa sposoby - jako sterowanie mikroukładowe (hardwired control) lub sterowanie mikroprogramowane (micropwgrammed control). 18

Zasada przetwarzania potokowego Cykl rozkazowy składa się z fazy pobrania i wykonania rozkazu 19

Zasada przetwarzania potokowego (ang. Pipelining) Jeżeli w procesorze wydzielić dwa stanowiska obsługi" - jedno dla pobierania rozkazów, a drugie dla ich wykonywania, wówczas można równocześnie realizować obie fazy cyklu rozkazowego - pobieranie następnego rozkazu odbywa się w czasie, gdy jest wykonywany rozkaz poprzedni. Takie działanie, analogiczne do obróbki na taśmie produkcyjnej, nazywa się przetwarzaniem potokowym. 20

Dwustopniowy potok rozkazów Dzięki temu uzyskuje się dwukrotne skrócenie czasu kończenia kolejnych rozkazów (uzyskiwania wyników), mimo że sumaryczny czas cyklu pozostaje niezmieniony. 21

Zasoby pamięciowe komputera Pamięć CACHE 22

Zasoby pamięciowe komputera System zarządzania pamięcią zapewnia dostęp procesora do tych różnorodnych zasobów w sposób niewidoczny dla programu użytkowego. Zadanie to jest realizowane sprzętowo na poziomie pamięci cache i programowo - przez system operacyjny - na poziomie pamięci wirtualnej. W obu przypadkach obowiązuje ta sama koncepcja: niewielki fragment pamięci wyższego poziomu jest w miarę potrzeby kopiowany do pamięci niższego poziomu, bliższego procesora. 23

Zasoby pamięciowe komputera 24

Poziomy pamięci cache Pamięci podręczne - obecnie w procesorach spotyka się pamięci cache wielopoziomowe: poziom pierwszy (L1), zintegrowany z procesorem, stanowią osobne pamięci rozkazów (l-cache) i danych (D-cache), poziom drugi (L2) zajmuje większa i wolniejsza wspólna pamięć również umieszczona w module procesora, trzeci poziom cache (L3) można dołączyć w osobnym module. 25

Organizacja pamięci CHAHE CPU CACHE L1 CACHE L2 CACHE L3 RAM Granice kości krzemowej procesora 26

Pamięć CACHE CACHE zewnętrzny CACHE wbudowany 27

Procesory wuelordzeniowe 28

Procesory logiczne technologia HT Rejestry Rejestry Aparat wykonawczy (ALU) Pamięć podręczna (CACHE) Magistrala systemowa Pamięć operacyjna (RAM) Hyper-Treading (HT) procesor posiada dwa zestawy rejestrów dzięki czemu emuluje obecność dwóch układów nazywanych procesorami logicznymi WAŻNE: program widzi procesor jako zestaw rejestrów. 29

Procesory fizyczne - rdzenie Rejestry Rejestry Rejestry Rejestry Aparat wykonawczy Aparat wykonawczy Aparat wykonawczy Aparat wykonawczy Pamięć podręczna (CACHE) CACHE CACHE Magistrala systemowa Magistrala systemowa Pamięć operacyjna (RAM) Pamięć operacyjna (RAM) 30

Procesory fizyczne - rdzenie W praktyce spotykam też hybrydę dwu powyższych schematów. W procesorze Intel Core i7 każdy z rdzeni posiada własną pamięć podręczną poziomów L1 i L2, natomiast pamięć poziomu L3 jest wspólna. L2 L2 L2 L2 Źródło: http://nvision.pl/img/art/procesory/intel_core_i7/intel_core_i7-2.jpg 31

Procesory fizyczne rdzenie + HT Rejestry Aparat wykonawczy CACHE L2 Rejestry Rejestry Rejestry CACHE L3 Aparat wykonawczy CACHE L2 Magistrala systemowa Pamięć operacyjna (RAM) W najnowszych procesorach (Core i7) dla każdego z fizycznych rdzeni zastosowano technologię Hyper- Treading. Oznacza to, że każdy rdzeń widziany jest jako dwa procesory logiczne i może robić dwie rzeczy naraz, np. czterordzeniowy procesor Core i7 może wykonywać 8 wątków jednocześnie. 32

Ile rdzeni? 33

Dziękuję za uwagę 34