Architektura systemów komputerowych

Podobne dokumenty
Architektura systemów komputerowych. dr Artur Bartoszewski

Budowa i zasada działania komputera. dr Artur Bartoszewski

LEKCJA TEMAT: Współczesne procesory.

Wykład III. Procesor. Studia Podyplomowe INFORMATYKA Architektura komputerów

Organizacja typowego mikroprocesora

Procesory. Schemat budowy procesora

Budowa Mikrokomputera

Budowa komputera Komputer computer computare

Wykład I. Podstawowe pojęcia. Studia Podyplomowe INFORMATYKA Architektura komputerów

Logiczny model komputera i działanie procesora. Część 1.

Układ sterowania, magistrale i organizacja pamięci. Dariusz Chaberski

LEKCJA TEMAT: Zasada działania komputera.

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

Podstawy Techniki Mikroprocesorowej

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

Układ wykonawczy, instrukcje i adresowanie. Dariusz Chaberski

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

Architektura komputerów

Systemy operacyjne i sieci komputerowe Szymon Wilk Superkomputery 1

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

Architektura mikroprocesorów TEO 2009/2010

Architektura komputerów

Projektowanie. Projektowanie mikroprocesorów

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

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

MIKROKONTROLERY I MIKROPROCESORY

Magistrala systemowa (System Bus)

Wprowadzenie do informatyki i użytkowania komputerów. Kodowanie informacji System komputerowy

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

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

Wydajność obliczeń a architektura procesorów. Krzysztof Banaś Obliczenia Wysokiej Wydajności 1

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

Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Budowa komputera. Magistrala. Procesor Pamięć Układy I/O

Budowa komputera. Magistrala. Procesor Pamięć Układy I/O

MOŻLIWOŚCI PROGRAMOWE MIKROPROCESORÓW

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

Mikroprocesor Operacje wejścia / wyjścia

Architektura Systemów Komputerowych. Jednostka ALU Przestrzeń adresowa Tryby adresowania

Architektura Systemów Komputerowych. Rozwój architektury komputerów klasy PC

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

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

Architektura komputera

ARCHITEKTURA PROCESORA,

Programowanie Niskopoziomowe

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

Architektura komputerów

Architektura Systemów Komputerowych

Architektura komputerów

UKŁADY MIKROPROGRAMOWALNE

Wykład Mikroprocesory i kontrolery

Struktura i działanie jednostki centralnej

Architektura systemów komputerowych. dr Artur Bartoszewski

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

Architektura mikroprocesorów z rdzeniem ColdFire

UTK jednostki wykonawczej EU (Ex ecution Unit), jednostki steruj c ej CU,

dr inż. Konrad Sobolewski Politechnika Warszawska Informatyka 1

architektura komputerów w. 4 Realizacja sterowania

WPROWADZENIE Mikrosterownik mikrokontrolery

Podstawy Informatyki Układ sterujący

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

Opracował: Jan Front

Podstawy Informatyki DMA - Układ bezpośredniego dostępu do pamięci

Język programowania: Lista instrukcji (IL Instruction List)

System mikroprocesorowy i peryferia. Dariusz Chaberski

Przykładowe pytania DSP 1

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

Sprzęt komputera - zespół układów wykonujących programy wprowadzone do pamięci komputera (ang. hardware) Oprogramowanie komputera - zespół programów

Architektura komputerów

Podstawy Informatyki Systemy sterowane przepływem argumentów

Zarządzanie pamięcią w systemie operacyjnym

Wydajność obliczeń a architektura procesorów

Podstawy techniki mikroprocesorowej. Dr inż. Grzegorz Kosobudzki p.311a A-5. Tel

Mikroprocesory rodziny INTEL 80x86

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

PAMIĘCI. Część 1. Przygotował: Ryszard Kijanka

Architektura komputerów. Komputer Procesor Mikroprocesor koncepcja Johna von Neumanna

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

Podstawy techniki cyfrowej i mikroprocesorowej - opis przedmiotu

Wstęp do informatyki. Architektura co to jest? Architektura Model komputera. Od układów logicznych do CPU. Automat skończony. Maszyny Turinga (1936)

Architektura potokowa RISC

Liczniki, rejestry lab. 08 Mikrokontrolery WSTĘP

dr inż. Jarosław Forenc

Urządzenia zewnętrzne

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

KARTA PRZEDMIOTU. Architektura Komputerów C4

Architektura systemów komputerowych. dr Artur Bartoszewski

Struktura i funkcjonowanie komputera pamięć komputerowa, hierarchia pamięci pamięć podręczna. System operacyjny. Zarządzanie procesami

Technika mikroprocesorowa. Linia rozwojowa procesorów firmy Intel w latach

Zapoznanie z technikami i narzędziami programistycznymi służącymi do tworzenia programów współbieżnych i obsługi współbieżności przez system.

Stronicowanie w systemie pamięci wirtualnej

Budowa systemów komputerowych

Architektura systemów komputerowych. Przetwarzanie potokowe I

Architektura komputerów II - opis przedmiotu

Technologie Informacyjne Wykład 3

Magistrala. Magistrala (ang. Bus) służy do przekazywania danych, adresów czy instrukcji sterujących w różne miejsca systemu komputerowego.

Procesor i jego architektura (CISC, RISC, 32/64 bity). Systemy wieloprocesorowe. wer Wojciech Myszka 16 pa«zdziernika 2008

SYSTEM MIKROPROCESOROWY

Transkrypt:

Studia stacjonarne inżynierskie, kierunek INFORMATYKA Architektura systemów komputerowych Architektura systemów komputerowych dr Artur Bartoszewski

Procesor część I 1. ALU 2. Cykl rozkazowy 3. Schemat blokowy CPU 4. Architektura CISC i RISC

Jednostka arytmetyczno-logiczna Definicja: Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU, ang Algebraic-Logic Unit) to uniwersalny układ cyfrowy przeznaczony do wykonywania operacji arytmetycznych i logicznych na dostarczonych do niej danych.

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. ALU nie posiada pamięci ani urządzeń umożliwiających współpracę z pamięcią RAM. Współpracuje z zestawem rejestrów.

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.

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.

Schemat blokowy mikroprocesora (I) ALU a mikroprocesor ALU Jednostka arytmetyczno logiczna; CU jednostka sterująca; Dek dekoder rozkazów IR rejestr rozkazów EU jednostka wykonawcza

Schemat blokowy mikroprocesora (I) W procesorze są dwie części różniące się pełnionymi funkcjami część sterująca ( CU, control unit) część wykonawcza (EU execution unit)

Schemat blokowy mikroprocesora (I) W procesorze są dwie części różniące się pełnionymi funkcjami część sterująca (CU, control unit) część wykonawcza (EU execution unit)

Rejestry procesora dostępne programowo Stos jest rodzajem pamięci (buforem) typu LIFO (ang. Last In First Out). Stos ma stały wymiar i położenie w pamięci. Konieczna jest więc tylko znajomość adresu pierwszej wolnej komórki stosu (wierzchołka stosu). Do tego służy rejestr SP - wskaźnik stosu. Stos wykorzystywany jest najczęściej do zapamiętania adresu bazowego programu przy wywołaniu podprogramu.

Schemat blokowy mikroprocesora (II)

Schemat blokowy mikroprocesora (II) 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 ukła dowe (hardwired control) lub sterowanie mikroprogramowane (micropwgrammed control).

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

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. Kod operacji Kod operacji Kod operacji Argument Argument 1 Argument 2

Lista rozkazów Definicja: Sposób rozmieszczenia wymienionych elementów w słowie lub słowach komputera nazywamy formatem rozkazu.

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

Cykl rozkazowy procesora Faza pobrania: Kolejne etapy fazy pobierania i wykonywania: 1. Podanie zawartości licznika rozkazów PC na magistralę adresową AB 2. Wczytanie zawartości zaadresowanej komórki do rejestru rozkazów (IR) 3. Zwiększenie zawartości licznika rozkazów Faza wykonania: 4. Zdekodowanie kodu rozkazu i wytworzenie sygnałów sterujących realizujących rozkaz 4 1 3 Cykl von Neumana 2

Cykl rozkazowy procesora Faza pobrania: 1. Podanie zawartości licznika rozkazów PC na magistralę adresową AB 2. Wczytanie zawartości zaadresowanej komórki do rejestru rozkazów (IR) 3. Zwiększenie zawartości licznika rozkazów Faza wykonania: 4. Zdekodowanie kodu rozkazu i wytworzenie sygnałów sterujących realizujących rozkaz

Schemat blokowy mikroprocesora (II) Rozkaz jest odczytywany z pamięci na podstawie adresu w tzw. liczniku rozkazów (PC, program counter lub IP, instruction pointer} Rozkaz wpisywany do rejestru rozkazów, w którym przebywa aż do zakończenia cyklu rozkazowego. Poszczególne części rejestru rozkazów, odpowiadające polom słowa rozkazowego, są dekodowane określając dalszy przebieg cyklu. Wykrywana jest długość pobranego rozkazu i o te wielkość zwiększa się licznik rozkazów, wskazując od tej pory adres kolejnego rozkazu. Ten mechanizm zapewnia sekwencyjne działanie komputera - rozkazy są pobierane i wykonywane w takiej kolejności, w jakiej są umieszczone w pamięci, czyli tak jak były zapisane w programie. Jedynie rozkazy sterujące (skoki) mogą w czasie wykonania, a więc przed pobraniem następnego rozkazu, zmienić zawartość PC.

Przepływy informacji w cyklu rozkazowym

Schemat blokowy mikroprocesora (III)

Schemat blokowy mikroprocesora (III) BU (Bus Unit) - wyizolowany blok komunikacyjny odpowiadający za współpracę z pamięcią Prefeth kolejka oczekujących na wykonanie danych IU (instruction Unit) blok dekodera korzysta on z pamięci ROM w której znajduje się słownik tłumaczący przyjmowane kody rozkazów na sekwencje instrukcji wewnętrznych mikroprocesora EU (Execution Unit) układ wykonawczy realizujący operacje określone przez kod rozkazu. Znaczna część programu podlega obróbce w module ALU (Arithmetic- Logic Unit) sterowanym z bloku CU (Control Unit). Dla przyspieszenia pracy procesora operacje zmiennoprzecinkowe przekazywane są do wyspecjalizowanej jednostki FPU (Floating Point Unit)

Schemat blokowy mikroprocesora Konieczność zapewnienia płynnego funkcjonowania procesora wymaga, by dane do wykonania (kod programowy) pobierane były w większych porcjach i gromadzone w kolejce Prefetch, gdzie oczekują na wykonanie.

Schemat blokowy mikroprocesora Ich odtwarzania odbywa się w bloku dekodera (IU - Instruction Unit). Praca tego układu wspomagana jest często przez obszerną podręczną pamięć stałą (ROM), w której zawarty jest słownik tłumaczący przyjmowane kody rozkazowe na sekwencje ukrywających się pod nimi operacji.

Schemat blokowy mikroprocesora Rozkodowane instrukcje przekazywane są do właściwego układu wykonawczego (EU -Execution Unit), gdzie realizowana jest operacja określona danym kodem rozkazowym. Znaczna część powszechnie używanego kodu pracuje na liczbach stałoprzecinkowych (Integer) i podlega obróbce w module ALU (Arithmetic-Logic Unii) sterowanego z bloku CU (Control Unit).

Schemat blokowy mikroprocesora Jeśli jednak rozkaz dotyczył obiektów zmiennoprzecinkowych przekazuje się go do wyspecjalizowanej jednostki zmiennoprzecinkowej (FPU - Floating Point Unit).

Schemat blokowy mikroprocesora Rozkazy posługują się zwykle pewnymi argumentami (parametry funkcji, na przykład składniki przy dodawaniu), które również trzeba pobrać z pamięci operacyjnej. Często wymaga się, by wynik operacji przesłać pod określony adres. Obsługę przesyłania bierze na siebie jednostka adresowania (AU Addressing Unit). Względy natury technicznej (omówione na poprzednim wykładzie) powodują, iż dostęp do pamięci operacyjnej wymaga pewnych dodatkowych nakładów, których realizacji poświęca się jednostkę zarządzania pamięcią (MMU - Memory Management Unit).

Architektura CISC i RISC Początkowo listy rozkazów były niewielkie i zawierały operacje niezbędne do wykonywania działań arytmetycznych i do tworzenia elementarnych struktur progra mowych (skoki, pętle, rozgałęzienia warunkowe, podprogramy). Później dołączono rozkazy działające na znakach, a ostatnio rozkazy ukierunkowane na zastosowania w obsłudze operacji multimedialnych. Po wprowadzeniu języków symbolicznych (asemblerów), które stały się głównym narzędziem programowania systemowego (systemy operacyjne, kompilatory), nowe listy rozkazów wyposażano w coraz bardziej złożone instrukcje ułatwiające programowanie. Celem stało się zniwelowanie luki semantycznej między asemblerami, a więc i językami maszynowymi, a językami algorytmicznymi wysokiego poziomu.

Architektura CISC CISC Procesory ze złożoną listą instrukcji są określane jako CISC (ang. Complex Instruction Set Computer). Charakteryzują się: dużą liczbą rozkazów o różnych długościach; dużą liczbą trybów adresowania; Zalety: łatwością tworzenia oprogramowania Wady: bogactwo rozkazów maszynowych prowadziło do tego, że rozkazy były długie i różnej długości, co komplikowało strukturę i działanie układu sterującego

Koncepcja CISC CISC

Architektura CISC i RISC RISC Procesory ze zredukowaną (uproszczoną) listą rozkazów RISC (ang. Reduced Instruction Set Computer) charakteryzują się: niewielką liczbą rozkazów małą liczbą trybów adresowania prostą i szybką jednostką sterującą Zalety: prosta (a więc tania) jednostka sterująca; możliwość zwiększania taktowania procesora; przetwarzanie potokowe; Wady trudnością w tworzeniu oprogramowania duże obciążenie magistral pamięciowych

Architektura CISC i RISC RISC Architektura RISC powoduje duże obciążenie magistrali pamięciowej bardzo duża szybkość przetwarzania kolejnych rozkazów wymusza dużą szybkość przesyłu danych. Problem ten rozwiązywany jest przy użyciu szybkich pamięci podręcznych (L1 i L2). Charakterystyczny dla architektury RISC jest też podział na 2 bloki instrukcji blok ins. wejścia-wyjścia i blok instrukcji wykonujących operacje na rejestrach wewnętrznych instrukcje z obu bloków mogą być wykonywane równolegle.

Koncepcja RISC RISC

Koncepcja RISC Rozwój rynku mikroprocesorów w ciągu ostatnich 20 lat pokazał, że koncepcja RISC daje lepsze efekty mierzone stosunkiem wydajności procesora do jego kosztu. Obecnie wszystkie produkowane procesory są typu RISC z jednym, za to bardzo istotnym wyjątkiem - dominującą na rynku rodziną x86, przy czym ostatnie modele procesora Pentium, zachowując zewnętrzną architekturę IA-32, zawierają jądro o innej architekturze - wewnętrzny RISC".

Dziękuję za uwagę