Архитектура компьютера

Архитектура компьютера

Литература

1. Майерс Г. «Архитектура ЭВМ» (2 том), 1989

2. Таненбаум Э. «Архитектура компьютера», 2002

3. Олифер «Компьютерные сети», 2001

4. Степанов А.Н. «Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей»

Архитектура компьютера – это совокупность сведений об основных устройствах компьютера и их назначении, о способах представления программ и данных в компьютере, об особенностях его организации и функционирования.

Существует много разных типов архитектур.

Этот термин используется и в более узких смыслах, в зависимости от контекста.

Тема 1. Основные устройства компьютера и их технические характеристики.

В состав любого современного компьютера входят:

• Память – группа устройств, обеспечивающих хранение программ и данных;

• Процессор (1 или более одного) – обеспечивает задаваемую программой обработку данных;

• Устройства ввода/вывода – группа устройств, обеспечивающих обмен данными машина/пользователь и машина/машина.

Оперативная память.

Элементарное устройство оперативной памяти – это бит. Его физическое устройство нам неинтересно, только его функция – хранение нуля или единицы.

Современные биты – это микросхемы. Но нам это неинтересно.

Свойства бита.

1. Хранение записанной в нем информации сколь угодно долго;

2. Чтение хранящейся информации без ее повреждения;

3. Запись новой информации (изменение). Информация изменяется, даже если вместо 0 записывается 0.

Байт.

Байт – это устройство памяти, служащее для хранения 8-битного кода.

Байт имеет те же свойства, что и бит.

Количество различных возможных состояний байта = 2⁸=256.

7	6	5	4	3	2	1	0
1	0	0	1	1	0	1	1

Оперативная память – совокупность перенумерованных байтов.

Номера байтов называют адресами.

Поле – последовательность подряд пронумерованных байтов, которые используются для хранения данных различной природы.

Поле – структура памяти.

В 1 байт можем записать 1 символ (согласно таблице ASCII).

Характеристики поля:

1. Длина – количество байтов, из которых состоит поле.

2. Адрес – номер младшего (первого) байта поля.

0	1	2	3	4	5		6	7	8	9		…	…	…	…	…	…	…	…	N-1	N
						поле

Поля бывают стандартными и нестандартными, в зависимости от архитектуры.

Простейшая – 16-битная архитектура, т.е. слово имеет длину 16 бит.

Слово – длина кода, который может быть передан/обработан по линиям связи за 1 раз.

У стандартных полей есть ограничения на длину и адрес.

Есть однобайтные, двухбайтные и четырехбайтные слова.

Процессор (обработка данных по программам).

Характеризуется системой команд, т.е. набором элементарных действий, которые могут быть обработаны процессором. Система команд определяется моделью.

Машинная команда – указание на выполнение отдельного элементарного действия, принадлежащего системе команд процессора.

Классификация архитектур по типу машинных команд.

• CISC – Complete Instruction Set Computer (Code) – полный набор машинных команд

• RISC – Reduced Instruction Set Computer (Code) – урезанный для эффективности набор машинных команд

• VLIW – Very Large Instruction Word – сформировано на основе первых дух систем. Команды выполняются одновременно (параллельно) за счет многопроцессорности.

Программа – конкретная последовательность машинных команд, которая обеспечивает нужную пользовательскую обработку информации.

Процессор и компьютер – дискретные устройства, значит, все команды выполняются пошагово.

В связи с этим возникает понятие машинного такта.

Машинный такт – отрезок времени между началом выполнения одного шага и началом выполнения следующего шага.

После каждого шага всегда есть пауза, и она всегда больше, чем сам шаг. Эта пауза нужна для того, чтобы вернуть систему в исходное состояние, когда можно вновь совершить действие. Избавиться от нее невозможно.

Такты измеряются с помощью тактовой частоты, то есть количества колебаний в секунду. Единица измерения – Герцы.

Машинное слово – максимальное количество байтов памяти, которое может быть обработано процессором за один такт.

Как правило, машинное слово слово памяти, но необязательно.

Шина.

Шина – это комплекс, состоящий из пучка проводов, по каждому из которых можно передать 1 бит данных, и электронных схем, которые обеспечивают правильную передачу информации внутри компьютера.

Разрядность шины – количество проводов в шине, то есть количество бит, которое может быть одновременно передано по шине.

Шину можно разделить на участки. Участок шины, используемый для передачи данных – шина данных, для адреса поля оперативной памяти – адресная шина.

Разрядность адресной шины определяет максимально возможный объем оперативной памяти, который принято называть адресным пространством.

Адрес байта всегда задается 20 двоичными или 5 шестнадцатеричными цифрами.

В адресе ведущие нули не пропускаются.

Номер – десятеричное число, адрес поля – в программах – двоичное.

00000	00001	00002	00003	…	…	…	FFFFD	FFFFE	FFFFF

Это – правильно выглядящая оперативная память.

Тема 2. Архитектура микропроцессора iAPX 8086 компьютера IBM PC/AT

iAPX – Intel Advanced Processor Architecture

Intel – Integrated Electronics

IBM PC/AT – International Business Machines Advanced Technologies

Краткая характеристика:

Шинная, шестнадцатибитная (машинное слово 2 байта), CISC архитектура, 20-разрядная шина.

Упрощенная схема компьютера с шинной архитектурой

процессор

ОП

Внешняя память

Устройства ввода/вывода

Шина данных

Адресная шина

Шина управления

С и с т е м н а я ш и н а

Все устройства связаны друг с другом.

Программная модель оперативной памяти.

Разрядность адресной шины задает объем адресного пространства и определяет разрядность адреса.

Для программиста оперативная память – это не адреса, а машинные слова, так как процессор всё равно работает не с байтами, а с машинными словами.

Оперативная память представляет собой линейную последовательность.

Данные в оперативной памяти нужно хранить в порядке для лучшей эффективности.

00000
00002
00004
00006
00008	01	FC
0000A
0000C
0000E
00010

Правильно писать это как FC01, а не 01FC. Младшие биты поля содержат младшие разряды кода (числа), старшие – старшие разряды.

Сегментация оперативной памяти.

В оперативной памяти может находиться не одна программа, а сразу несколько. Причем они не просто там находятся, а выполняются. Следовательно, одна программа теоретически может «залезть» в другую. То есть программы могут портить друг друга либо свои данные.

Сегментация – это механизм, созданный для обеспечения безопасности в подобнывх ситуациях.

Если на одном компьютере один пользователь использует для работы адрес оперативной памяти, то он будет недоступен другому.

Для многопрограммной работы нельзя использовать абсолютные адреса полей. Программа должна произвольно ложиться в свободные поля оперативной памяти и без проблем работать там. Для решения проблем многопрограммности нужна сегментация.

Сегмент – некий участок оперативной памяти с независимой адресацией. Грубо говоря, вводится несколько систем адресации: абсолютная и для сегмента.

Свойства:

1. Сегмент всегда начинается с адреса, кратного шестнадцати (то есть с 0)

2. Длина сегмента всегда 64 Кбайт = 2¹⁶ (ниже объснено)

Сегментация обеспечивает:

3. Введение понятия сегмента обеспечивает перемещаемость программы в оперативной памяти.

4. Совместимость 16-битного машинного слова и 20-битного адреса.

(здесь будет правило переведения из абсолютной в относительную и наоборот)

Адрес сегмента 16-битный.

Начало сегмента определяется операционной системой (исходя из того, какие участки свободны) и выделяет адрес. D задается программистом. (D в картинке выше, которой пока нет). Программист не может управлять абсолютной системой, но относительной – сколько угодно.

Если адрес начала сегмента меняется, то сегмент целиком сдвигается, но программа при этом тоже сдвигается и без проблем продолжает работать. Каждая программа выполняется только в своих сегментах, то есть они не мешают друг другу (выполняемые программы)