komputer_10.pdf

Komputer jako czarna skrzynka

Wejście

Wyjście

(Dane)

(Wyniki)

JAK DZIAŁA KOMPUTER ?

Program

II PWr

Schemat blokowy komputera

CPU

MEM

WE/WY

Procesor – przetwarzanie danych i sterowanie pracą pozostałych układów.

Procesor przetwarza dane wykonując na nich elementarne operacje

zwane rozkazami (instrukcjami).

ROM RAM

Pamięć – przechowywanie danych, programu i wyników.

RAM (ang. Random Access Memory) – pamięć operacyjna, ulotna.

ROM (ang. Read Only Memory) – pamięć nieulotna, pamiętanie progra-

mów startowych (BIOS).

Układy wejścia/wyjścia – pośredniczą w wymianie informacji pomiędzy proceso-

rem i pamięcią a urządzeniami zewnętrznymi (peryferyjnymi).

CPU – centralna jednostka przetwarzająca (procesor) DB – magistrala danych

MEM – pamięć (wewnętrzna)

AB – magistrala adresowa

WyŜej wymienione bloki wymieniają informację i współpracują ze sobą za poś-

rednictwem magistrali .

WE/WY – układy wejścia/wyjścia

CB – magistrala sterująca

II PWr

Schemat blokowy komputera

Układy cyfrowe

Magistrala – zestaw linii oraz układów przełączających, łączących dwa lub

więcej układów mogących być nadajnikami lub odbiornikami informacji.

Poszczególne bloki komputera są budowane z układów cyfrowych zwanych

takŜe układami logicznymi .

Układy cyfrowe są zbudowane z elementów elektronicznych: tranzystory, diody.

Są one wytworzone wewnątrz lub na powierzchni wspólnego podłoŜa i tworzą

tzw. układ scalony.

Magistrala danych – przesyłanie danych, wyników i kodów instrukcji.

Magistrala adresowa – przesyłane są adresy komórek pamięci lub układów wej/wyj

Magistrala sterująca – sterowanie pracą układów współpracujących z procesorem.

SzerokoŚĆ magistrali – liczba bitów danych przesyłanych równolegle.

Typowe szerokości: 8, 16, 32, 64 bity.

SzybkoŚĆ magistrali: od 5 MHz do kilkuset MHz (533 MHz)

II PWr

Układy cyfrowe

Układ cyfrowy moŜna przedstawić jako blok z określoną liczbą wejść i wyjść.

W zaleŜności od liczby elementów w pojedynczej strukturze (stopień upakowania)

rozróŜnia się układy scalone:

• małej skali integracji (SSI) - do kilkudziesięciu elementów (wczesne 1960)

Sygnały wejściowe i wyjściowe są sygnałami binarnymi i tworzą słowa:

wejściowe i wyjściowe.

W E J

WYJ

• wielkiej skali integracji (LSI) – dziesiątki tysięcy elementów (środek 1970)

• bardzo wielkiej skali integracji (VLSI) – setki tysięcy elementów (1980-te)

• ultra wielkiej skali integracji (ULSI) – miliony elementów

1 0 1 1 0

II PWr

• średniej skali integracji (MSI) - setki elementów (późne 1960)

• wielkiej skali integracji (LSI) – dziesiątki tysięcy elementów (środek 1970)

Układy cyfrowe

Elementy procesora

Podstawowe układy cyfrowe:

• bramki – realizują proste funkcje logiczne: sumę, iloczyn, negację

Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU, ang. Arithmetic-Logic Unit) – uniwersalny

układ cyfrowy przeznaczony do wykonywania operacji arytmetycznych i logicznych.

• przerzutniki - układ cyfrowy pozwalający zapamiętać 1 bit informacji.

Proste układy cyfrowe są cegiełkami , z których są budowane układy złoŜone:

• rejestry – mała bardzo szybka pamięć

Argument A

ALU

Wynik

Argument B

• liczniki – do zliczania

• sumatory – do wykonywania operacji na danych

Sygnały sterujące

• komparatory – do porównywania

• dekodery – do dekodowania danych

• konwertery – do wykonywania konwersji

Do zestawu operacji wykonywanych przez ALU naleŜą:

- dodawanie i odejmowanie arytmetyczne

- przesuwanie bitów słowa w prawo i w lewo

- porównywanie wartości dwóch słów

- operacje logiczne (suma, iloczyn, negacja)

II PWr

Elementy procesora

Dekoder – układ cyfrowy, który tłumaczy rozkazy na postać, jaka moŜe być

przekazana do układu sterowania celem wykonania.

Rejestr - układ cyfrowy przeznaczony do krótkoterminowego przechowywania

niewielkich ilości informacji.

Jednostka sterująca – steruje pracą poszczególnych komponentów procesora.

Na podstawie instrukcji pobieranych z dekodera mówi jednostce arytme-

tyczno-logicznej co i kiedy ma być wykonywane.

TakŜe koordynuje pracę innych elementów komputera.

Część rejestrów jest dostępnych dla uŜytkownika (rejestry dostępne programowo),

inne są niedostępne i słuŜą do specjalnych celów. Np.

- rejestr rozkazów – słuŜy do pamiętania rozkazu

- licznik rozkazów – słuŜy do pamiętania adresu rozkazu, jaki ma być wykonany.

Pamięć wewnętrzna cache – bardzo szybka pamięć podręczna. SłuŜy do przecho-

wywania najczęściej wykorzystywanych rozkazów i danych.

Rejestry stanowią najszybszy rodzaj pamięci , będącej częścią procesora, z którą

kontakt odbywa się z pełną szybkością określoną przez zegar systemowy.

II PWr

- rejestr rozkazów – słuŜy do pamiętania rozkazu

Schemat blokowy procesora

Rozkazy procesora

Rejestry

Rozkaz – polecenie wykonywane przez procesor komputera.

Dane

A F

B C

D E

H L

ALU

Wyniki

Kod operacji

Argumenty(adresy)

• rozkazy arytmetyczne

• rozkazy logiczne

• rozkazy operacji na bitach

Przykłady:

DODAJ A 25

Program

Zewn. sygnały sterujące

DODAJ A 25

POMNÓś A B C

• rozkazy sterowania

Układ

sterowania

Dek

• rozkazy we/wy

IR – rejestr rozkazów

Dek – dekoder

ALU – jednostka arytmetyczno-logiczna

Poszczególne procesory charakteryzują się zestawem rozkazów, jakie mogą wyko-

nywać. Zestaw taki tworzy tzw. listę rozkazów danego procesora.

Lista moŜe zawierać od kilkudziesięciu do paruset rozkazów.

II PWr

Rozkazy procesora

Zegar systemowy

Instrukcje uŜytkownika

Praca komputera jest synchronizowana zegarem systemowym (wbudowanym na

płycie głównej).

Konwersja na

język maszynowy

Rozkazy maszynowe

cykl

Konwersja na

mikrokod

Liczba cykli na sekundę jest mierzona w Hz.

1 MHz = 10 6 Hz,

1GHz = 10 9 Hz

Rozkazy mikrokodowe

Pierwsze mikroprocesory: ok. 5 MHz

Aktualnie: > 3 GHz

W czasie kaŜdego cyklu wykonywana jest pewna liczba rozkazów elementarnych.

Im szybszy zegar , tym więcej rozkazów będzie wykonanych w jednostce czasu.

II PWr

Program

Zewn. sygnały sterujące

Liczba cykli na sekundę jest mierzona w Hz.

Cykl maszynowy

Przepływ informacji w cyklu rozkazowym

Zegar systemowy wyznacza tzw. cykl maszynowy , w czasie którego procesor

wykonuje część lub cały rozkaz.

Adres rozkazu

Licznik rozkazów

Rozkaz

Rejestr rozkazów

Cykl maszynowy składa się z 4 operacji rozdzielonych na dwa etapy:

• Etap pobrania rozkazu

1. Pobranie rozkazu do pamięci wewnętrznej procesora

2. Dekodowanie rozkazu

Rejestry

KOD AR1 AR2

• Etap wykonania rozkazu

3. Wykonanie rozkazu przez ALU

4. Przesłanie wyniku do rejestru lub pamięci

Adres argumentu

Arg ument 1

A rgume nt 2

Wiele rozkazów moŜe wymagać więcej cykli maszynowych. Np. rozkaz pobrania

z pamięci 2 liczb, obliczenia ich sumy i zapisania wyniku do pamięci wymaga 4

cykli maszynowych.

Kod

operacji

ALU

Pamięć operacyjna

Wynik

II PWr

Porównanie szybkości komputerów

PoniewaŜ róŜne komputery wykonują róŜną liczbę rozkazów w cyklu zegarowym,

to bardziej uniwersalną miarą szybkości komputera (aniŜeli szybkość zegara) jest

liczba rozkazów wykonanych w jednostce czasu.

Przykłady:

• procesory w kalkulatorach - 10 FLOPS

• procesor Core i7-920 3.4GHz - 70 GFLOPS

Stosuje się następujące jednostki:

• Mips (mega-instruction per second) - miliony prostych rozkazów na sek

• supercomputer ASCII White (IBM) - 12 teraflops

• supercomputer Columbia (NASA) – 42.7 teraflops

• supercomputer Roadrunner (IBM), 2008 – 1 PFLOPS

zmiennoprzecinkowych na sek

• gigaflops (GFLOPS) – miliard operacji zmiennoprzecinkowych na sek

• supercomputer Roadrunner (IBM), 2008 – 1 PFLOPS

• supercomputer Cray Jaguar, 2009 – 1.75 PFLOPS

• supercomputer Jaguar XT5 - 2,3 petaflops

• teraflops (TFLOPS) – 10 12 operacji zmiennoprzecinkowych na sek

• petaflops (PFLOPS) – 10 15

operacji zmiennoprzecinkowych na sek

Szacuje się, Ŝe mózg jest w stanie wykonywać około 10 biliardów

operacji (elementarnych!) na sekundę.

II PWr

ALU

• megaflops (Mega Floating Point Instruction per Second) - milion operacji

zmiennoprzecinkowych na sek

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: