Архітектура та програмне забезпечення комп'ютера, Детальна інформація

Шина живлення забезпечує подачу напруги живлення до модулів, а інколи до складу шини живлення відносять і сигнали синхронізації (тактові сигнали).

Керувати обміном даними за системною магістраллю теоретично має можливість кожен з модулів, однак фактично така можливість реалізується лише відповідним чином спроектованими та виготовленими модулями. Модулі, які здатні управляти обміном, називаються Master (Bus-Master), модулі, які не мають таких можливостей, називаються Slave. На магістралі можуть бути присутні декілька модулів, типу Master, однак керувати магістраллю в певний визначений момент часу має змогу лише один із них.

Із врахуванням принципів магістрально-блочної побудови схема, яка ілюструє архітектуру комп’ютера має вигляд (мал.2.2.1.).

3. Основні компоненти комп’ютера.

3.1. Процесор

3.1.1. Принципи функціонування процесора.

Процесор є модулем, призначенням якого є виконання розміщеної в пам’яті комп’ютера програми та управління іншими компонентами системи. Схема процесора здатна виконувати обмежену кількість відповідним чином закодованих команд, що в сукупності становлять його операційний ресурс. Операційний ресурс сучасних процесорів становить 100 – 400 команд і містить команди обміну даними, команди арифметичних операцій, команди порозрядних логічних операцій, команди зсувів та ін.

Виконання арифметичних, логічних операцій, операцій порівняння та зсувів реалізується за допомогою арифметико-логічного пристрою (АЛП), який складається з набору запам’ятовуючих елементів (регістрів) та спеціальних схем, об’єднаних внутрішньою шиною даних (мал.3.1.1.1). Така організація дозволяє використовувати в якості вхідних даних значення будь-яких регістрів АЛП, а також фіксувати результат в будь-якому з них.

Роботою АЛП керує пристрій керування (ПК), який генерує керуючі сигнали, кожен з яких фактично є командою одному з блоків АЛП, в необхідній послідовності. При цьому ПК керується машинним кодом команди, попередньо прочитаним з пам’яті, тобто керуюча послідовність безпосе-редньо залежить від команди і фактично описує процес її виконання.

Обмін даними з пам’яттю та пристроями вводу-виводу забезпечує шинний інтерфейс, який забезпечує читання машинних кодів команд з пам’яті, шляхом, генерування циклів обміну за системною магістраллю (мал.3.1.1.2.).

В загальному випадку процес виконання команди складається з одного або декількох циклів обміну, кількість яких залежить від конкретної команди. Першим циклом виконання команди є цикл читання з пам’яті першого байту (коду операції) команди з пам’яті, який виконується завжди. За кодом операції визначається необхідність генерування інших циклів обміну та їх кількість. Цикли обміну генеруються при необхідності читання даних з пам’яті чи пристрою вводу-виводу та запису результату до пам’яті чи пристрою вводу-виводу.

3.1.2. Управління пристроями.

Управління функціональними блоками мікропроцесор здійснює шляхом виконання відповідних програм, призначених для обслуговування даних функціональних блоків. Для своєчасного переключення на потрібну програму процесор використовує механізм переривань (interrupts).

Кожний функціональний блок має можливість подачі сигналу, який прийнято називати сигналом запиту на переривання. Реакцією мікропроцесора на подібний сигнал є припинення виконання виконуваної на даний момент програми із переключенням на програму обслуговуання даного пристрою, після виконання якої продовжується виконання поточної програми.

Такий механізм дозволяє асинхронно (лише при необхідності) обслуговувати велику кількість пристроїв, не втрачаючи при цьому багато часу. Реально перериваня виникають досить часто, наприклад, при натисненні будь-якої клавіші на клавіатурі або спрацювання лічильника системного таймера (яке відбувається приблизно 18 разів на секунду).

Існують ситуації, коли переривання генеруються самим мікропроцесором, як реакція на нештатні ситуації. Такі переривання називаються винятками (exceptions) і генеруються при виникненні помилок при обчисленнях (наприклад, якщо при виконанні операції ділення має місце ділення на 0) або в результаті звернення до пам’яті за неіснуючою адресою. Механізм винятків дозволяє ефективно реалізувати на комп’ютері підсистему т.з. віртуальної пам’яті.

Найрозповсюдженішими моделями мікропроцесорів, які застосовуються в персональних комп’ютерах (ПК) є мікропроцесори, ряду х86 фірми Intel Corporation та сумісні з ними моделі інших фірм (насамперед, фірми Advanced Micro Devices – AMD). Основною ознакою їх класифікації є розрядність внутрішньої шини даних (таблиця 3.1.2.1).

Таблиця 3.1.2.1. Класифікація мікропроцесорів х86.

Розрядність Intel Corporation Сумісні функціональні аналоги

8-розрядні 8080, Z80 КР580ВМ80 (СРСР)

16-розрядні 8086/8088, 80286 КР1810ВМ86 (СРСР)

32-розрядні 80386, 486, 586, P5 (Pentium), P6 (Pentium II/III/IV, Celeron) Am386, Am486, Am5x86 (5k86), AMD K5, K6, K6-II, K6-II (фірма AMD)

64-розрядні P7 (Itanium) – Merced, McKinley



Приведений в таблиці перелік моделей мікропроцесорів є далеко не повним і включає лише найпопулярніші моделі серії х86. Існують мікропроцесори як зарубіжних фірм, так і колишнього СРСР, архітектура яких дещо відрізняється від архітектури процесорів х86. Такі мікропроцесори не є предметом розгляду даного реферату.

3.2. Пам’ять.

3.2.1. Оперативна пам’ять.

В процесі виконання програми її машинний код та дані, які вона обробляє, повинні знаходитися в оперативній пам’яті комп’ютера. Пам’ять комп’ютера реалізує три основні функції: запис інформації, читання інформації та збереження інформації. Процес читання або запису з\до пам’яті називається зверненням або доступом до пам’яті.

Модуль пам’яті складається з двовимірного масиву комірок, кожна з яких може зберігати один байт інформації і характеризується номером позиції в межах масиву (адресою), а кількість комірок в масиві називається розміром або об’ємом пам’яті в байтах.

Модуль пам’яті забезпечує звернення (доступ) до довільної комірки пам’яті в межах масиву, при цьому ідентифікація комірки, до якої здійснюється звернення, реалізується шляхом безпосереднього вказування її номера в масиві, тобто адреси. Тому оперативна пам’ять називається пам’яттю з довільним доступом (RAM – Random Access Memory).