Architektury mikropočítačů

Střední odborná škola Otrokovice

www.zlinskedumy.cz

Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš ZatloukalDostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR.

Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze.

Charakteristika DUM 2

Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice

Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /2

Autor Ing. Miloš Zatloukal

Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-PE-CT/1-EL-5/12

Název DUM Architektury mikropočítačů

Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání

Kód oboru RVP 26-41-L/52

Obor vzdělávání Provozní elektrotechnika

Vyučovací předmět Číslicová technika

Druh učebního materiálu Výukový materiál

Cílová skupina Žák, 15 – 16 let

Anotace Výukový materiál je určený k seznámení žáků se základní vnitřní strukturou mikropočítače – s jeho architekturou

Vybavení, pomůcky Dataprojektor

Klíčová slova Počítač, koncepce, architektura, program, data, sběrnice, vstup, CPU, výstup, ALU, řadič, paměť, Von Neumann, periferie

Datum 4. 3. 2013

Obsah tématuArchitektura počítače

- podle umístění programu a dat- Von Neumannova- Harvardská

- podle instrukčního souboru- CISC- RISC

jiné architektury (VLIW…)

Architektury mikropočítačů

Architektura počítače

Počítač pracuje podle programu. Program používá informace – říkáme jim data. Data je potřeba zadat a uložit je do paměti. Do paměti je potřeba uložit i výsledky činnosti programu.

Podle společného či rozdílného umístění programu a dat existují dvě odlišné koncepce – architektury:

- Von Neumannova (podle autora Johna von Neumanna)- Harvardská (podle Harvardské univerzity)

Liší se počtem pamětí pro program a data.

Von Neumannova koncepce

- pouze jeden univerzální paměťový prostor(společný jak pro program (instrukce), tak i pro data (operandy)- není určeno, kde v paměti je program a kde jsou data

- počítač (jednočipový mikropočítač) obsahuje:- paměť- řadič- aritmeticko – logickou jednotku (ALU) - vstupní a výstupní jednotku (periferie)

paměť je spojena s ostatními jednotkami datovou sběrnicí

Propojení řadiče, pamětí a periferií v počítači realizují tři sběrnice - datová, - adresní - řídicí

(u Harvardské architektury je ještě navíc programová = instrukční sběrnice)

Von Neumannova koncepce – pokračování- struktura počítače je:

- nezávislá na typu řešení úlohy - řízena obsahem paměti

- paměť je rozdělena do úseků – „buněk“ stejné velikosti(pořadová čísla buněk se používají jako jejich adresy)

- program - je tvořen posloupností instrukcí (základních příkazů)- program se při změně dat nemění (obsahuje adresy dat)- instrukce se provádějí jednotlivě v pořadí, v němž jsou zapsány do

paměti- změna pořadí provádění instrukcí se vyvolá příkazem - podmíněného skoku- nepodmíněného skoku

- využívá se dvojková číselná soustava (pro data i signály)

Von Neumannova koncepce – shrnutí

- jeden společný paměťový prostor (zjednodušeně 1 paměť) pro: - program (posloupnost instrukcí)- data (operandy – znaky, čísla…)

- jednodušší řízení vykonávaných operací (bez nutnosti rozlišovat, zda jde o program či data)

- není třeba mít dán pevný poměr mezi rozsahem programu a dat

Nevýhoda:- nepočítá s paralelním zpracováním instrukcí

Použití: mikroprocesory pro osobní počítače odvozené z typu Intel 8086 – x86 skupina (např. 80286, 80386,80486, Pentium)(zároveň jde o kategorii procesorů typu CISC – viz dále)

Blokové schéma počítače Von Neumannovy architektury

Obr. 1

Von Neumannova architektura – rozdělení (obsazení) paměťového prostoru(porovnání s Harvardskou)

Obr. 2

Poznámka: John von Neumann (původním jménem János Neumann, 1903 – 1957) se narodil v Budapešti, později studoval a pracoval v USA. Byl to významný matematik, který se zabýval logikou, teorií množin, teorií her, výrazně se podílel na vývoji jaderné a později vodíkové bomby (projekt Manhattan a pozdější projekty), zabýval se teorií automatů a robotů.

Definoval koncepci počítače po něm pojmenovanou jako Von Neumannova koncepce (architektura) počítače.

Harvardská koncepce (architektura)

- dvě oddělené (samostatné) paměti- jedna pro program (paměť programu)- druhá pro data (paměť dat)

- paměť dat je komunikuje pomocí datové sběrnice- paměť programu komunikuje pomocí programové = instrukční sběrnice- použití různých šířek sběrnic (datové a instrukční) zvyšuje rychlost provádění instrukcí

Nevýhoda: nutnost složitější řídicí sběrnice (která rozlišuje o kterou paměť jde (čtení, zápis)Použití: tam, kde lze dopředu odhadnout velikost paměti potřebnou pro program a pro data

Kde se uplatňuje: mikroprocesory, jednočipové mikropočítače, mikrořadiče pro kalkulačky, DSP (digitální signálové procesory)

Poznámka: Tato architektura byla navržena Howardem Aikenem v třicátých letech minulého století na Harvardské univerzitě ve Spojených státech.

Tehdejší technické prostředky však neumožnily její realizaci, a proto v té době zvítězila pro výstavbu počítačů koncepce von Neumannova.

Později asi po čtyřiceti letech dosáhla technologie výroby integrovaných obvodů takového stupně, že mohla být tato koncepce realizována v oblasti mikroprocesorů a jednočipových mikropočítačů.

Blokové schéma počítače s Harvardskou architekturou

Obr. 3

Harvardská koncepce – pokračováníObsahuje:- procesor- paměť programu- paměť dat- periferní obvody Procesor – ústřední výpočetní a řídicí prvekPaměť programu - obsahuje program- někdy může obsahovat i data, která se nemění (tabulky)- jde o paměť obecně typu ROM (hlavně se používají varianty EPROM, EEPROM a Flash)

Z hlediska adresování se rozlišuje:- paměť programu přímo na čipu (vnitřní) - paměť programu mimo čip (vnější)- s dalšími jednotkami je propojena pomocí programové sběrnice.

Harvardská koncepce – pokračování

Paměť dat

- slouží ke čtení čísel (operandů) pro výpočty- dále k ukládání (zápisu) výsledků výpočtů (operací)- je umístěna na čipu

(ale jen její malá část – řádově desítky až stovky bajtů)zbytek je jako vnější paměť dat – jednotky až desítky kilobajtů

Harvardská koncepce – pokračováníPeriferní obvody (periferie) – jde o:

- vstupní a výstupní obvody (porty – brány)(pro připojení nejrůznějších vnějších zařízení)

- specializované vstupní zařízení (A/D převodníky, čítače, galvanicky oddělené vstupy…)

- výstupní zařízení (D/A převodníky, výkonové výstupy, galvanicky oddělené výstupy…)

Porty neboli brány jsou rozlišovány adresou a dělí se na - paralelní - sériové- paralelní přenos je obecně rychlejší(současně se pracuje se skupinou dat – nejčastěji 8 bitových)- sériový přenos – postupně bit po bitu (je sice pomalejší, ale je úspornější z hlediska počtu vodičů – bitů)

Procesory typu CISC a RISC

CISC – zkratka znamená Complex Instruction Set Computer

- označuje počítač (procesor) s velkou (úplnou) sadou instrukcí - více skupin příbuzných instrukcí (např. aritmetické, logické…)- větší počet instrukcí ve skupině- instrukce vykonají složité operace s různými adresovacími režimy- instrukce často zpracovávány ve více ve strojových cyklech (celkově pomalejší zpracování programu)- instrukce jsou výkonné, ale složité na řízení a provádění- jednodušší je tvorba programů - pohodlnější práce pro tvůrce programu(velký výběr různých instrukcí – operací)

Použití: mikroprocesory pro osobní počítače odvozené z typu Intel 8086 – x86 skupina (např. 80286, 80386,8 0486, Pentium) – zároveň jde o typy s Von Neumannovou architekturou)

RISC – zkratka znamená Reduced Instruction Set Computer,

- označuje počítač (procesor) s redukovanou (zmenšenou) sadou instrukcí

- složité instrukce byly z instrukční sady vypuštěny (v případě potřeby jsou nahrazeny posloupností jednoduchých instrukcí)- instrukční sada obsahuje malý počet jednoduchých instrukcí (kolem 30)

- jednodušší řídící obvody procesoru- menší se počet součástek procesoru (následně plocha, jež na čipu zabírají)snížení ztrátového výkonu, který je třeba z čipu odvést (méně součástek)

- zvýšení pracovní frekvence procesoru (větší výpočetní výkon)- větší počet registrů na čipu (k nim rychlejší přístup než do jiné paměti)- technika řetězení instrukcí Nevýhoda:- programy pro RISC procesory potřebují obecně více paměťového místa než u CISC architektury Použití: obvody PIC od firmy Microchip, IBM (např. řada Power PC), Sun Microsystems (např. řada Sparc), apod.

Architektura typu RISC v kombinaci s Harvardskou byla dále rozvíjena v procesorech specializovaných na zpracování signálů sdělovací techniky (telekomunikace, zvukové signály, video signály)

Tyto specializované procesory nesou označení DSP procesory (Digital Signal Procesor)

a jejich architektura se jmenuje

VLIW (Very Long Instruction Word).

Architektura VLIW (Very long Instruction Word)- používá instrukce, kterým se říká také instrukční pakety - jedna instrukce typu VLIW tak obsahuje až 8 dílčích 32 bitových „podinstrukcí“ (8 x 32 = 256 bitů – velmi dlouhé slovo instrukce)- typické je použití více datových (např. 4) a více adresních (např. 2) sběrnic (všechny o šířce 32 bitů), dále několika paralelně řazených ALU.

- instrukce jsou zpracovávány paralelně(současné provádění několika různých operací současně) - tvorba programů pro obvody VLIW je ale náročnější než u klasických mikropočítačů

K procesorům s velmi dlouhým instrukčním slovem patří např. procesor Dual-Core Intel Itanium 2, který je určen převážně pro použití v serverových počítačích,nebo procesor firmy Transmeta nesoucí označení Crusoe zaměřený na velmi nízkou spotřebu a tedy s minimálním požadavkem na chlazení.

Architektura VLIW také našla využití u signálových procesorů – DSP (např. od firmy Texas Instruments).

Kontrolní otázky

2. Bez speciální sběrnice pro přenos instrukcí se obejde architektura:a) CISCb) RISCc) Von Neumannova

1. Společný paměťový prostor (pro program i data) má architektura:a) VLIWb) Harvardskác) Von Neumannova

3. Procesor s architekturou RISC zjednodušeně:a) Umí toho méně, ale udělá to rychlejib) Při shodné frekvenci je výkonnější než procesor CISCc) Pro stejný výpočetní výkon jako CISC mu stačí nižší pracovní

frekvence

Kontrolní otázky – správné odpovědi červeně

2. Bez speciální sběrnice pro přenos instrukcí se obejde architektura:a) CISCb) RISCc) Von Neumannova

1. Společný paměťový prostor (pro program i data) má architektura:a) VLIWb) Harvardskác) Von Neumannova

3. Procesor s architekturou RISC zjednodušeně:a) Umí toho méně, ale udělá to rychlejib) Při shodné frekvenci je výkonnější než procesor CISCc) Pro stejný výpočetní výkon jako CISC mu stačí nižší pracovní

frekvence

Seznam obrázků:

Obr. 1: vlastní, Blokové schéma počítače Von Neumannovy architekturyObr. 2: vlastní, Von Neumannova architektura – rozdělení (obsazení) paměťového prostoru (porovnání s HarvardskouObr. 3: vlastní, Blokové schéma počítače s Harvardskou architekturouObr. 4: vlastní, CPU – centrální procesorová jednotka

Seznam použité literatury:

[1] Matoušek, D.: Číslicová technika, BEN Praha, 2001, ISBN 80-7232-206-0

[2] Blatný, J., Krištoufek, K., Pokorný, Z., Kolenička, J.: Číslicové počítače, SNTL, Praha, 1982

[3] Kesl, J.: Elektronika III – Číslicová technika, BEN, Praha, 2003, ISBN 80-7300-075-X

Děkuji za pozornost