Архитектура вычислительных систем

Любая современная вычислительная система работает в соответствии с принципом фон Неймана. На рис. 4.1 представлена архитектура вычислительной системы, которая соответствует организации современных вычислительных систем. И наша ближайшая цель — детально рассмотреть данную структуру.

В предыдущих главах уже упоминалось, что микропроцессор работает с двумя уровнями сигналов: один уровень принято называть логическим нулем (или просто нулем), а другой — логической единицей (или просто единицей). И микропроцессоры состоят из элементов, которые воспринимают (понимают) только эти два уровня напряжения — нули и единицы. В соответствии с этим входные и выходные сигналы также должны быть двухуровневыми (нулями и единицами).

На рис. 4.1 сокращение ША обозначает шину адреса — совокупность N проводов, на каждом из которых может быть логический ноль или логическая единица. Соответственно, ШД — шина данных, состоящая из М проводов. ШД предназначена для передачи данных, которые представлены в двоичной системе счисления.

Рис. 4.1.

Перед дальнейшим комментарием функциональности ША и ШД поясним такой компонент как память. Память представляет собой набор однотипных ячеек, в каждую из которых можно записать определенное количество битов информации. При этом каждая ячейка памяти имеет свой номер, который более точно называется адресом. Функциональность работы микропроцессора заключается в том, что он выставляет на ША адрес ячейки памяти, с которой намеревается произвести обмен информацией. Далее по ШД информация либо записывается в указанную ячейку памяти, либо, наоборот, считывается из памяти в микропроцессор.

Примечание

В современных вычислительных системах разрядность шины, как правило, составляет 64 бита.

Микропроцессор однозначно идентифицирует каждую ячейку памяти с помощью уникальной для каждой ячейки адресной комбинации. Учитывая, что на любом проводе ША может быть ноль или единица, то, следовательно, количество различных комбинаций на ША равняется 2^N. Такое количество ячеек можно подключить к микропроцессорной системе.

Примечание

Значение 2^N следует из правила произведения, которое мы рассмотрели в главе 1.

Важный вопрос связан с информационным объемом каждой ячейки памяти. Так, емкость одной ячейки памяти можно выбрать равной одному биту. Однако это не эффективно, т. к. для размещения кодов символов (текстовая информация наиболее часто используется в нашей обычной работе) потребуется несколько ячеек. Слишком большой информационный объем для одной ячейки также не оптимален, т. к. тогда наверняка часть битов в ячейках будет невостребованной. Стандартным является минимальный адресуемый объем памяти в 1 байт (8 бит).

Разумеется, для информационного обмена с памятью недостаточно только ША и ШД. Микропроцессор должен передать в память еще и управляющий сигнал о том, что он собирается делать (считывать из памяти информацию или записывать в память данные). Для этой цели МП формирует еще сигналы управления. Так, имеется сигнал чтения из памяти и сигнал записи в память. Таким образом, информационный обмен микропроцессора с памятью выглядит следующим образом:

q микропроцессор выставляет на ША адрес ячейки памяти, с которой собирается произвести обмен информацией;

q микропроцессор формирует один из сигналов управления — чтение из памяти или записи в память;

q по ШД производился обмен информацией между микропроцессором и памятью.

Вернемся к рис. 4.1, где кроме памяти имеется еще одна система — порты ввода/вывода. Их назначение заключается в организации обмена между микропроцессором и " внешним миром". При этом, под " внешним миром" понимаются в том числе и такие известные внешние устройства как накопители на дисках, клавиатура, мышь и др.

В функциональном плане порты ввода/вывода аналогичны ячейкам памяти: каждый порт имеет свой адрес и занимает определенный информационный объем (например, распространены однобайтовые и двухбайтовые порты).

Для ввода данных из внешнего устройства микропроцессор выставляет на ША адрес порта, затем формирует сигнал управления " ввод из порта" и под его управлением информация по ШД вводится в микропроцессор. Аналогично происходит работа и портами вывода, только в этом случае формируется сигнал управления " вывод в порт".

Если обобщить рассмотренное, то можно сказать, что функционирование системы представленной на рис. 4.1 сводится к четырем основным действиям:

q чтение из памяти;

q запись в память;

q вывод в порт вывода;

q ввод из порта ввода.

В начале главы мы привели принцип фон Неймана. Теперь можно его пояснить более подробно. Так, программа состоит из команд и располагается в памяти вычислительной системы. Микропроцессор выставляет на ША адрес первой команды, считывает ее из памяти и выполняет. После этого микропроцессор выставляет на ША адрес следующей команды, считывает и выполняет и т. д. В процессе выполнения команды могут производиться: вычислительное действие, запись в память, ввод из порта либо вывод в порт. Фактически, если посмотреть на процесс выполнения любой программы в компьютере, то ничего, кроме описанных действий, вы не увидите.

Следует пояснить еще один вопрос, который касается памяти. Физически память реализуется в виде микросхем одного из двух типов: ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) и ОЗУ (оперативное запоминающее устройство). Они отличаются тем, что в ОЗУ можно записывать информацию в процессе работы, а в ПЗУ нет. Однако при выключении питания информация из ОЗУ пропадает, а из ПЗУ — нет. Дело в том, что в ПЗУ записываются программы на этапе заводской разработки компьютера. Эти программы располагаются в ПЗУ и обеспечивают начальный старт вычислительной системы (данными программами в их неизменном виде мы пользуемся в процессе работы на компьютере). Поэтому важно, чтобы они не пропадали в процессе выключения питания. Что касается ОЗУ, то в микросхемы этого вида памяти мы помещаем текущую информацию, которая используется в течение определенного сеанса работы на компьютере.

Архитектура микропроцессора

Микропроцессор является сложным элементом, и в этом разделе мы посмотрим, что находится внутри него. На рис. 4.2 представлены основные элементы внутренней архитектуры типичного микропроцессора. Так, в любом микропроцессоре есть так называемые регистры общего назначения, количество которых в каждом микропроцессоре различно. Как правило, количество регистров общего назначения варьируется от 10 до 20. На рис. 4.2 они обозначены буквами A, B, ..., L. Информационный объем регистровкратен одному байту и каждый регистр, как правило, занимает от одного до восьми байтов. Фактически регистры являются такими же ячейками памяти, только доступ к ним производится быстрее (это связано с тем, что регистры находятся внутри микропроцессора), чем к памяти по ШД.

Рис. 4.2. Основные элементы внутренней архитектуры микропроцессора

Здесь полезно сделать отступление и " разобраться" с видами памяти. Можно предложить следующий аналог различных видов памяти. Так, в своей учебе мы используем книги. Какие-то книги мы используем постоянно, и они находятся на нашем рабочем столе. Другие книги мы помещаем на книжную полку над столом, а редко используемые в шкаф. Достоинство книжного шкафа в том, что он вместительный, однако к нему нужно еще идти. Полка менее вместительная, но доступ к ней проще, чем к шкафу. На столе информацию получить быстрее и удобнее, однако, он " не резиновый". Регистры общего назначения аналогичны рабочему столу, т. к. доступ к ним производится максимально быстро. Полка над столом аналогична основной памяти, и объем этой памяти 2^N. Шкаф соответствует внешней памяти. Внешняя память представляет внешнее устройство и подключается через порты ввода/вывода. Соответственно, доступ к ней производится наиболее медленно.

Ключевым компонентом микропроцессора является АЛУ — арифметико-логическое устройство, в котором производится выполнение вычислительных команд. Так, считав команду из памяти, микропроцессор ее анализирует и если по команде требуется выполнить вычислительное действие, то оно выполняется в АЛУ.

Как мы уже сказали, микропроцессор последовательно считывает команды из памяти и выполняет их. Очевидно, что микропроцессор в процессе выполнения текущей команды должен каким-то образом определять — где в памяти следует брать следующую команду. Для этого предназначен программный счетчик — IP (см. рис. 4.2).

По результатам каждой вычислительной операции в микропроцессоре автоматически формируются двоичные признаки результата (нулевой или ненулевой, отрицательный или положительный и некоторые другие). Эти двоичные признаки результата фиксируются в специальном внутреннем регистре — регистре флагов F.

И еще один компонент на рис. 4.2 — указатель стека SP. Дело в том, что стек — это определенный способ организации памяти, при котором запись и извлечение информации происходит в обратном порядке. Так, последнее записанное в стек число извлекается первым, а первое внесенное данное — последним. Для организации стека необходимо фиксировать адрес последней занятой ячейки стека. Для этого и предназначен регистр SP. И последнее, о чем стоит упомянуть: для организации стека отводится часть памяти вычислительной системы (часть от общего пространства, которое составляет 2^N).

Типы микропроцессоров

В 1971 году инженеры фирмы Intel построили схему центрального процессора на одном кремниевом кристалле, который содержал 2250 транзисторов. Основная характеристика любого микропроцессора — это разрядность, которая соответствует числу битов, над которыми микропроцессор может одновременно выполнить действие. Разработанный 1971 году микропроцессор Intel 4004 являлся четырехразрядным и предназначался для карманных калькуляторов.

После четырехразрядных микропроцессоров наступила эпоха восьмиразрядных. И в этой категории микропроцессором, который оставался достаточное долгое время популярным, являлся Intel 8080. Этот микропроцессор имел 16-разрядную ША и 8-разрядную ШД.

Эпоха персональных компьютеров началась с 16-разрядного микропроцессора Intel 8086. Далее новинки микропроцессорной техники стали быстро появляться одна за другой: Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Pentium, Celeron и т. д.

Кроме разрядности еще одна важная характеристика микропроцессора — быстродействие. Быстродействие определяет количество элементарных операций, которые микропроцессор может выполнять за единицу времени (за одну секунду).

Основное " потребительское свойство" микропроцессоров — это совокупность команд, которые он может выполнять. Из этих команд (как из конструктора) строятся программы. Ассортимент команд каждого микропроцессора уникален и называется системой команд. Программировать на уровне команд микропроцессора не очень удобно, и все языки высокого уровня (типа Паскаля, о котором пойдет речь в книге далее) содержат более интегрированные конструкции. В этом случае программист может писать программы на языке, который ближе к понятиям, используемым человеком.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: