LEKCJA

LEKCJA
TEMAT: Zasada działania komputera.
1. Ogólna budowa komputera
Rys. Ogólna budowa komputera.
2. Komputer składa się z czterech głównych składników:
• procesor (jednostka centralna, CPU) – steruje działaniem komputera i realizuje
funkcje przetwarzania danych;
• pamięć operacyjna – pamięć bezpośrednio połączona z procesorem,
przechowuje dane i program;
• urządzenia zewn. (urządzenia wejścia/wyjścia) np. klawiatura, monitor,
drukarka, dysk, CD, DVD, etc. np. klawiatura, monitor, drukarka, dysk, CD,
DVD, etc. Komunikacja między procesorem a tymi urządzeniami odbywa się
za pośrednictwem sterowników;
• magistrala systemowa - połączenia systemu;
wszystkie mechanizmy
zapewniające komunikację między jednostką centralną, pamięcią operacyjną a
urządzeniami zewnętrznymi.
3. Architektura von Neumanna to rodzaj architektury komputera, przedstawionej po raz
pierwszy w 1945 roku komputera, przez von Neumanna , a stworzonej wspólnie z W.
Mauchly’ym i Johnem Presper Eckertem.
Architektura von Neumana polega na ścisłym podziale komputera na trzy podstawowe
części:
• procesor (w ramach którego wydzielona bywa część sterująca oraz część
arytmetyczno-logiczna);
• pamięć komputera (zawierająca dane i sam program);
• urządzenia wejścia/ wyjścia;
4. Charakterystyka systemu komputerowego zbudowanego w oparciu o architekturę von
Neumanna:
• skończona i funkcjonalnie pełna lista rozkazów;
• możliwość wprowadzenia programu do systemu poprzez urządzenia
zewnętrzne i jego przechowywanie w pamięci operacyjnej w sposób
identyczny jak danych;
• pamięć operacyjna składa się z pewnej liczby ponumerowanych komórek
(numer nazywamy adresem);
dostęp do pamięci następuje poprzez podanie przez procesor numer komórki;
informacja jest przetwarzana dzięki sekwencyjnemu odczytywaniu instrukcji
z pamięci operacyjnej komputera i wykonywanie tych instrukcji w procesorze;
Założenia architektury von Neumana pozwalają na przełączanie się systemu
komputerowego z wykonania jednego zadania (programu) na inne bez fizycznej
ingerencji w strukturę systemu, co gwarantuje jego uniwersalność.
5. Schemat logiczny komputera
Ogólnie komputer składa się z procesora, pamięci wewnętrznej oraz połączonych za
pomocą magistrali urządzeń peryferyjnych, czyli zewnętrznych urządzeń wejścia
i wyjścia.
•
•
Rys. Schemat logiczny komputera
•
•
•
•
•
Procesor - stanowi główny podzespół komputera, ponieważ jest odpowiedzialny za
przetwarzanie informacji. Składa się z układów sterujących, arytmometru oraz zespołu
rejestrów.
Układy sterujące - odpowiadają za dostarczanie arytmometrowi danych do obliczeń
z pamięci operacyjnej, przekazywanie wyników obliczeń z powrotem do pamięci oraz
właściwą kolejność przetwarzania.
Arytmometr - jest jednostką, w której odbywają się wszystkie obliczenia realizowane
przez komputer, zarówno arytmetyczne, jak i logiczne na liczbach binarnych.
Rejestry - przechowują adresy wybranych miejsc pamięci operacyjnej oraz dane
i wyniki obliczeń. W określonym rejestrze, zwanym licznikiem rozkazów, jest
umieszczany adres miejsca w pamięci wewnętrznej, zawierającego bieżący rozkaz dla
procesora. Praca procesora odbywa się w tzw. Cyklach rozkazowych.
Pamięć wewnętrzna - składa się z pamięci stałej ROM i operacyjnej RAM. W pamięci
ROM zapisuje informacje o konfiguracji sprzętowej, programy rozpoczynające
pierwszą fazę pracy komputera oraz programy diagnostyczne. Do pamięci ROM nie
można zapisywać danych, można jedynie je odczytać, są przechowywane informacje
będące obiektem bieżącego przetwarzania. Pamięć RAM jest pamięcią lotną, jej
zawartość znika po wyłączeniu komputera.
Magistrala - jest zbiorem przewodów elektrycznych oraz specjalnych gniazd
połączonych ze sobą równolegle, tak aby była możliwość przesyłania danych,
adresów, sygnałów sterujących pomiędzy procesorem, pamięcią wewnętrzną
i urządzeniami peryferyjnymi komputera. Magistrala składa się z szyny sygnałów
sterujących, szyny danych i szyny adresowej. Cykl pracy magistrali odbywa się w
taktach zegarowych, z tym że zwykle częstotliwość pracy magistrali jest kilka razy
mniejsza od częstotliwości pracy procesora. Powoduje to zmniejszenie efektywności
pracy całego systemu komputerowego.
• Urządzenia wejścia i wyjścia - podczas operacji wejścia/wyjścia zachodzi wymiana
informacji pomiędzy pamięcią operacyjną systemu mikroprocesorowego
a urządzeniami peryferyjnymi. Operacje te mogą być realizowane dwoma sposobami:
pod nadzorem procesora lub z bezpośrednim dostępem do pamięci.
6. System mikroprocesorowy
Układy cyfrowe służą do przetwarzania informacji. Przetwarzanie informacji polega
na dostarczeniu do układu bądź systemu danych poddawanych określonym
działaniom, dzięki którym otrzymuje się wynik (praca pewnych urządzeń, obraz, tekst
itd.). Jedną z ważniejszych części systemu mikroprocesorowego jest uniwersalny
układ przetwarzający informację, czyli procesor. Procesor przetwarza informacje,
wykonując na niej elementarne operacje zwane instrukcjami maszynowymi
(rozkazami). Ciąg takich instrukcji realizujący konkretne zadanie przetwarzania
informacji nazywa się programem. Do systemu mikroprocesorowego muszą być
również dostarczone oprogramowanie (software). W przypadku systemu
mikroprocesorowego sposób przetwarzania informacji jest określony głównie przez
oprogramowanie.
•
Rys. Przetwarzanie informacji za pomocą systemu mikroprocesorowego.
7. Architektura
Architektura z Princeton - dane jak i program są przechowywane w tym samym bloku
pamięci, z którym procesor komunikuje się jedną i tą samą magistralą.
Rys. Architektura PAO z Princeton
Architektura harwardzka - pamięć operacyjna jest tworzona z dwóch bloków pamięci
zwanych pamięcią programu i pamięcią danych. Pierwszy przechowuje wyłącznie
program, w drugim zapisywane są dane, na których operuje program. Procesor może
komunikować się z wymienionymi blokami pamięci osobnymi magistralami.
Rys. Harwardzka architektura PAO
Architektura harwardzka ma zastosowanie w komputerach klasy PC (od pojawienia
się procesora Pentium). Powoduje to możliwość równoległego wykonywania operacji,
a więc szybszą pracę procesora.
8. Magistrale
Wszystkie bloki wymieniają informację i współpracują ze sobą używając wspólnych
dróg przesyłania informacji zwanych magistralami. W systemie występują trzy
podstawowe rodzaje magistral:
• magistrala danych - zadaniem jest przesyłaniem danych, wyników oraz kodów
instrukcji. Jest to magistrala dwu kierunkowa.
• magistrala adresowa – przesyłane są adresy komórek pamięci lub układów wej/wyj z
którymi chce się komunikować mikroprocesor. Jest to magistrala jednokierunkowa,
adresy są generowane przez mikroprocesor, natomiast trafiają do pamięci bądź do
układów wej/wyj.
• magistrala sterująca (zestaw linii sterujących) – służą do sterowania pracą układów
współpracujących z mikroprocesorem oraz do sygnalizowania pewnych ich
określonych stanów.
Cykl pracy magistrali odbywa się w taktach zegarowych, z tym że zwykle
częstotliwość pracy magistrali jest kilka razy mniejsza od częstotliwości pracy
procesora. Powoduje to zmniejszenie efektywności pracy całego systemu
komputerowego.
9. Urządzenia peryferyjne mogą służyć nie tylko do wprowadzania i wyprowadzania
informacji (np. klawiatura, mysz, monitor, drukarka, ploter itp.), ale także do
przechowywania informacji (np. pamięci dyskowe). Mogą też być układami
wykonawczymi, komunikacyjnymi lub pomiarowymi. Urządzenia peryferyjne są
dołączane do magistrali systemowej komputera za pośrednictwem odpowiednich
układów wejścia-wyjścia.
10. Używanie układów wejścia-wyjścia wynika z następujących powodów:
• istnieją różnice w szybkości działania współpracujących urządzeń (zachodzi wówczas
konieczność sterowania przepływem informacji),
• istnieją różnice w parametrach elektrycznych współpracujących układów (zachodzi
konieczność translacji poziomów sygnałów),
• urządzenia wymagają podania informacji o określonym formacie wraz z pewnymi
sygnałami sterującymi (np. sygnał video wraz z synchronizacją).
11. Układem wejścia-wyjścia nazywamy układ elektroniczny pośredniczący w wymianie
informacji pomiędzy procesorem i pamięcią systemu z jednej strony a urządzeniem
peryferyjnym z drugiej. Dla systemu mikroprocesorowego układ wejścia-wyjścia
widoczny jest zwykle jako rejestr lub zespół rejestrów o określonych adresach oraz
pewien zestaw sygnałów sterujących.
Rys. Koncepcja komunikacji systemu mikroprocesorowego z urządzeniami
peryferyjnymi.
12. Układy wejścia-wyjścia mogą być przeznaczone do współpracy z konkretnym
urządzeniem peryferyjnym (np. sterownik dysku czy karta graficzna) lub mogą
współpracować z wieloma urządzeniami (np. interfejs szeregowy RS 232C czy
sterownik przerwań).
13. W zależności od sposobu komunikacji z systemem, a dokładniej od sposobu, w jaki
wybierany jest układ wejścia-wyjścia, z którym system chce się komunikować, układy
wejścia-wyjścia możemy podzielić na układy:
• współadresowalne z pamięcią operacyjną,
• izolowane.
14. W przypadku układów współadresowalnych z pamięcią operacyjną wybieramy obiekt,
na którym dokonujemy operacji (komórka pamięci lub rejestr układu wejściawyjścia), za pomocą adresu. Sygnały sterujące są wspólne dla pamięci i układów
wejścia-wyjścia.
Rys. Układy wejścia/wyjścia współadresowalne z pamięcią operacyjną.
Układy we/wy będzie posiadał wejście adresowe i wejście sterujące zapis/odczyt.
Układy współadresowalne z pamięcią wymagają wydzielenia części przestrzeni
adresowej pamięci dla adresów układów wejścia-wyjścia. Układy te i pamięć
operacyjna są obsługiwane tymi samymi rozkazami (ze względu na wspólne sygnały
sterujące wytwarzane w wyniku realizacji określonego rozkazu).
15. Dla izolowanych układów wejścia-wyjścia wybiera się obiekt, na którym dokonywana
jest operacja (komórka pamięci lub rejestr układu wejścia-wyjścia), za pomocą
sygnałów sterujących. Przestrzenie adresowe pamięci i układów wejścia-wyjścia nie
są rozdzielone.
Rys. Układy wejścia/wyjścia izolowane..
W przypadku układów izolowanych sygnały sterujące dla pamięci i układów wejściawyjścia są rozdzielone. Przestrzeń adresowa układów wejścia-wyjścia i pamięci
operacyjnej mogą się pokrywać, gdyż w przypadku jednakowego adresu sygnały
sterujące decydują o tym, czy zostanie wykonana operacja na układzie wejściawyjścia, czy na komórce pamięci. Wymaga to oczywiście osobnych rozkazów
obsługujących pamięć i osobnych rozkazów obsługujących układy wejścia-wyjścia.
16. We współczesnych komputerach obydwa rozwiązania są stosowane. Przykładem jest
tu karta graficzna jako układ współadresowalny z pamięcią operacyjną i sterownik
dysku twardego w standardzie IDE jako układ izolowany.
17. Operacjami wejścia-wyjścia nazywa się całokształt działań potrzebnych do realizacji
wymiany informacji pomiędzy mikroprocesorem i pamięcią z jednej strony a układem
wejścia-wyjścia z drugiej.
18. Operacje wejścia-wyjścia mogą być realizowane w dwojaki sposób:
• od początku do końca przy udziale procesora (z bezpośrednim sterowaniem przez
procesor tzw. tryb PIO); wówczas informacja przepływa przez rejestry procesora,
który także steruje każdym krokiem realizacji operacji,
• bez stałego udziału procesora (z pośrednim sterowaniem przez procesor tzw. tryb
DMA); wówczas procesor inicjuje operacje, a następnie przekazuje sterowanie
realizacją procesu innemu układowi (zarządcy magistrali).