Architektury mikropočítačů Střední odborná škola Otrokovice Architektury mikropočítačů Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš Zatloukal Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

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

Architektury mikropočítačů Obsah tématu Architektura počítače - podle umístění programu a dat - Von Neumannova - Harvardská - podle instrukčního souboru - CISC - RISC jiné architektury (VLIW…)

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 – pokračování Obsahuje: - procesor - paměť programu - paměť dat - periferní obvody   Procesor – ústřední výpočetní a řídicí prvek Paměť 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 – pokračování Periferní 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 1. Společný paměťový prostor (pro program i data) má architektura: VLIW Harvardská Von Neumannova 2. Bez speciální sběrnice pro přenos instrukcí se obejde architektura: CISC RISC Von Neumannova 3. Procesor s architekturou RISC zjednodušeně: Umí toho méně, ale udělá to rychleji Při shodné frekvenci je výkonnější než procesor CISC Pro stejný výpočetní výkon jako CISC mu stačí nižší pracovní frekvence

Kontrolní otázky – správné odpovědi červeně 1. Společný paměťový prostor (pro program i data) má architektura: VLIW Harvardská Von Neumannova 2. Bez speciální sběrnice pro přenos instrukcí se obejde architektura: CISC RISC Von Neumannova 3. Procesor s architekturou RISC zjednodušeně: Umí toho méně, ale udělá to rychleji Při shodné frekvenci je výkonnější než procesor CISC Pro stejný výpočetní výkon jako CISC mu stačí nižší pracovní frekvence

Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní, Blokové schéma počítače Von Neumannovy architektury Obr. 2: vlastní, Von Neumannova architektura – rozdělení (obsazení) paměťového prostoru (porovnání s Harvardskou Obr. 3: vlastní, Blokové schéma počítače s Harvardskou architekturou Obr. 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 