Architektury mikropočítačů

Prezentace na téma: "Architektury mikropočítačů"— Transkript prezentace:

1 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 ISSN:  , financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze.

2 Charakteristika DUM 2 Název školy a adresa
Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, Otrokovice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/ /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

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

4 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.

5 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)

6 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)

7 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 , 80386,80486, Pentium) (zároveň jde o kategorii procesorů typu CISC – viz dále)

8 Blokové schéma počítače Von Neumannovy architektury
Obr. 1

9 Von Neumannova architektura – rozdělení (obsazení) paměťového prostoru
(porovnání s Harvardskou) Obr. 2

10 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.

11 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)

12 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.

13 Blokové schéma počítače s Harvardskou architekturou
Obr. 3

14 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.

15 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

16 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)

17 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 , 80386,8 0486, Pentium) – zároveň jde o typy s Von Neumannovou architekturou)

18 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.

19 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).

20 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).

21 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

22 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

23 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

24 Seznam použité literatury:
[1] Matoušek, D.: Číslicová technika, BEN Praha, 2001, ISBN [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 X

25 Děkuji za pozornost 