Міністерство  освіти України

Якийсь  наворочений інститут 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Архітектура та програмне забезпечення комп’ютера

(реферат) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Виконала:

студентка, комсомолка, спортсменка 

__________________ Н.Т.Сверида 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

м.Чернівці, 2002 р.

Анотація. 

      Процес  господарської діяльності підприємства супроводжується накопиченням найрізноманітнішої інформації. Необхідною умовою успішного  функціонування підприємства в умовах ринкової економіки є своєчасне  та адекватне реагування на поточні  обставини, яке, в свою чергу, неможливе без правильної та оперативної обробки наявної інформації.

      Для автоматизації даного процесу використовуються електронно-обчислювальні машини (ЕОМ). Розроблено багато типів найрізноманітніших ЕОМ, робота яких базується на різних принципах, однак найбільш розповсюдженими є т.з. цифрові ЕОМ – комп’ютери.

      Сучасний  комп’ютер є надскладною електронною системою із великою номенклатурою функціональних можливостей та фактично безмежною кількістю мажливих станів. Використання комп’ютера надає широкі можливості для збереження та обробки різнотипної інформації, а великий набір периферійних пристроїв дозволяє реалізувати її представлення в будь-якому форматі.

      Для ефективного використання комп’ютера в практичній діяльності необхідне усвідомлення кола завдань, які можуть бути вирішені за його допомогою. Для цього необхідним є розуміння базових принципів побудови та функціонування комп’ютера.

      Предметом розгляду даного реферату є архітектура  комп’ютера – принципи функціонування у поєднанні з функціональними можливостями на прикладі архітектури ПК IBM PC, обладнаного мікропроцесором, сімейства х86 фірми Intel Corporation..

      Реферат містить 20 сторінок друкованого тексту, 6 малюнків та 1 додаток.

      Текст документу набрано та відформатовано за допомогою текстового процесора Word 97 фірми Microsoft.

Зміст 

1. Вступ.

      Електронні  схеми комп’ютера будуються на цифрових (дискретних) логічних елементах, які можуть перебувати в двох стійких станах. Носієм інформації в комп’ютері є напруга, яка може мати високий (high) або низький (low) рівні. Високий рівень напруги називається логічною одиницею, а низький – логічним нулем.

      Числові величини комп’ютері (в тому числі коди символів) представлені в двійковій позиційній системі числення (системі числення з основою 2)¹ Це означає, що для запису будь-якого числа можуть використовуватися лише дві цифри 0 та 1. Двійкова цифра має назву біт². Кожен біт може приймати значення 0 або 1, які в роботі електронних схем представляються відповідно низьким (low) та високим (high) рівнями напруги. Використання двійкової позиційної системи числення зумовлене простотою реалізації логічних елементів, здатних працювати з двійковою інформацією.

      Одиницею  інформації в комп’ютері є один біт. Один біт може приймати лише одне з двох можливих значень, а тому не може бути використаний для представлення великої кількості інформації. Для представлення чисел довільної величини використовується комбінація з 8 біт – байт (Byte). Один байт може зберігати числове значення в межах від 0 до 255. При необхідності представлення чисел більшої величини використовується комбінація двох (машинне слово – Word), чотирьох (подвійне машинне слово – Double Word) байт.

      Комп’ютер може маніпулювати інформацією на рівні байтів, тобто одиницею інформації, з якою працюють підсистеми комп’ютера є комбінація з восьми біт³.

      Будь-яка  інформація в комп’ютері представлена числовими величинами. Кожному текстовому або псевдографічному символу ставиться у відповідність числовий код ASCII в межах від 0 до 255, тобто текстові значення трансформуються в послідовність числових кодів, розмірністю 1 байт⁴, кожен з яких представляє один з символів.

2. Структурна схема  та принципи роботи  сучасного комп’ютера.

2.1. Принцип програмного керування.

      В основу функціонування комп’ютера покладено принцип програмного керування Чарлза Беббіджа⁵. Цей принцип передбачає наявність обчислювача та програми. Обчислювач – пристрій, який здатний здійснювати над даними елементарні операції, виконання яких в необхідній послідовності приводить до потрібного результату. Такі елементарні операції називаються командами або інструкціями обчислювача. Послідовність команд (інструкцій) називається алгоритмом, а представлення цієї послідовності в формалізованому вигляді, придатному для виконання обчислювачем (т.з. машинне представлення) – програмою обробки. В процесі обробки дані, які підлягають перетворенню, та програма керування процесом перетворення, повинні знаходитись в пам’яті комп’ютера. Для занесення програми і даних до пам’яті призначені пристрої вводу-виводу.

      Враховуючи  вищенаведене, спрощена структурна схема  комп’ютера набуває вигляду:

 На даній  схемі (мал.2.1.1.) зображено основні  компоненти комп’ютера:

• CPU (Central Processing Unit) – центральний процесор;
• MM (Memory Module) – модуль пам’яті;
• IOD (Input\Output Devices) – пристрої вводу-виводу.

     Широкими  стрілками зазначені інформаційні зв’язки між структурними елементами, тобто можливі шляхи транспортування інформації. Тонкі стрілки відображають зв’язки керування та підзвітності пристроїв.

     Модуль  пам’яті реалізує функції тимчасового збереження даних та кодів команд програми в процесі виконання останньої. Взаємодія центрального процесора з пам’яттю забезпечується можливістю виконання двох операцій: читання з пам’яті -- дані, що зберігаються в пам’яті стають відомими центральному процесору, та запису до пам’яті – результати роботи центрального процесора можуть бути занесенні до пам’яті з метою тимчасового їх зберігання.

     Взаємодія користувача з комп’ютером здійснюється через пристрої вводу-виводу. Пристрої вводу-виводу надають можливість останньому здійснювати керівництво процесом виконання програми, а також забезпечують вивід (відображення) результатів роботи в зручному для користувача форматі (оскільки двійкова форма представлення результатів роботи не є найзручнішою для сприйняття людиною).

     Центральний процесор відіграє в системі роль обчислювача і реалізує виконання  програми обробки даних, що знаходяться  в пам’яті; програма перед запуском також розміщується в пам’яті. Процес обробки даних полягає в послідовному читанні центральним процесором з пам’яті команд програми із наступним їх виконанням над даними і формуванням проміжних (тимчасових) результатів. Виконання у необхідному порядку сукупності операцій, описаних програмою приводить до правильного результату, який є метою здійснення обчислень.

      Кожна команда програми, представлена в  пам’яті в двійковому форматі, є однією із набору команд, які можуть бути виконані центральним процесором. Множина команд центрального процесора називається його операційним ресурсом. Команди, що не входять до операційного ресурсу процесора, останнім не виконуються; при цьому робота програми аварійно завершується.

 Принцип програмного  керування Беббіджа реалізується апаратно-програмною моделлю обчислювача, яка використовує цикл керування Дж.Фон-Неймана. (Мал.2.1.2). Даний цикл розбиває процес виконання команди на чотири етапи (фази):

      1. вибірка команди з пам’яті;

      2. декодування команди;

      3. інкримент⁶ лічильника команд;

      4. збереження результату;

До  операційного ресурсу процесора  входять команди, які не формують результату (наприклад – порожня  операція (No OPeration – NOP)), а тому фаза 4 може бути пропущена.

      Доведено, що для реалізації довільного алгоритму  достатньо операційного ресурсу, до якого входять лише 4 команди:

      - пересилка даних з комірки  в комірку⁷;

      - інкримент (або дикремент) лічильника;

      - умовний перехід по співпаданню  слів⁸;

      - безумовна зупинка.

      Операційний ресурс реальних процесорів складається зі 100-400 команд, що значно спрощує процес програмування.

2.2. Архітектура комп’ютера.

       Сучасні комп’ютери використовують магістрально-модульну (магістрально-блочну) організацію (мал.2.2.1.), в основу якої покладено поняття модуля – електронної схеми, яка виконує певну функцію в комп’ютері (модуль пам’яті, центральний процесор), та магістралі – сукупності ліній електричного зв’язку, які забезпечує взаємодію модулів.

      Кожен модуль, під’єднаний до магістралі може здійснювати обмін інформацією з іншим модулем. Модулі, які можуть виконувати роль ініціатора обміну, називаються Master (Bus-Master) – вони ж і керують процесом обміну -- генерують необхідні керуючі сигнали та аналізують і адекватно реагують на відповідні сигнали статусу модуля-кореспондента. Модулі, які не можуть керувати процесом обміну інформацією за магістраллю, називаються Slave. Вони аналізують сигнали керування, згенеровані модулем, типу Master і інформують його про свій стан шляхом встановлення відповідних сигналів статусу.

      Деякі з модулів можуть працювати лише як Master (наприклад, центральний процесор), інші – як Slave (наприклад, модуль пам’яті); існують модулі, які можуть працювати як Master і як Slave (наприклад, контролер жорсткого диску). На магістралі можуть бути присутні декілька модулів, типу Master, однак керувати магістраллю одночасно вони не можуть. Конфлікти між модулями, які одночасно намагаються отримати доступ до магістралі, вирішуються спеціальним модулем – арбітром. Завданням арбітра є аналіз претензій на керування магістраллю від пристроїв, типу Master і задоволення запиту лише одного з них. Така схема вирішення конфліктів називається паралельним арбітражем.

      Існують методи послідовного арбітражу, типу Daisy Chain, які не передбачають наявності модуля-арбітра. При використанні даного способу арбітражу функції арбітра виконує сама магістраль. Прикладом такої схеми арбітражу є шина USB –Universal Serial Bus (універсальна послідовна магістраль, призначена для підключення великої кількості периферійних пристроїв).

      Схема на мал.2.2.1. відображає магістрально-модульну архітектуру з паралельним арбітражем.

3. Основні компоненти  комп’ютера.

3.1. Пам’ять.

3.1.1. Логічна  організація пам’яті.

      Пам’ять комп’ютера (мал.3.1.1.1.) представлена у вигляді неперервного масиву комірок, кожна з якої може зберігати один байт інформації. Кожній комірці пам’яті ставиться у відповідність її номер в масиві. Комірки нумеруються, починаючи з нуля; номер комірки називається адресою, а кількість комірок в масиві називається розміром або об’ємом пам’яті в байтах.

 Пам’ять комп’ютера реалізує три основні функції: прийняття даних (запис інформації), видача даних (читання інформації) та збереження інформації. Процес читання або запису з\до пам’яті називається зверненням або доступом до пам’яті.

      Модуль  пам’яті забезпечує звернення (доступ) до будь-якої комірки пам’яті в межах масиву, при цьому ідентифікація комірки, до якої здійснюється звернення, реалізується шляхом безпосереднього вказування її номера в масиві, тобто адреси.

      Для вказування адреси використовується набір ліній електричного зв’язку, за кожною з яких передається одна двійкова цифра адреси шляхом встановлення низького або високого рівня напруги. Така сукупність ліній електричного зв’язку, які несуть сигнали одного функціонального призначення, називається шиною. Набір ліній, призначених для встановлення адреси комірки пам’яті, нашивається шиною адреси або адресною шиною. Кількість лінй в наборі називається шириною або розрядністю шини і повинна бути достатньою для адресації всіх комірок пам’яті в масиві. В загальному випадку розрядність адресної шини, яка необхідна для адресації всіх комірок модуля пам’яті заданого об’єму, визначається формулою 3.1.1.1.

  (3.1.1.1.) 

де  N –кількість комірок в модулі (об’єм модуля пам’яті).

      Запис та читання даних реалізуються за допомогою шини даних -- набору ліній електричного зв’язку, за кожною з яких передається один біт інформації. Кількість ліній в наборі називається шириною або розрядністю шини даних і має бути не меншою 8 (для передачі одного байту інформації)⁹.

3.1.2. Класифікація пам’яті.

1. За тривалістю зберігання інформації:

      Оперативна  або пам’ять з довільним доступом (RAM – Random Access Memory) призначена для зберігання даних та кодів команд програми в процесі її виконання. В будь-який момент часу можливий доступ до довільної комірки оперативної пам’яті, причому можливим є як читання інформації так і її запис. При виключенні живлення інформація, яка зберігалася в оперативній пам’яті, втрачається.

      Постійна  або пам’ять тільки для читання (ROM – Read Only Memory) – зберігає всю інформацію навіть при відключеному живленні (така властивість називається енергонезалежністю), однак запис інформації до такої пам’яті неможливий¹⁰. Основним призначенням такої пам’яті є зберігання важливої системної інформації, яка не підлягає змінам та кодів стандартних програм (наприклад, програми запуску комп’ютера). 

2. За пошуком  інформації в пам’яті:

      Адресна пам’ять. Пошук інформації в адресній пам’яті здійснюється шляхом безпосереднього встановлення адреси комірки пам’яті. Розділ 3.1.1. містить опис принципів роботи адресної пам’ять. За адресним принципом функціонує оперативна пам’ять комп’ютера.

      Асоціативна пам’ять. Пошук інформації в асоціативній пам’яті здійснюється шляхом порівняння асоціативних ознак, які ставляться у відповідність кожному елементу інформації, що зберігається в пам’яті. Пошук завершується видачею елемента даних із потрібною асоціативною ознакою. За асоціативним принципом будується кеш-пам’ять¹¹ в деяких системах.

      Адресно-асоціативна  пам’ять для пошуку інформації використовує поєднання обох описаних вище способів. За адресно-асоціативним (набірно-асоціативним) принципом організована кеш-пам’ять переважної більшості систем.

      Буферна пам’ять (FIFO – First In First Out) організована таким чином, що читання з неї інформації можливе лише в тому порядку, в якому здійснювався запис (в порядку черги). Як правило, така пам’ять є складовою частиною пристроїв вводу-виводу і призначена для часткової компенсації різниці в швидкодій останніх, порівняно з швидкодією інших підсистем комп’ютера. Може бути організована програмно в оперативній пам’яті, тобто фізично використовується частина оперативної пам'яті, а необхідний порядок доступу забезпечується відповідною програмою.

      Стекова пам’ять (LIFO – Last In First Out). Читання зі стекової пам’яті здійснюється в порядку, оберненому до порядку запису. Така пам’ять є необхідною для правильної роботи програм. Фізично є частиною оперативної пам’яті; необхідний порядок доступу забезпечується апаратно на рівні центрального процесора (CPU). 

3. За типом  запам’ятовуючих елементів:

      Статична  пам’ять (SRAM – Static Random Access Memory) в якості запам’ятовуючого елемента використовує т.з. статичний тригер – схемою з можливістю переключення між двома станами. Мікросхеми статичної пам’яті характеризуються високою швидкодією, однак мають і значні недоліки – високий рівень енергоспоживання, низька щільність запам’ятовуючих елементів¹² на кристалі інтегральної мікросхеми, що, в підсумку приводить до високої вартості самого модуля пам’яті та значних втрат енергії при його експлуатації.

      Динамічна пам’ять (DRAM – Dynamic Random Access Memory) в якості запам’ятовуючого елемента використовує конденсатор, який може знаходитись в двох можливих станах – зарядженому та розрядженому. Мікросхеми динамічної пам’яті характеризуються низьким енергоспоживанням, високою щільністю розміщення запам’ятовуючих елементів на кристалі і, як наслідок, -- низькою вартістю та експлуатаційними витратами. Недоліком динамічної пам’яті є невелика швидкодія. 

4. За швидкодією (в порядку спадання):

      Регістрова  пам’ять є складовою частиною арифметико-логічного пристрою (АЛП) центрального процесора і призначена для тимчасового зберігання інформації в процесі виконання обчислень. Надвисока швидкодія регістрової пам’яті забезпечується відсутністю необхідності виконання циклу шини, тобто інформація не передається за магістраллю.

      Надоперативна пам’ять призначена для часткової компенсації різниці між швидкодією центрального процесора та оперативної пам’яті шляхом зберігання найчастіше використовуваних даних із наступною оперативною їх видачею на потребу центрального процесора. Надоперативна пам’ять будується на мікросхемах SRAM (кеш-пам’ять другого та третього рівнів – cache level 2/3).

      Оперативна  пам’ять є основною пам’яттю комп’ютера зберігає інформацію та програму в процесі її виконання. Порівняно із надоперативною та регістровою, швидкодія оперативної пам’яті є низькою, що, головним чином, зумовлено побудовою цієї пам’яті на мікросхемах, типу DRAM. 

      На  структурній схемі комп’ютера (мал.2.1.1.) під функціональним блоком MM (Memory Module) слід розуміти саме оперативну пам’ять комп’ютера. Згідно наведеної вище класифікації, за пошуком інформації вона є адресною, а за типом запам’ятовуючих елементів – динамічною (DRAM).

      Об’єм та швидкодія оперативної пам’яті мають суттєвий вплив на продуктивність комп’ютера, що привело до послідовної розробки наступних типів пам’яті, які суттєво відрізняються швидкодією, функціональними можливостями та принципами роботи з шиною:

• FPM – Fast Page Mode.
• EDO – Extended Data Out.
• BEDO – Burst Extended Data Out.
• SDRAM – Synchronous DRAM.
• DDR SDRAM – Double Data Rate SDRAM.
• VC SDRAM – Virtual Channel SDRAM.
• RDRAM – Direct Rambus DRAM.

3.2. Центральний процесор (мікропроцесор).

3.2.1. Структурна  схема мікропроцесора.

      Центральний процесор (далі по тексту – мікропроцесор або процесор) є ядром комп’ютера і забезпечує виконання програми, розміщеної в оперативній пам’яті. Процес виконання полягає в послідовному читанні кодів команд програми з пам’яті із наступним їх виконанням (мал.2.1.2). Структурна схема мікропроцесора наведена на мал.3.2.1.1.¹³

 Арифметико-логічний пристрій (АЛП) реалізує процес виконання  команд та збереження проміжних результатів  цього процесу. До його складу входять  блок регістрів – регістрова пам’ять та електронні схеми додавання (суматор), множення (помножувач) та виконання порозрядних (логічних) операцій. Кожна з таких електронних схем має одночасний доступ до інформації двох регістрів регістрової пам’яті, а результат роботи схеми може бути зафіксований в будь-якому із цих регістрів.

      В процесі виконання команди АЛП  керується послідовністю сигналів, згенерованих пристроєм керування; така послідовність, в свою чергу, жорстко  визначається виконуваною командою та поточним станом самого АЛП. Для  генерування цієї послідовності  пристрій керування використовує код команди, попередньо декодований дешифратором команд, а також аналізує сигнали статусу АЛП. Поступова реакція АЛП на кожен сигнал керуючої послідовності в підсумку приводить до формування правильного результату в одному з регістрів регістрової пам’яті.

      Своєчасну доставку даних для обчислень, а  також запис результатів обчислень  до оперативної пам’яті або пристроїв вводу-виводу забезпечує шинний інтерфейс, який керує процесом обміну даними між оперативною пам’яттю та процесором. В процесі обміну інформація передається за шиною даних (ШД), а адреса комірки пам’яті чи пристрою вводу-виводу, до яких здійснюється звернення, встановлюється на адресній шині (ША). Керування процесом обміну здійснює шинний інтерфейс шляхом ініціювання необхідної послідовності сигналів керування, реагуючи на які модуль пам’яті або пристрій вводу-виводу передає за ШД необхідну інформацію. Сигнали керування та сигнали статусу пристроїв передаються за спеціальними лініями електричного зв’язку, сукупність яких прийнято називати шиною керування (ШК). Шина даних (ШД), адресна шина (ША) та шина керування (ШК) утворюють системну магістраль.

      Процес  читання або запису одного елемента інформації з\до пам’яті або пристрою вводу-виводу за системною магістраллю називається циклом шини або машинним циклом. Об’єм інформації, який може бути переданий за один цикл шини, безпосередньо залежить від ширини (розрядності) шини даних мікропроцесора та модуля пам’яті і може становити 1, 2, 4 або 8 байт.

      Загальна  кількість комірок оперативної пам’яті, до яких може звертатися мікропроцесор, залежить від ширини (розрядності -R) адресної шини мікропроцесора, і є рівною 2^R.

3.2.2. Виконання  команд.

      Мікропроцесор виконує команди програми в порядку  їх розміщення в оперативній пам’яті комп’ютера. Зміна послідовності виконання команд реалізується спеціальними командами, які називаються командами переходів, тобто процесом виконання програми керує сама ж програма, а не мікропроцесор¹⁴.

      Команди програми розміщуються в пам’яті послідовно, займаючи суміжні комірки пам’яті; розмір пам’яті, необхідний для збереження коду команди, залежить від самої команди і, як правило, складає 1 – 15 байт. Перший байт коду команди називається кодом операції і присутній завжди; всі інші байти можуть бути присутніми або відсутніми в залежності від команди. Формат машинного коду команди приведено на мал. 3.2.2.2. 

 Байт адресації  присутній, якщо команда передбачає роботу з даними в оперативній  пам’яті і визначає спосіб формування адреси операндів. Байт масштабування може бути присутнім при обробці масивів даних, операнди можуть мати розмірність 8, 16, 32 біт (1, 2, 4 байт).

      У відповідності з циклом керування  Дж.Фон-Неймана, процес виконання команди  умовно розбивається на декілька машинних циклів, кількість яких залежить від самої команди і може відрізнятися для різних команд. Першим машинним циклом є цикл читання коду операції команди з оперативної пам’яті і присутній завжди, тобто виконання команди супроводжується, як мінімум, одним машинним циклом. За кодом операції визначається наявність інших байтів команди, а значить, і необхідність ініціювання наступних циклів шини. Цикли шини ініціюються мікропроцесором лише при потребі читання або запису даних з\до пам’яті або пристроїв вводу-виводу.

3.3. Пристрої вводу-виводу.

      Оперативна  пам’ять та мікропроцесор є необхідними для функціонування комп’ютера структурними елементами, однак недостатніми для ефективного використання ПК. Необхідно організувати зручний спосіб взаємодії оператора з комп’ютером, що реалізується за допомогою різноманітних зовнішніх пристроїв, які, в свою чергу взаємодіють з ПК через пристрої вводу-виводу. Остані виконують функції обміну даними периферії з комп’ютером а також здійснюють керування периферійними пристроями.

      Пристрої  вводу-виводу підключені до системної магістралі подібно мікропроцесору та пам’яті і взаємодіють з процесором (або пам’яттю, якщо пристрій може працювати в режимі Master) за стандартними правилами роботи магістралі.

      Подібно до комірок пам’яті, кожен пристрій має свою адресу, за якою він ідентифікується мікропроцесором або іншим пристроєм, типу Master. Адреси комірок пам’яті та пристроїв вводу-виводу можуть співпадати, тобто адресні простори пам’яті та пристроїв вводу-виводу є принципово різними¹⁵.

      До  пристроїв вводу-виводу належать:

1. Контролер клавіатури – пристрій, який забезпечує підключення клавіатури та обробку її сигналів. У випадку натиснення клавіші контролер клавіатури генерує двійкове число, яке фактично скен- кодом клавіші або ASCII-кодом введеного символу.
2. Контролер прямого доступу до пам’яті (Direct Memory Access – DMA) – реалізує можливість перенесення великих масивів інформації між оперативною пам’яттю та будь-яким пристроєм вводу-виводу без участі центрального процесора. Під час роботи самостійно керує системною магістраллю, тобто є пристроєм, типу Master.
3. Контролери гнучкого та жорсткого дисків – забезпечують обмін даними та керування роботою жорстких та дисководів гнучких дисків, пристроїв CD-ROM, магніто-оптичних накопичувачів та ін.
4. Відеоадаптер – забезпечує необхідне перетворення інформації, попередньо розміщеної в його пам’яті, для відображення її в зручному вигляді на екрані монітора. Використовує архітектуру memory map, тобто пам’ять відеоадаптера знаходиться в межах адресного простору оперативної пам’яті комп’ютера.
5. Звуковий адаптер – реалізує можливість обробки аудіо-інформації.
6. Мережевий адаптер – забезпечує об’єднання ПК в локальну комп’ютерну мережу (LAN – Local Area Network), здійснює необхідні перетворення інформації для іі передачі за мережею.
7. Послідовний та паралельний порти – дають можливість підключення до ПК найрізноманітніших периферійних пристроїв.
8. Контролер USB (Univarsal Serial Bus – універсальна послідовна шина) – реалізує принципово новий підхід щодо підключення периферії до ПК, дозволяє підключати значну кількість периферійних пристроїв, які, до того ж можуть знаходитися на значній відстані від комп’ютера.
9. Порт IrDA (Infra-red Data Access) – оптичний порт, який в якості середовища передачі використовує світлові промені інфрачервоного діапазону.