Számítógép architektúra

Dr. Seebauer Mártafőiskolai tanár

seebauer.marta@roik.bmf.hu

Budapesti Műszaki FőiskolaRegionális Oktatási és Innovációs KözpontSzékesfehérvár

Irodalmi források

Cserny L.: Számítógépek architektúrája. Miskolci Egyetem, Dunaújváriosi Főiskolai Kar, 1996.

Tanenbaum A.S.: Számítógéparchitektúrák. Panem Kiadó, Budapest, 2001.

Sima D., Fountain T, Kacsuk P.: Korszerű számítógép-architektúrák tervezési tér megközelítésben. – SZAK Kiadó, 1998.

Számítási modell

Számítógép architektúraProgramozási nyelv

Specifikációseszköz

Végrehajtás

Végrehajtóeszköz

(eddig névtelen)Logikai programozási nyelvekPredikátumlogika alapú modell

ObjektumorientáltObjektumorientált nyelvekObjektum alapú modell

RedukciósFunkcionális nyelvekApplikatív modell

AdatfolyamEgyszeri értékadású nyelvekAdatfolyam modell

Neumann-féleImperatív nyelvekNeumann modell

-0-típusú nyelvekTuring modell

SzámítógéposztályNyelvosztálySzámítási modell

Neumann-elvHNF Padernborn

Neumann-féle számítási modellA számítások alapelemei az adatokadatok.Az adatok nevesítettek, hogy egy számítás során egynél több adatot lehessen

használni. A nevesített adatelemeket a programozási nyelvekben változóknakváltozóknak nevezik.

A számítások végrehajtása során ezeknek a változóknak meghatározott memória és regiszterhelyekmemória és regiszterhelyek felelnek meg. A megfelelő memória- és regisztercímeket a fordítóprogram rendeli hozzá a változónevekhez.

A többszörös értékadástöbbszörös értékadás megengedett. A változók a számítások során, ha szükséges, új értéket kaphatnak, és értéküket mindaddig megtartják, amíg új értéket nem rendelünk hozzá.

SzámításonSzámításon az adatokon végrehajtott műveleteket értjük.Az adatokat és a műveleteket meghatározó utasításokat binárisanbinárisan kódoljuk.Az utasítások végrehajtása állapotállapot--átmenet szemantikátátmenet szemantikát követ. A Neumann-

modell olyan véges automatának tekinthető, amelyben a végrehajtás során az automata pillanatnyi állapotát

• az összes deklarált változóváltozó• az utasításszámláló regiszterutasításszámláló regiszter• minden, a számítás szempontjából jelentőséggel bíró állapotjelzőállapotjelző

aktuális értéke határozza meg.

A többszöri értékadás következménye

A változók értékét az egymást követő utasítások többször is módosíthatják.

A változók aktuális értéke múltérzékenymúltérzékeny, azaz attól függ, hogy eddig mely utasítások kerültek végrehajtásra, más szóval a változók nemnemhivatkozás függetlenekhivatkozás függetlenek. Ennek példája a ciklusváltozók.

A múltérzékenység egy különleges esetét mellékhatásoknak nevezzük. Ez a globális változók értékének a programozó által nem szándékolt, de program által mégis végrehajtott módosítása.

A közvetlen vezérlésű végrehajtás következménye

Mivel a Neumann-modellben a számítási feladatot egy rendezett utasítássorozat írja le, és ezen utasítások sorrendje közvetlen vezérlésű, a Neumann-féle számítási modell alapvetően soros jellegűsoros jellegű.Ez esetben az alapvetően soros problémaleírás még azokban az esetekben is soros feldolgozáshoz vezet, amikor a feladat eredendően párhuzamos jellegű, például:

z=(a+b)*(c+d)A soros végrehajtás kényszerű korlátja feloldható, ha a számítások párhuzamosan végrehajtható részeinek kijelölésére új absztrakciót vezetünk be, amelyet az absztrakció jellegétől függően folyamatnakfolyamatnakvagy szálnakszálnak nevezünk. A párhuzamos végrehajtás megvalósításához kommunikációhozkommunikációhoz, szinkronizációhozszinkronizációhoz és az adatmegosztáshozadatmegosztáshoz megfelelő mechanizmusokat kell biztosítani.

A számítógép architektúra fogalma

Amdahl, 1964„a számítógép azon felépítése, amelyet egy alacsony szinten

programokat fejlesztő szakembernek kell ismernie ahhoz, hogy korrekt programokat tudjon írni egy gépre”

TartalmazzaTartalmazza a regiszterek, memória deklarálását, az utasításkészletet, az utasításszerkezetet, címzési módokat, utasításkódokat.

Nem tartalmazzaNem tartalmazza az implementációt (tényleges hardverstruktúrát) és a megvalósítás módját (áramköri technológiát, az áramkörök megvalósítását és azok összeköttetéseit).

A számítógép architektúra fogalma

Bell és Newell, 1970Többszintű hierarchikusTöbbszintű hierarchikus leírás:

– áramköri szint– logikai tervezés szintje– programozási szint– processzor-memória sínek szintje.

Az architektúra másik megfogalmazása: – a külső jellemzők;– a belső felépítés – működés

együttes leírása.

Az értelmezés szintjei Neumann számítási modell esetén

Leírási szintek

• Magas szintű programnyelvek szintje• Gépi kód (assembly) szintje • Operációs rendszer szintje• Processzor utasítás szintje (ISA)• Mikroarchitektúra szintje• Digitális áramköri szint

Szekvenciális mikroarchitektúraEgy információ-feldolgozó rendszer funkciója, hogy az input információk A halmazát transzformálja az output információk B halmazába.

B= f(A)Az adatok az operatív tárban helyezkednek el. Az adatfeldolgozást a CPU (Central Processor Unit) végzi, amelyet program vezérel, amely ugyancsak az operatív tárban található.A CPU-t feloszthatjuk

– egy ALU-ra (Arithmetical Logical Unit) vagy műveleti egységre (adatfeldolgozó részre) és

– egy vezérlőegységre CU (Control Unit) (programvezérlő részre).

Regiszterek

ALU Műveleti egység

... ...

CUVezérlő egység

CPUKözponti egység

RAMOperatív tár

I/O eszközök

Lemezegységek Nyomtató …Busz

rendszer

Neumann architektúrájúszámítógép felépítése

Logikai architektúra– operatív tár– műveleti egység– vezérlőegység– megszakítási rendszer– I/O rendszer– buszrendszer

Egy logikai architektúrához több fizikai is kötődik, amelyet.– integrált áramkörök– aktív elemek– passzív elemek– vezetékek– csatlakozók

alkotnak.