Loginė kompiuterio architektūra

irmikroprocesorius

Loginė kompiuterio architektūra

  1946-52 m. Noimanas (John fon Neumann) kartu su savo kolegomis Prinstono pažangiųjų studijų institute

(Princeton Institute for Advanced Studies) sukūrė naują kompiuterį IAS. Jis tapo visų vėlesnių bendrosios paskirties kompiuterių prototipu. Noimano pasiūlyta struktūra gali būti apibūdinta taip :

     Pirma: Kadangi įrenginys (kompiuteris) visų pirmą yra skaičiuotuvas, jis turi gebėti atlikti dažniausiai pasitaikančias elementarias aritmetines operacijas, t.y. sudėties, atimties, daugybos ir dalybos: +, –, *, /. Todėl jame būtų specializuoti šias operacijas atliekantys organai.    Specifinis būdas, kuriuo jis bus įgyvendintas gali varijuoti, tačiau bet kuriuo atveju deklaruotina kompiuterio pirmoji specifinė dalis – CA (centrinė aritmetika - Central Arithmetic) .

     Antra: Kkompiuterio veikimo logiką, t. y. tikslų jo operacijų nuoseklumą, efektyviausiai gali valdyti centrinis valdymo organas. Jeigu įrenginio (kompiuterio) veikimas pasižymės lankstumu, t. y. kompiuteris atitiks visas

įmanomas paskirtis, tuomet reikės atskirti specifiškas instrukcijas, numatytas specialioms užduotims spręsti, nuo bendrųjų valdymo organų, kurie šias instrukcijas gauna ir vykdo nesigilindami, kas jos iš esmės yra. Minėtos

instrukcijos turi būti tam tikru būdu įsimenamos, o valdymo organai yra įrenginio (kompiuterio) tam tikros veikiančios dalys. Taigi centriniu valdymu (Central Control – CC) vadinsime tik šias pastarąsias funkcijas

atliekančius organus, jie sudaro antrąją specifinę dalį – centrinį valdymą – CV.     Trečia: Kiekvienas įrenginys, atliekantis ilgas ir sudėtingas operacijų sekas (ypač skaičiavimus), turi turėti

pakankamai atminties…a)      Instrukcijoms, kurios valdo uždavinį, būtina daug informacinės medžiagos, ypač tada, kai kodas yra labai

išsamus (detalus, o taip dažniausiai ir būna daugelyje uždavinių). b) duomenims. Ši medžiaga turi būti įsimenama… atminties būtinumas lemia trečiąją  įrenginio specifinę dalį – atmintinę – A (Memory – M).

     Trys specifinės dalys – CA, CV ir A atitinka asociatyvųjį žmogaus nervų sistemos neuroną. Dar liko neaptarti sensorinių arba jautriųjų ir motorinių, arba varomųjų neuronų ekvivalentai. T. y. įrenginio (kompiuterio) įvesties ir

išvesties organai…     Turi būti užtikrinti įrenginio įvesties ir išvesties (sensoriniai ir motoriniai) kontaktai su tam tikra specifine išorine

aplinka. Ši aplinka gali būti vadinama įrenginio išorine įrašymo terpe – R (Recording medium – R)…     Ketvirta: Įrenginys turi turėti organus, transformuojančius informaciją iš R terpės į jo specifines CA, CV ir A

dalis. Šie organai formuoja jo įvestį (input), ketvirtąją specifinę dalį – Į (input – I). Natūralu, kad geriausia visas transformacijas daryti iš R (taikant Į) į A ir niekada tiesiogiai į CA ar CV …

     Penkta. Įrenginys turi turėti organus, transformuojančius informaciją iš jo specifinių CA, CV ir A dalių į R. Šie organai formuoja jo išvestį. Tai penktoji specifinė dalis – I (Output – O). Ir vėl natūralu, kad geriausia visas

transformacijas daryti iš A (taikant I) į R, ir niekada tiesiogiai iš CA ar CV.  

  1946 m. Noimanas kartu su savo kolegomis Prinstono pažangiųjų studijų institute (Princeton Institute for Advanced Studies) ėmėsi kurti  naują kompiuterį IAS.

Šis kompiuteris buvo  baigtas tik 1952 m. ir yra visų vėlesnių bendrosios paskirties kompiuterių prototipas.

Pagrindiniai IAS apibendrintos struktūros kompiuterio komponentai :•   Aritmetinis ir loginis įrenginys (ALĮ), galintis operuoti dvejetainiais skaičiais.

•  Pagrindinė atmintis, sauganti ir duomenis, ir instrukcijas; •   Valdymo įrenginys, interpretuojantis atmintyje esančias instrukcijas ir kontroliuojantis

jų vykdymą.•   Įvesties ir išvesties (Į/I) įrenginys, kurio veikimą taip pat kontroliuoja valdymo

įrenginys.

Su labai reta išimtimi visų šiuolaikiškų kompiuterių apibendrinta struktūra ir funkcionavimas yra tokie patys (jie ir vadinami Noimano mašinomis), tad labai naudinga išnagrinėti IAS kompiuterio veikimą. Kad būtų aiškiau nūdienos vartotojams, Noimano terminologija pakeista.

                                                                                                                                                                                                                                                                                   

Įvestis Aritmetinis loginis Išvestis įrenginys

(IN) (ALU) (OUT)

Pagrindinė (operacinė) atmintis

(RAM)

Vald sist

CPU

CENTRINIS ĮRENGINYS

Valdymas

    Tam, kad dvejetainiai duomenys būtų įsimenami, saugomi, kad su jais būtų atliekami aritmetiniai ir loginiai veiksmai, paprastai reikia labai nedaug pagrindinių loginių komponentų, kurie gali būti derinami įvairiais būdais. Jeigu, bus vykdomi specifiniai skaičiavimai, loginių komponentų kombinacija projektuojama būtent taip, kad galėtų vykti tik šie veiksmai. Įvairių komponentų tarpusavio sujungimo procesą galime įsivaizduoti kaip tam tikrą programavimo formą. Galutinė ,,programa“ atrodys kaip specifiška techninė įranga (hardware), todėl vadinama pastoviąja (technine) programa  (hardwired program).

Jeigu taip būtų realizuojamos visos programos, techninė įranga būtų skirta tik vienam uždaviniui.

Alternatyva: Įsivaizduokime, kad konstruojama bendrosios paskirties kompiuterio konfigūracija aritmetinėms ir loginėms funkcijoms. Tokia techninė įranga galės įvairiai apdoroti duomenis pagal gaunamus valdymo signalus. Kai techninė įranga fiksuota, sukonstruota pagal specialų užsakymą, sistema gauna tik duomenis (juos apdoroja) ir teikia rezultatus. Kai aparatūra yra bendrosios paskirties, sistema gauna duomenis, valdymo signalus (duomenis apdoroja) ir tik tada pateikia rezultatus. Taigi užuot permontavus techninę įrangą kiekvienai naujai programai programuotojui tereikia parengti naują valdymo signalų rinkinį.

Kiekvieno instrukcijos ciklo pradžioje CPĮ išrenka instrukciją iš atminties. Nustatant, kuri instrukcija bus išrenkama toliau, tipiškajame CPĮ taikomas

registras, vadinamas programos skaitikliu (PS). Nekalbant apie specialius atvejus, CPĮ po kiekvienos išrankos padidina PS vienetu ir taip gali išrinkti kitą sekos instrukciją (t. y. instrukciją, kurią rodo kitas, aukštesnis, atminties ląstelės adresas).

Išrinktoji instrukcija siunčiama į CPĮ registrą, vadinamą instrukcijų registru (IR). Instrukcijos pateikiamos dvejetainiu kodu, nurodančiu, kokį veiksmą turi daryti CPĮ. CPĮ interpretuoja instrukciją ir vykdo būtiną veiksmą.

Bendruoju atveju šie veiksmai suskirstomi į keturias kategorijas:• CPĮ - Atmintis. Duomenys gali būti siunčiami iš CPĮ į atmintį arba iš atminties į CPĮ.• CPĮ - Į/I. Duomenys gali būti siunčiami į išorinę aplinką arba iš jos, juos perduodant tarp CPĮ ir Į/I modulio.• Duomenų apdorojimas. CPĮ su duomenimis gali vykdyti tam tikras aritmetines ir logines operacijas.• Valdymas. Tam tikra instrukcija gali nurodyti, kad vykdomoji seka pakeičiama (pvz., JUMP#).

Išrankos ir vykdymo ciklai

Bendruoju atveju šie veiksmai suskirstomi į keturias kategorijas:• CPĮ - Atmintis. Duomenys gali būti siunčiami iš CPĮ į atmintį arba iš atminties į CPĮ.• CPĮ - Į/I. Duomenys gali būti siunčiami į išorinę aplinką arba iš jos, juos perduodant tarp CPĮ ir Į/I modulio.• Duomenų apdorojimas. CPĮ su duomenimis gali vykdyti tam tikras aritmetines ir logines operacijas.• Valdymas. Tam tikra instrukcija gali nurodyti, kad vykdomoji seka pakeičiama (pvz., JUMP#).

Išrankos ir vykdymo ciklaiKiekvieno instrukcijos ciklo pradžioje CPĮ išrenka instrukciją iš atminties. Nustatant, kuri instrukcija bus išrenkama toliau, tipiškajame CPĮ taikomas registras, vadinamas programos skaitikliu (PS). Nekalbant apie specialius atvejus, CPĮ po kiekvienos išrankos padidina PS vienetu ir taip gali išrinkti kitą sekos instrukciją (t. y. instrukciją, kurią rodo kitas, aukštesnis, atminties ląstelės adresas).Išrinktoji instrukcija siunčiama į CPĮ registrą, vadinamą instrukcijų registru (IR). Instrukcijos pateikiamos dvejetainiu kodu, nurodančiu, kokį veiksmą turi daryti CPĮ. CPĮ interpretuoja instrukciją ir vykdo būtiną veiksmą

Architektūra

CISCRISC

Mikroprocesorių savybės gali būti nusakomos daugeliu parametrų. Pagrindiniai jų yra šie:

• Mikroprocesoriaus tipas (universalus ar specializuotas, vienakristalis ar daugiakristalis).

• Duomenų žodžio ilgis (4, 8, 16, 32) - lygiagrečiai apdorojamų skilčių skaičius mikroprocesoriuje. Žodžio ilgis gali būti fiksuotas ir kintamas (daugiakristaliuosc mikroprocesoriuose).

• Adresuojamų atminties žodžių skaičius. Paprastai kuo ilgesnis duomenų žodis, tuo daugiau adresuojama atminties žodžių.

• Veikimo sparta. Dažniausiai tai - per sekundę atliekamų operacijų skaičius.

• Gamybos technologija (pM0P, nM0P, KMOP, TTL ir t. t.). • Valdymo principas : "griežta logika", programinis valdymas arba

mikroprograminis valdymas. • Vartojamoji galia, maitinimo įtampos. • Korpuso dydis, išvadų skaičius, integracijos laipsnis.

Pagrindiniai mikroprocesorių parametrai

Technologinis procesas

• Iki 2010„Intel” naudojo 45 nm procesorių gamybos technologinį procesą. Tačiau jau paskutinįjį šių metų ketvirtį bendrovė pradėjo diegti 32 nm gamybos technologiją. Ji buvo naudojama gaminant pirmuosius „Arrandale” kodiniu pavadinimu žymimus procesorius su 2 branduoliais ir integruotu grafikos valdikliu.

• 2011 m. „Intel” pareita prie 22 nm lustų gamybos būdo. Tai įgalino padidinti procesorių našumą ir dar labiau sumažinti jų poreikį elektros energijai.

• Iki 2013 m. pabaigos „Intel” ketina įvaldyti procesorių gamybą pagal 16 nanometrų technologiją. Manoma, kad visi jie turės daugiau nei po 4 branduolius.

• 10 nm technologija numatoma 2015, 7 nm - 2017, o 5 nm - 2019.

Šiuo metu vis dar naudojamas aliuminis tampa vis didesniu stabdžiu, kadangi visą laiką mažinant tranzistorių matmenis jungiamieji takeliai santykinai užima vis didesnę kristalo dalį.

Aktyviai vystoma technologija, kuri leidžia puslaidininkiuose aliuminio takelius pakeisti varinais.

Varis yra žymiai geresnis laidininkas negu aliuminis (vario specifinė varža yra 0.0175, o aliuminio 0.028 Ohm•mm²/m). Todėl galima sumažinti laidininkų skerspjūvį.

MP greitaveika

Matuojamas 2 būdais:1) paprasčiausios operacijos (pvz.duomenų persiuntimo iš vieno registro į kitą) laiku;2) operacijų skaičiumi, atliekamu per 1 s,

CPU Benchmark results (“Baselines” , Passmark CPU Mark)

The following list describes each of the tests performed:• · Integer Maths Test • · Compression Test • · Prime Number Test • · Encryption Test • · Floating Point Math Test • · SSE/3D Now Test • · Image Rotation Test • · String Sorting Test

Zilog Z 80

1981

Pirmasis IBM PC (IBM 5150) (Intel 80884,77 MHz, 16-256 kB RAM, 360 kB, 5,25 FD)

Įvestis Aritmetinis loginis Išvestis (IN) įrenginys (OUT)

(ALU)

Pagrindinė (operacinė) atmintis

(RAM)

Vald sist

CPU

CENTRINIS ĮRENGINYS

akumuliatorius

RAM adresavimo galimybės

16b 64k

20b 1 M

32b 4 295 M

64b ?

1

1

0

1

1101

&11

1

0

1110

&

1

1

1

1

1111

&

Adresų dešifravimas

1111 0

http://www.datasheetdir.com/DM74ALS244AMSAX+Buffers-Drivers

3 būsenų schema

išrinkimas

įvestisišvestis

3 etapų logika

Kombinatorius formuotuvas buferis

3 būsenų schema

išrinkimas

įvestisišvestis

3 etapų logika

Kombinatorius formuotuvas buferis

Procesorius

Procesorius SDR/DDR SDRAM

7 PCI plokštės

6 USB

M1671

2 IDE kanalai

6 kanalų garsas

BIOS

Super I/O

400 MHz

ATA 133

AC-link

LPC magistralė

PCI magistralė 133 Mbps

M1535D+

PCI 100/133PC 1600/2700

Intel Pentium-4 lustų rinkinio ALi ALLADIN-P4blokinė schema

(RAM)(R0M)