Loginė kompiuterio architektūra ir mikroprocesorius

1. Loginė kompiuterio architektūra irmikroprocesorius

2. Loginė kompiuterio architektūra

3.   1946-52 m. Noimanas (John fon Neumann)kartu su savo kolegomis Prinstono pažangiųjų studijų institute (Princeton Institute for Advanced Studies) sukūrė naują kompiuterį IAS. Jistapo visų vėlesnių bendrosios paskirties kompiuterių prototipu. Noimano pasiūlyta struktūra gali būti apibūdintataip : 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 būtinumaslemia trečiąją  įrenginio specifinę dalį – atmintinę – A(Memory – M).      Trys specifinės dalys – CA, CV ir A atitinka asociatyvųjį žmogaus nervųsistemos 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.

4. 1946 m. NoimanaskartususavokolegomisPrinstonopažangiųjųstudijų institute (Princeton Institute for Advanced Studies) ėmėsikurtinaująkompiuterį IAS. Šiskompiuterisbuvobaigtastik 1952 m. iryravisųvėlesniųbendrosiospaskirtieskompiuteriųprototipas. Pagrindiniai IAS apibendrintosstruktūroskompiuteriokomponentai : •   Aritmetinisirloginisįrenginys (ALĮ), galintisoperuotidvejetainiaisskaičiais. •  Pagrindinėatmintis, saugantiirduomenis, irinstrukcijas;  •   Valdymoįrenginys, interpretuojantisatmintyjeesančiasinstrukcijasirkontroliuojantisjųvykdymą. •   Įvestiesirišvesties (Į/I) įrenginys, kurioveikimątaip pat kontroliuojavaldymoįrenginys. Su labairetaišimtimivisųšiuolaikiškųkompiuteriųapibendrintastruktūrairfunkcionavimasyratokiepatys (jieirvadinamiNoimanomašinomis), tad labainaudingaišnagrinėti IAS kompiuterioveikimą. Kadbūtųaiškiaunūdienosvartotojams, Noimanoterminologijapakeista.

5. CENTRINIS ĮRENGINYS CPU Įvestis Aritmetinis loginis Išvestisįrenginys(IN) (ALU)(OUT) Pagrindinė (operacinė) atmintis(RAM) Vald sist

6. Valdymas

7.   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 tikduomenis (juos apdoroja) ir teikia rezultatus. Kai aparatūra yra bendrosios paskirties, sistema gauna duomenis, valdymo signalus (duomenis apdoroja) ir tik tada pateikia rezultatus. Taigi užuotpermontavus techninę įrangą kiekvienai naujai programai programuotojui tereikia parengti naują valdymo signalų rinkinį.

11. 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. 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#).

12. Išrankos ir vykdymo ciklai 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#).

13. Architektūra CISC RISC

15. Pagrindiniai mikroprocesorių parametrai

16. Technologinis procesas • Iki 2010„Intel” naudojo45 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.

17. 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.

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

19. 1981 Pirmasis IBM PC (IBM 5150)(Intel 80884,77 MHz, 16-256 kB RAM, 360 kB, 5,25 FD) Zilog Z 80

20. CENTRINIS ĮRENGINYS CPU Įvestis Aritmetinis loginis Išvestis(IN) įrenginys(OUT) (ALU) Pagrindinė (operacinė) atmintis(RAM) Vald sist

21. akumuliatorius

22. RAM adresavimo galimybės 16b 64k 20b 1 M 32b 4 295 M 64b ?

23. & 1 1 1 1 1111 & & 1 1 0 1 1 1 1 0 1110 1101 Adresų dešifravimas 1111  0

34. 3 būsenų schema išrinkimas išvestis įvestis

36. 3 etapų logika Kombinatorius formuotuvas buferis

37. 3 būsenų schema išrinkimas išvestis įvestis

38. 3 etapų logika Kombinatorius formuotuvas buferis

41. Procesorius 400 MHz M1671 SDR/DDR SDRAM Procesorius PCI 100/133PC 1600/2700 PCI magistralė133 Mbps 7 PCI plokštės ATA 133 2 IDE kanalai M1535D+ 6 USB 6 kanalų garsas AC-link LPC magistralė Super I/O BIOS Intel Pentium-4 lustų rinkinio ALi ALLADIN-P4 blokinė schema

42. (RAM) (R0M)