Architektúra všeobecného počítača

Predmet	Od počítača k mikrokontroléru Architektúra všeobecného počítača Architektúra mikrokontroléra Prehľad aktuálneho stavu mikroprocesorových systémov
Konfigurovateľné mikroprocesorové systémy
Tématická časť:
Všeobecný úvod

Počítač (computer) je podľa definície stroj na číslicové a logické spracovanie údajov, ktorý pracuje podľa programu vopred uloženého do pamäti.

Procesor (CPU - central processor unit)

Procesorom (CPU - central processor unit) sa rozumie základná jednotka počítača, t.j. logický automat pre spracovanie informácii, obsahujúci hlavne aritmetickú (ALU) jednotku a riadiacu jednotku. Je to vlastne "počítač bez hlavnej pamäte a bez periférnych zariadení". Mikroprocesor je CPU vyrábaný technológiou veľkej integrácie. Procesory sa oceňujú predovšetkým podľa:

• Rýchlosti CPU (v Hz)
• Efektivita mikrokódu, charakterizujúca počet krokov potrebných na vykonanie jednej inštrukcie (napr. vynásobenie dvoch čísel).
• Počet inštrukčných kanálov, udávajúci maximálny počet inštrukcii, vykonávateľných počas jedného taktu procesora (napr. 4).
• Šírka slova (v počte bitov) určuje jednak maximálne číslo, ktoré je schopný procesor spracovať počas jednej operácie a tiež udáva veľkosť dátovej zbernice procesora, ktorá slúži na prenos dát do a z procesora.
• Interná cache pamäť, ktorej použitie si vyžiadala nutnosť prispôsobiť prístupovú dobu pamäti k taktu procesorov. Interná cache pamäť je súčasťou procesora. Medzi procesor a operačnú pamäť sa vkladá tzv. externá (L2, sekundána) vyrovnávacia pamäť (s kapacitou 32 - 1024 kB), označovaná ako cache pamäť
• Veľkosť adresovateľnej pamäte, ktorá udáva veľkosť pamäte, ktorú je schopný procesor používať. V programe býva zadaná ako tzv. logická (virtuálna) adresa. Táto virtuálna adresa sa potom určitým mechanizmom (závislým na type procesora) prevádza na tzv. fyzickú adresu, ktorá je už adresou ukazujúcou na konkrétnu pamäťovú bunku v operačnej pamäti.

Riadiaca jednotka (controller, control unit) je časť procesora, ktorá riadi vykonávanie operácie a chod celého procesora podľa inštrukcii programu. Riadiaca jednotka pozostáva z časti:

• Register inštrukcii, ktorý uchováva operačný znak inštrukcie počas jej vykonania.
• Dekodér inštrukcii, ktorý obsah dekóduje a generuje riadiace signály pre procesor.

Pod architektúrou procesora rozumieme ideový návrh, t.j. vytýčenie hlavných princípov jeho výstavby s prihliadnutím na potreby programovania, členenia na najdôležitejšie časti a stanovenie ich vlastností atď. K charakteristike architektúry patrí: výpočet registrov a ich funkcii, popis vnútorných a vonkajších zberníc, spôsob adresovania a inštrukčný súbor. Analogicky sa chápe aj architektúra mikropočítača. Táto je predovšetkým predurčená použitým mikroprocesorom a požiadavkami na prostredie. Zásobníková pamäť (stack) je špeciálna pamäť RWM so sekvenčným prístupom. Charakteristické je pre ňu výber dát v opačnom poradí (LIFO - Last In First Out), než v akom do nej boli ukladané. Tu sa s výhodou používa tzv. Ukazovateľ zásobníkovej pamäte SP (Stack Pointer), čo je vlastne počítadlo s predvoľbou. Fronta (Queue) alebo tiež FIFO (First In First Out) sú názvy pre pamäť RWM so sekvenčným prístupom. Dáta sa vyberajú v tom poradí v akom boli do nej ukladané.

Princetonská architektúra (podľa Johna von Neuman)

Von Neumanova  koncepcia. Procesor má k dispozícii len jednu množinu adries a preferencia adries po uložení programu je v moci programátora. Tým vyniká možnosť spracovávať inštrukcie ako dáta a tak modifikovať program. Podľa tejto koncepcie sú postavené takmer všetky väčšie počítače, mikroprocesory a mikropočítače. Dnešné počítače na rozdiel od von Neumanovej schémy môžu pracovať s viacerými procesormi a tiež paralelne s viacerými programami zároveň (tzv. multitasking), čo vedie k efektívnejšiemu využívaniu strojového času. Program sa tiež nemusí v dnešných počítačoch zaviesť naraz celý ale je možné zaviesť len jeho časť a ostatné časti zaviesť až v prípade potreby. Dáta a inštrukcie podľa von Neumanovej koncepcie sú uložené v spoločnej pamäti. Prístup k inštrukciám a dátam prebieha sekvenčne striedaním cyklov F a X ( F - Fetch - výber, X - Execute - vykonaj) :

• Cyklus F - > Obsah CS:IP definuje adresu pamäte. Z pamäte po dátovej zbernici vstupujúce dáta na základe kontextu sú interpretované ako operačný kód a vstupujú do registra inštrukcii , dekódujú sa a ukladajú sa do fronty inštrukcii.
• Cyklus X - > Po dekódovaní kódu inštrukcie sa vykoná vlastná inštrukcia, ktorej kód sa získal z fronty inštrukcii.

Dôsledok sekvenčného striedania cyklov F a X je nižšia priechodnosť dát a inštrukcii. Nie všetky inštrukčné cykly sa však obracajú k pamäti. Počas intervalu keď je zbernica voľná možno pristúpiť k pamäti a uskutočniť predvýber (prefetch) operačného kódu inštrukcie alebo operandu s tým, aby sa inštrukcia skôr zaradila do fronty (FIFO) predpripravených inštrukcii, ktoré sa budú vykonávať. Procesor tak spotrebuje menej cyklov strojového času. Ďalšie zefektívnenie sa dosahuje pomocou prekrývania dekódovania inštrukcie s posledným krokom vykonávania predošlej inštrukice. = > zreťazené spracovanie inštrukcii-pipelining.(napriklad 4 stupňové pipeline: čítanie inštrukcie, dekodovanie, vykonanie, uloženie výsledku).

Princetonska (von Neumannova) architektúra počítača

Hardvardská architektúra (podľa Howarda Aikena)

Hardwardská koncepcia na rozdiel od von Neumanovej predpokladá existenciu dvoch oddelených pamätí. V prvej sú uložené programy a v druhej sú uložené dáta. Programový kód a dáta sú uložené v oddelene adresovaných oblastiach pamäte. Môže sa prekrývať čítanie a vykonávanie inštrukcii. Priechodnosť inštrukcii a dát možno zvýšiť:

• minimalizovaním času potrebného na vykonanie inštrukcie;
• rozdelením jednotlivých inštrukcii na menšie úseky, prekrývanie cyklov.

Hardvardská architektúra umožňuje paralelné spracovanie dát ( niekoľko paralelne zapojených ALU, keď fyzické oddelenie inštrukcii a dát umožňuje súčasný prístup k obom. - RALU rekonfigorovateľné ALU v ktorých načítanie dát sa vykoná 1 impulzom). Napríklad v mikroprocesore 80486 sa vnútri procesora používa hardvardská koncepcia s nezávislými zbernicami, ktoré umožňujú nezávislý prúd dát a adries a pre externý prístup k procesoru kvôli úspore vývodov sa používa princetónska koncepcia.

Hardvardská(Aikenova) architektúra počítača.

Počítač PC

Základná doska je jedna z najdôležitejších súčiastok v počítači. V anglickom jazyku poznáme pre ňu dve mená: motherboard a mainboard. Tieto názvy sú významovo rovnocenné. Základná doska spája všetky ostatné súčiastky počítača v jednotný a plnohodnotný celok. Na nasledujúcich stranách sa pokúsim objasniť základnú problematiku mainboardov.

Popis základných častí základnej dosky

Zakladná doska

1. Pätica procesoru

2. Čipset North Bridge – Najprv vysvetlím pojem čipová sada (čipset). Je jadrom každej základnej dosky. Stará sa o komunikáciu medzi jednotlivými časťami motherboardu, zaručuje spoluprácu medzi ďalšími komponentami PC. Čipset limituje parametre periférii a komponentov PC a ovplyvňuje tak výkon celej zostavy. Čipset sa delí na dva moduly: North Bridge a South Bridge. Tak a teraz sa môžeme venovať problematike čipovej sady North Bridge naplno. North Bridge má ešte pomenovanie System Controller. Nachádza sa bližšie k procesoru a zaisťuje všetku interakciu s časťami základnej dosky a PC ako takého. K procesoru je čipset North Bridge pripojený zbernicou FSB (Front Side Bus) a AGP. V režime AGP 2x dokáže prenášať 264 MB/s a v režime AGP 4x 528 MB/s. Frekvencia AGP je totiž na kmitočte FSB závislá, lebo pre obe sa používa rovnaký frekvenčný generátor. K čipovej sade North Bridge sa pripojuje pamäťová zbernica.

3. Sloty na pamäťové moduly DIMM – Do týchto slotov sa pripájajú pamäťové moduly, tzv. RAM. Poznáme 3 druhy pamäťových modulov: SIMM, DIMM a DDR. Vnútorná pamäť je nepostrádatená súčasť počítača. S touto pamäťou procesor komunikuje priamo. Do vnútornej pamäte sa najprv premiestnia údaje z pevného disku. Vnútorná pamäť ich uchová a poskytne procesoru ku spracovaniu. RAM je tvorená kremíkovými čipmi, ktorým sa hovorí aj šváby. Je umiestnená v základnej doske počítača. Údaje vnútornej pamäte sa udržujú iba, keď je počítač zapnutý. Po vypnutí počítača sa obsah pamäte RAM zmaže. Pamäťové obvody je možné pridávať, môžeme si RAM dokupovať.

4. Konektor napájania dosky – Týmto konektorom je pripojená základná doska ku napájaciemu zdroju v skrinke PC. V 20 pinovom napájacom konektore sú napäťové vodiče 5 a 12V, ovládacie spojenie pre zisťovanie parametrov zdroja. Pri tejto téme je vhodné poznamenať, že dosky ATX sú po vypnutí stále pod prúdom. Pri mechanickom zásahu do PC je teda nutné počítač odpojiť od zdroja prúdu. Pri vývojovo nižších doskách sa PC vypína pri hlásení „Teraz môžete počítač bezbečne vypnúť" vypínačom priamo na PC. To je pri doskách ATX prežitok a PC sa vypne samo.

5. Konektor pevného disku DMA/66 či DMA/100 – bez komentára

6. Konektor pevného disku DMA/33 – bez komentára

7. Konektor radiča diskiet – pripojenie disketovej mechaniky k základnej doske.

8. DIP prepínače – umožňujú nastavenie dosky

9. Zálohovacia batéria pre nastavenie BIOSu – bez komentára

10. BIOS – táto naprogramovaná flash pamäť obsahuje počiatočné nastavenia a má na starosti úvodne testy počítača. Viacej informácií nájdete v časti BIOS

11. Čipset South Bridge – nazývaný Peripherial Bus Controller sa stará o pripojenie ďalších periférií k základnej doske. Medzi North Bridge a South Bridge je natiahnutá zbernica PCI (jej sloty sú na motherboardu pre rozširujúce karty). Rýchlosť PCI je malá (maximálne 133MB/s) a výrobcovia sa zameriavajú práve na zrýchlenie PCI. K tejto čipovej sade je pripojený celý diskový subsystém, takže ovplyvňuje napríklad prenosovú rýchlosť pevných diskov priamo v počítači. Stará sa ešte o USB rozhranie, sériové a paralelné porty, zaisťuje služby BIOSu.

12. Konektor dodatočných USB portov – bez komentára

13. Slot AMR – pripojenie interného modemu.

14. Sloty PCI – slúžia na pripojenie dodatočných kariet na rozhranie PCI.

15. Slot AGP - slúži na pripojenie dodatočnej karty na rozhranie AGP.

16. VGA konektor – pripojenie monitoru k PC.

17. Sériové a paralelné porty – slúžia na pripojenie vstupných/výstupných zariadení a hardwarových kľúčov k PC.

18. USB porty – veľmi populárne a rýchle spojenie vstupných/výstupných zariadení k počítaču.

19. Porty PS/2 – pripojenie klávesnice a myši.

Zbernice

Zbernice slúžia na komunikáciu medzi časťami počítača a na presun dát. Na mainboarde ich nájdeme hneď niekoľko: FSB (Front Side Bus) – je systémová zbernica, ktorá má za úlohu zabezpečovať komunikáciu medzi procesorom, pamäťou cache, operačnou pamäťou a niektorými ďalšími zariadeniami. Táto zbernica je 64-bitová a dosky podporujú minimálne dve pracovné frekvencie: 66MHz alebo 100MHz. Tieto frekvencie sú samozrejme len základné. Hranica 100MHz bola už dávno prekonaná. Čím je väčšia pracovná frekvencia, tým je systém priepustnejší. ISA (Industry Standard Architecture) – je relikvia z čias XT a 286. 16-bitová zbernica slúzi na pripojenie zvukových kariet a faxmodemov. Aj napriek tomu, že je výkonnostne prekonaná, zotrváva. Je to spôsobené tým, že na trhu je množstvo rozširujúcich kariet pracujúcich na tomto rozhraní a používatelia sa ich jednoducho nechcú vzdať. Zbernica ISA prekonala MCA (Microsoft Channel), EISA (Extended Industry Standard Architecture), VL-Bus (VESA Local Bus). PCI (Peripheal Component Interconnect) – 32-bitová zbernica pracujúca na kmitočte 33Mhz a maximálnej priepustnosti 33MHz. V porovnaní s ISA je tu rozsiahlejšia podpora Plug&Play. AGP (Accelerated Graphics Port) – po prvý raz použitá v systémoch s Pentium II. Je to 64-bitová zbernica s pracovnou frekvenciou 166MHz. V základnom režime je to prenosová rýchlosť 264MB/s (1x) neskôr 528MB/s (2x) a najnovšie 1056MB/s (4x) a 2112MB/s (8x). Zbernica AGP umožňuje priamy prístup do operačnej pamäte. Na základnej doske môže byť len jedna rozširujúca karta pracujúca na rozhraní AGP. Pri integrovanej grafike AGP nie je na doske AGP slot a grafiku nemožno vymeniť alebo upgradovať.

Zbernice

Operačná pamäť

Aj keď pod pojem pamäť sa dá zhrnúť veľké množstvo polovodičových súčiastok a na ich členenie možno použiť veľa kritérií, v tomto materiáli sa sústredíme na Ram (Random Access Memory), teda pamäte, ktoré sa v súčastných počítačových systémoch používajú v úlohe operačnej pamäte. SDRAM Postupným zdokonaľovaním pamätí DRAM sa vývojári dopracovali až k pamätiam SDRAM (Static RDRAM), teda pamätiam, ktoré sú hybridom medzi pamäťami SRAM a DRAM. Aj tie podobne ako DRAM používajú na uchovávanie informácie kondenzátory v obvode pamäťovej bunky, s ohľadom na zlepšenú konštrukciu bunky sú však schopné udržať informáciu oveľa dlhší čas, než to bolo pri klasických čipoch DRAM. Toto riešenie znamenalo zníženie „nedostupnosti" (latencie) pamäte z dôvodu obnovovania jej obsahu. Treba si však uvedomiť, že ju nemohlo odstrániť úplne. DDR-SDRAM Tento typ pamäte vznikol evolúciou v súčasnosti najrozšírenejších pamätí využívaných v počítačovej technike – SDRAM. Na rozdiel od svojich klasických predchodkýň sú však tieto pamäte schopné zapisovať a čítať údaje dva razy za hodinový cyklus (s nábežnou i zostupnou hranou impulzu), čo výrazne zvyšuje ich výkonnosť (presnejšie povedané, údajovú priepustnosť pamäte). Na ilustráciu postačí jednoduchý príklad. Ak SDRAM pracuje s hodinovou frekvenciou 100MHz a šírkou údajovej zbernice 8 bitov, jej priepustnosť je 100 MB/s, pri rovnakej frekvencii a šírke údajového slova poskytuje pamäť DDRAM dvojnásobnú prenosovú kapacitu, teda 200MB/s

Zobrazovacie zariadenia

Grafická karta : dôležitá súčasť počítača, väčšinou prídavná karta, ktorá má na starosti grafické spracovanie a výstup dát z počítača na monitor. Grafická karta je jednou z najdôležitejšou časťou PC a jej hlavnou úlohou je prevádzať jednotky a nuly dvojkovej sústavy na obraz, ktorý je možné vidieť na monitore. Dá sa teda povedať, že bez grafickej karty by práca na počítači ťažko vyzerala tak, ako ju dnes poznáme.

Pamäťové médiá

Pevný disk (z angl. hard disk, HD alebo harddisk drive, HDD, predtým tiež Winchester) je zariadenie, ktoré sa používa na uchovávanie dát v počítačoch, ale v súčasnosti už aj v mnohých iných prístrojoch. Dáta sa na pevný disk zapisujú pomocou magnetického záznamu, čo má veľkú výhodu najmä v tom, že sú uložené natrvalo, teda až pokiaľ nie sú zmazané používateľom alebo prístrojom. Vďaka tejto vlastnosti býva pevný disk často označovaný aj ako energeticky nezávislé pamäťové médium. Uložené údaje totiž uchováva aj po ukončení dodávky elektrickej energie.

CD Kompaktný disk (angl. Compact Disc, skrátene CD) je optický digitálny dátový nosič. Pôvodne bol určený len na uloženie zvuku v digitálnej forme. Neskôr tento nosič umožnil aj uloženie iných počítačových údajov (CD-ROM), videozáznamu (Video CD alebo SVCD) alebo fotografií (Photo CD). Evolúciou prešiel aj zápis údajov na CD. Pôvodne sa so zápisom na CD nepočítalo vôbec (údaje sa na CD ukladali lisovaním), až neskôr pribudla možnosť jednorázového zápisu (CD-R) a neskôr aj viacnásobného zápisu (CD-RW).

DVD je formát digitálneho optického dátového nosiča, ktorý môže obsahovať filmy vo vysokej obrazovej a zvukovej kvalite alebo rozličné iné údaje. Bol vyvinutý a vynájdený spoločnosťami Sony a Philips v roku 1995. Používa sa hlavne na ukladanie digitálneho videa a rôznych digitálnych dát. Disky DVD majú rovnaké rozmery ako kompaktné disky CD, ale dokážu uložiť až šesť krát viac dát.Disk DVD sa na pohľad podobá kompaktnému disku.

Pamäťová karta je elektronické zariadenie na ukladanie dát. Používa sa v digitálnych fotoaparátoch, PDA, notebookoch, mobilných telefónoch, prehrávačoch, video hrách, digitálnych záznamníkoch a iných elektronických zariadeniach. Je založená na pamäti typu flash EEPROM. Pamäťová karta je malé, kompaktné zariadenie s relatívne vysokou kapacitou (oproti ostatným pamäťovým médiám), odolné pri zaobchádzaní (odolné voči magnetickým a elektrickým poliam). Karty boli navrhnuté ako náhrada pevného disku pre zariadenia, kde tento nie je možné z rozmerových dôvodov použiť.

Vstupno - výstupné zariadenia

Myš patrí v súčasnosti medzi základné vstupné zariadenia. V podstate sa do maximálnej miery v aplikačnom softvéri obchádza už použitie klávesnice a využíva sa myš. Robí sa to najčastejšie výberom z ponúk na obrazovke a rýchlim pohybom kurzora (grafického ukazovateľa spriahnutého s pohybom myši, najčasnejšie vo forme šípky) po obrazovke. Je externé vstupné zariadenie, ktoré umožňuje plynulé ovládanie pohybu kurzora po obrazovke v ľubovoľnom smere; kurzor presne kopíruje pohyb myši po podložke, čím zjednodušuje ovládanie aplikácií. Všetky graficky orientované operačné systémy ako je Windows si jej používanie prakticky vynucujú. Myš je vybavená jedným alebo viacerými tlačítkami - najčastejšie troma, ktorých funkcia môže byť rôzna (najčastejšie sa ľavé tlačítko používa vo význame Enter a pravé na vyvolanie kontextového menu - miestnej ponuky). Počítač musí byť vybavený potrebným softvérovým ovládačom (driverom), ktorý je dodávaný spolu s myšou na diskete. Citlivosť myši je 300 - 600 dpi. Klávesnica je základné vstupné zariadenie osobného počítača. Počítačová klávesnica je odvodená od klávesnice písacieho stroja. Je určená na vkladanie znakov a ovládanie počítača. Klávesnice majú bežne na jednotlivých klávesách vytlačené alebo vyryté znaky alebo funkcie, ktoré reprezentujú. Vo väčšine prípadov stlačenie jednotlivej klávesy korešponduje s vypísaním jedného znaku. Na vytvorenie niektorých symbolov (resp. znakov) je potrebné stlačiť niekoľko kláves naraz, prípadne v určenom poradí. Niektoré klávesy nevypisujú žiadne znaky, namiesto toho ovplyvňujú beh počítača. Klávesnice majú obvykle aj niekoľko indikačných LED, obvykle pre znázornenie stavu „uzamykateľných" (anlg. lock) kláves, t.j. tých, ktorých stlačením sa mení stav súvisiacej funkcie zo zapnutej na vypnutú a naopak. Táto funkcia sa vyvinula z uzamykateľnej klávesy shift na písacom stroji, ktorý prepína do stavu, keď sa trvalo píšu veľké písmená (angl. Caps-Lock, caps je skr. z capitals, t.j. veľké písmená).

Operačný systém počítača

Operačný systém (OS) je r softvér, ktorý spravuje zdroje počítača a poskytuje programátorom rozhranie na prístup k týmto zdrojom. Operačný systém tiež spracúva systémové dáta a vstupy od používateľa a odpovedá alokovaním a spravovaním úloh a interných zdrojov počítača ako služby pre užívateľa. OS vykonáva základné úlohy ako kontrola a alokovanie pamäte, pridelenie priority systémovým požiadavkám, kontrola vstupných a výstupných zariadení, umožnenie pripojenia do siete a správa súborov. Operačné systémy môžme nájsť takmer vo všetkom, čo obsahuje integrované obvody, od osobných počítačov, cez internetové servery, mobilné telefóny, hudobné prehrávače, routre, switche, herné konzoly, digitálne kamery, až po šijacie stroje či teleskopy. Vo väčšine prípadov, operačný systém nie je prvým kódom, ktorý sa spúšťa v počítači pri bootovaní. Inicializačný kód, vykonávaný v počítači, je zvyčajne nahratý z firmvéru, ktorý je uložený vo Flash ROM, niekedy označovaný aj ako BIOS alebo boot ROM. Firmvér nahrá a spustí jadro operačného systému (zvyčajne z disku, niekedy aj cez sieť) a zobrazí prvý grafický alebo textový výstup, ktorý užívateľ uvidí. Najbežnejšie súčasné desktopové operačné systémy sú Microsoft Windows, Mac OS X, Linux, FreeBSD a Solaris. Windows je najpopulárnejší desktopový OS, pričom Linux je najpoužívanejší v serverových prostrediach. Linux, Mac OS X aj Microsoft Windows majú všetky nielen osobné, ale aj serverové varianty. S výnimkou MS Windows, dizajny všetkých spomenutých operačných systémov boli inšpirované, alebo priamo zdedené, z operačného systému Unix. Unix bol vyvinutý v Bell Labs v 60tych rokov a bol základom vzniku mnohých voľných ale aj komerčných operačných systémov.