4 - Architektura po íta e a základní principy jeho innosti Z koncep ního hlediska je mikropo íta takové uspo ádání logických obvod umož ující provád ní logických i aritmetických operací podle posloupnosti povel (programu) nad programem ur enými vstupními veli inami za ú elem získání výstupních hodnot na programem ur ených výstupech. Architektura v tšiny dnešních mikropo íta se zakládá na koncepci stanovené ve 40. letech Johanem von Neumannem, kdy program i data jsou uloženy v jedné opera ní pam ti. Architektura mikropo íta se sice v detailech od sebe zna n odlišuje, m žeme však u každého vysledovat následující bloky (subsystémy): Opera ní pam uchovává vstupní a výstupní data a program (posloupnost povel - instrukcí) ve form binárních ísel adi dekóduje postupn instrukce programu uložené v opera ní pam ti a generuje signály zajiš ující innost ostatních blok mikropo íta e Aritmeticko-logická jednotka provádí aritmetické a logické operace podle (ALU) signál adi e nad adi em ur enými veli inami. N kdy je dopln na registry pro uložení mezivýsledk operace (RALU) Vstupní a výstupní jednotka zabezpe uje komunikaci mikropo íta e vn jším (I/0) okolím pomocí p ídavných za ízen umož ujících komunikaci s mikropo íta em, nap .klávesnice, tiskárna apod. Blok registr - aritmeticko-logická jednotka (RALU) spolu s adi em tvo í tzv. procesor systému. Je-li obsažen v jednom nebo n kolika integrovaných obvodech velké integrace ozna ujeme jej jako mikroprocesor ( m P).
Propojení blok je provedeno pomocí systému sb rnic. Principielní propojení sb rnicemi je uvedeno na obr. Adresová sb rnice je jednosm rná, slouží k adresování pam ového místa v opera ní pam ti nebo vstupních a výstupních jednotek. Další datová sb rnice je obvykle obousm rná a slouží k p enosu dat mezi bloky. T etí sb rnice je ídící, která slouží k p enosu povel (signál ) z adi e zajiš ujících programem stanovenou innost jednotlivých blok . V následujících odstavcích probereme podrobn ji principielní zapojení a innost jednotlivých blok .
Opera ní pam V sou asné dob se p evážn u mikropo íta ových systém používají polovodi ové pam ti. Polovodi ové pam ti m žeme zhruba rozd lit do dvou skupin: a) Pam ti, kde do libovolného místa ur eného adresou m žeme bu zapsat data v binární form nebo v pam ti uložená data p e íst. Tyto pam ti ozna ujeme obvykle zkratkou RAM, což je zkratka anglického názvu "Random Access Memory". b) Pam s nem nným zápisem dat neboli pam ti konstant. Z t chto pam tí b hem innosti mikropo íta e je možno pouze íst binární data. Ozna ujeme je obvykle zkratkou ROM, což je zkratka anglického názvu "Read Only Memory". Z hlediska závislosti uchování informace na napájecím nap tí se u pam ti typu RAM informace odpojením napájecího nap tí ztrácí, zatím co u pam tí typu ROM z stane zachována. Pam ti typu ROM Pam ti typu ROM jsou pam ti konstant u kterých jsou data trvale uložena. Data jsou v nich uložena bu p ímo výrobcem nebo u pam ti typu PROM (Programable Read Only Memory) je možné nap íklad pomocí tavných spojek podle požadavk uživatele do jednotlivých míst pam ti data v binární form jednou pro vždy zapsat. V sou asné dob existují pam ti ozna ované zkrácen EPROM, u kterých je možno speciálním technologickým postupem zapsaná data vymazat a zapsat nová. Rychle se též za ínají uplat ovat tzv. EEPROM (E2PROM, Flash), tj. pam ti, do nichž lze zapsat i vymazat data elektrickou cestou a p esto z stanou zachována po vypnutí napájení. Známé aplikace jsou nap íklad Flash BIOS u základních desek osobních po íta , rozši ující karty do notebook nahrazující diskovou pam apod. Pam ti typu RAM Pam ti typu RAM jsou pam ti, kdy do libovolného místa m žeme bu data v binární form zapisovat nebo uložená data p e íst. Do pam ti RAM m žeme zapisovat program,vstupní data, mezivýsledky apod. Jednotlivé pam ové bu ky jsou obvykle uspo ádány maticov , nap . v organizaci N x M. Bu ku, do které chceme provést zápis nebo tení jejího obsahu, aktivujeme pomocí ádkových a sloupcových adresových vodi buzených dekodéry 1/N a 1/M. Vstupní slova dekodér pak tvo í adresu bu ky. Vstupy a výstupy pam ových bun k jsou vedeny ke tecím a zapisovacím zesilova m. Pro zápis nebo tení celého slova najednou se musí použít pro každý bit samostatné tecí a zapisovací zesilova e. tení a zápis je ízen logickým obvodem ovládaným povely z adi e. Jako pam ová bu ka by mohl být použit klopný obvod (sekven ní) typu D .Z d vod dosažení velké integrace obvod na jednom polovodi ovém ipu se zapojení v bu ce zjednodušuje, p i emž se používají jak tranzistory unipolární tak bipolární. Pro pam ové bu ky byla vyvinuta celá ada zapojení.
Von Neumanova a Hardvardvská koncepce po íta e Americký matematik ma arského p vodu John von Neumann definoval v roce 1945 základní koncepci po íta e EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer). Byl to výsledek výzkumu týmu odborník Univerzity státu Pensylvánie ve Filadelfii, kte í tak položili základ koncepce po íta e ízeného obsahem pam ti. Od té doby se objevilo n kolik r zných modifikací i odlišných model , ale v podstat se po íta e, tak jak je známe v dnešní dob , konstruují podle tohoto modelu. Jednotlivé ásti a jejich vzájemné propojení je na obrázku 1. Ve svém projektu si von Neumann stanovil ur itá kritéria a principy, které musí po íta spl ovat, aby byl použitelný univerzáln . M žeme je ve stru nosti shrnout do následujících bod : 1. Po íta se skládá z pam ti, ídící jednotky, aritmetické jednotky, vstupní a výstupní jednotky. 2. Struktura po íta e je nezávislá na typu ešené úlohy, po íta se programuje obsahem pam ti. 3. Následující krok po íta e je závislý na kroku p edchozím. 4. Instrukce a operandy (data) jsou v téže pam ti. 5. Pam je rozd lena do bun k stejné velikosti, jejich po adová ísla se využívají jako adresy. 6. Program je tvo en posloupností instrukcí, ty se vykonávají jednotliv v po adí, v jakém jsou zapsány do pam ti. 7. Zm na po adí provád ní instrukcí se provede instrukcí podmín ného í nepodmín ného skoku. 8. Pro reprezentaci instrukcí, ísel, adres a znak , se používá dvojková íselná soustava. N kolik let po von Neumannovi, p išel vývojový tým odborník z Harvardské univerzity s vlastní koncepcí po íta e, která se sice od Neumannovy p íliš nelišila, ale odstra ovala n které její nedostatky. V podstat jde pouze o odd lení pam ti pro data a program. Abychom si mohli ob koncepce porovnat, m žeme vycházet ze zjednodušených schémat.
Základním nedostatkem obou koncepcí je sekven ní vykonávání instrukcí, které sice umož uje snadnou implementaci systému, ale nepovoluje dnes tolik pot ebné paralelní zpracování. Paralelizmy se musí simulovat až na úrovni opera ního systému. Úzké místo systému je také ve sb rnicích, které nedovoluj í p istupovat sou asn do více míst pam ti sou asn a navíc dovolují v daném okamžiku p enos dat jen jedním sm rem. Porovnání vlastností obou koncepcí jednotliv : von Neumann Výhody: - rozd lení pam ti pro kód a data ur uje programátor, - ídící jednotka procesoru p istupuje do pam ti pro data i pro instrukce jednotným zp sobem, - jedna sb rnice - jednodušší výroba. Nevýhody: - spole né úložení dat a kódu m že mít p i chyb za následek p epsání vlastního programu, - jediná sb rnice tvo í úzké místo. Harvardská koncepce Výhody: - odd lení pam ti dat a progamu p ináší výhody: - program nem že p epsat sám sebe, - pam ti mohou být vyrobeny odlišnými technologiemi, - každá pam m že mít jinou velikost nejmenší adresovací jednotky, - dv sb rnice umož ují jednoduchý paralelizmus, kdy lze p istupovat pro instrukce i data sou asn . Nevýhody: - dv sb rnice kladou vyšší nároky na vývoj ídící jednotky procesoru a zvyšují i náklady na výrobu výsledného po íta e, - nevyužitou ást pam ti dat nelze použít pro program a obrácen Pokro ilejší architektury. Základním nedostatkem jednoprocesorových po íta je jejich pomalost, podmín na sériovým zp sobem innosti. Takový procesor postupn te instrukci, potom operandy, a pak vykonává p íslušnou operaci a ukládá výsledek. Teprve potom te další instrukci. Odstran ní tohoto nedostatku nabízejí r zné architektury s využitím více procesor pro jednu úlohu. Jako takové mohou být: - - et zené procesory, - -paralelní soustava procesor (multiprocesory), - -procesorová pole (maticové procesory). P esahování a et zení. P esahování (overlapping) spo ívá v tom, že vykonávání n kterých instrukcí se v procesoru dokon uje v dob náležející již další instrukci. et zení (pipelining) lze chápat jako p esahováni v procesoru, který se skládá z ady sériov azených subprocesor . Jde o pokro ilejší architekturu et zených procesor . Multiprocesory a procesorová pole Multiprocesor je centráln ízený systém s více procesory se spole nou hlavní pam tí a spole ným souborem periferních za ízení. Procesorové pole (maticový procesor) je sestaveno ze stejných subprocesor propojených mezi sebou i centrálním adi em. Každý subprocesor je schopen vykonávat základní operace s uložením v jeho vlastní pam ti, ale data se mohou p esouvat mezi sousedy v matici.
RISC a CISC architektura Zkratky RISC a CISC p edstavují dv rozdílné architektury CPU (Central Processor Unit) centrálníprocesorová jednotky. CISC (Complex Instruction Set Computer) má instruk ní soubor s takovými instrukcemi,které pod jedním opera ním kódem vykonají složité operace s variabilitou r zných adresovacích mód .Toto se provádí za cenu zpracování t chto instrukcí ve strojových cyklech. Druhá koncepce RISC(Reduced Instruction Set Computer) je založena na p edpokladu, že frekvence používání n kterých složitých instrukcí je tak malá, že se nevyplatí pro n plýtvat plochou na ipu a v p ípad pot ebyjsou nahrazeny posloupností jednoduchých instrukcí. Istruk ní sada obsahuje malý po et jednoduchých instrukcí (cca 30).Díky tomu jsou jednodušší ídící obvody CPU a zkracuje se doba zpracování instrukcí. ídící obvodyu CISC-architektury zabírají na ipu p ibližn 60% místa, kdežto u RISC-architektury je to pouze6-10% a výkon instrukce s vyjímkou komunikace s pam tí je jeden strojový cyklus. Pro dosaženíco nejvyšší rychlosti omezené p ístupy do pam ti se u RISC-architektury ušet ené místo na ipu využije pro soubory registr , k nimž je jednocyklový p ístup.
