Классическая архитектура ПК. Принципы фон Неймана



В основу построения большинства компьютеров положены принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления — программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

2. Принцип однородности памяти — программы и иные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выполнять те же действия, что и над данными!

3. Принцип адресности — основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек.

Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру.

Модульный принцип позволяет пользователю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация системы опирается на магистральный принцип обмена информацией. Все контроллеры устройств взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, называемую системной шиной. Системная шина выполняется в виде печатного мостика на материнской плате.

 

Принципы архитектуры фон Неймана Цифровой компьютер – это ЭВМ, хранящая программу, которая содержит программные инструкции, данные для чтения, записи, а также включает в себя память с произвольным доступом (RAM). Принципы архитектуры Джона фон Неймана изложены также в его труде «Первый проект». Согласно ему, компьютеры с хранимой в памяти программой были усовершенствованием по сравнению с управлением компьютеров, таких как ENIAC. Последний был запрограммирован с помощью установки переключателей и вставки патча, приводящего к маршрутизации данных и сигналам управления между различными функциональными блоками. В подавляющем большинстве современных компьютеров память также используется подобным образом. При этом архитектура ЭВМ фон Неймана отличается, например, от Гарвардской, тем, что она использует не основную, а кэш-память

 

Схема пк

 

Устройство и назначение микропроцессора

Микропроцессор– это программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки. Микропроцессоры выполняются в виде одной или нескольких БИС.

Функции микропроцессора:

  1. вычисление адресов команд и операндов,
  2. выборка команд из оперативной памяти и дешифрация команд,
  3. выборка данных из оперативной памяти, регистров микропроцессорной памяти и регистров адаптеров внешних устройств,
  4. выполнение арифметико-логических и других операций, закодированных в командах,
  5. прием и обработка запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств, в том числе обработка сигналов прерываний,
  6. формирование синхронизирующих и управляющих сигналов для всех компонентов микроЭВМ,
  7. управление передачей информации между регистрами микропроцессора и оперативной памятью, а также устройствами ввода-вывода.

Основные технические характеристики микропроцессора:

  1. тактовая частота,
  2. разрядность (разрядность внутренних регистров микропроцессора, разрядность шины адреса и шины данных),
  3. система команд, форматы команд и способы адресации данных,
  4. типы обрабатываемых данных,
  5. объем адресуемой оперативной памяти, число программно доступных регистров микропроцессора,
  6. режимы работы микропроцессора,
  7. схема обработки прерываний,
  8. надежность.

Микропроцессорная система – это вычислительная, контрольно-измерительная или управляющая система, основным устройством обработки информации в которой является микропроцессор. Микропроцессорная система строится из набора микропроцессорных БИС.

Микропроцессорный комплект– совокупность интегральных схем, совместимых по электрическим, информационным и конструктивным параметрам и предназначенных для построения электронно-вычислительной аппаратуры и микропроцессорных систем управления. В типичный состав МПК входят:

  • БИС микропроцессора;
  • БИС оперативных запоминающих устройств;
  • БИС постоянных запоминающих устройств;
  • БИС интерфейсов или контроллеров внешних устройств;
  • служебные БИС (тактовый генератор, регистры, шинные формирователи, контроллеры шин, арбитры шин).

2.Классификация микропроцессоров

Микропроцессоры и МПК классифицируют по таким признакам:

  1. назначение,
  2. количество БИС,
  3. способ управления,
  4. тип архитектуры,
  5. тип системы команд.

По назначениюмикропроцессоры делят на универсальные и специализированные.Универсальными микропроцессорамиявляются микропроцессоры общего назначения, которые решают широкий класс задач вычисления, обработки и управления.Специализированные микропроцессорыпредназначены для решения лишь определенного класса задач (микроконтроллеры, математические микропроцессоры и т.д.).

По количеству БИС в МПК различают однокристальные и многокристальные микропроцессоры. Однокристальный микропроцессор– это конструктивно законченное изделие в виде одной БИС. Другое название однокристальных МП – микропроцессоры с фиксированной разрядностью обрабатываемых данных. При создании более быстродействующего процессора, большей разрядности или с расширенным набором команд его реализуют на нескольких БИС. Такие микропроцессоры называютмногокристальными. Многокристальные микропроцессоры делятся на:многокристальные, модульные, многокристальные, секционные

В многокристальных модульныхмикропроцессорах каждый элемент логической структуры представляет собой БИС. Выбираемые из памяти команды распознаются и выполняются каждой частью микропроцессора автономно, и поэтому может быть обеспечен режим одновременной работы всех БИС микропроцессора.

В многокристальных секционныхмикропроцессорах в виде БИС реализуются части (секции) логической структуры микропроцессора. Микропроцессорная секция – это БИС, предназначенная для обработки нескольких разрядов данных или выполнения определенных управляющих операций. За счет параллельного включения микропроцессорных секций можно построить микропроцессор требуемой разрядности.

По способу управленияразличают микропроцессоры со схемным и микропрограммным управлением.Микропроцессоры со схемным управлением имеют фиксированный набор команд, разработанный компанией-производителем, который не может изменяться потребителем. Вмикропроцессорахс микропрограммным управлением систему команд разрабатывают при проектировании конкретного МПК на базе набора простейших микрокоманд с учетом класса задач, для решения которых предназначен МПК.

Архитектура микропроцессора определяет его составные части и взаимодействие между ними. Архитектура включает:

  • структурную схему микропроцессора,
  • программную модель микропроцессора (описание функций регистров),
  • информацию об организации памяти (емкость и способы адресации памяти),
  • описание организации процедур ввода-вывода.

По типу архитектур,или принципу построения, различают МП с фон-неймановской архитектурой и МП с гарвардской архитектурой.

Память команд

Память данных

Процессор

Интерфейс ввода-вывода

Устройства ввода-вывода

а) b)

Рисунок – Основные типы архитектуры микропроцессора:

  1. фон-неймановской,
  2. гарвардская.

Особенностью фон-неймановской архитектуры является то, что программа и данные находятся в общей памяти, доступ к которой осуществляется по одной шине данных и команд.

Особенностью гарвардской архитектуры является то, что память данных и память программ разделены и имеют отдельные шину данных и шину команд, что позволяет повысить быстродействие микропроцессорной системы.

В Гарвардской архитектуре принципиально невозможно производить операцию записи в память программ, что исключает возможность случайного разрушения управляющей программы в случае неправильных действий над данными. Кроме того, в ряде случаев для памяти программ и памяти данных выделяются отдельные шины обмена данными. Эти особенности определили области применения этой архитектуры построения микропроцессоров. Гарвардская архитектура применяется в микроконтроллерах, где требуется обеспечить высокую надёжность работы аппаратуры и в сигнальных процессорах, где эта архитектура кроме обеспечения высокой надёжности работы устройств позволяет обеспечить высокую скорость выполнения программы, за счёт одновременного считывания управляющих команд и обрабатываемых данных, а так же записи полученных результатов в память данных.

Отличие архитектуры Фон Неймана заключается в принципиальной возможности работы над управляющими программами точно так же как над данными. Это позволяет производить загрузку и выгрузку управляющих программ в произвольное место памяти процессора, которая в этой структуре не разделяется на память программ и память данных. Любой участок памяти может служить как памятью программ, так и памятью данных. Причём в разные моменты времени одна и та же область памяти может использоваться и как память программ и как память данных. Для того чтобы программа могла работать в произвольной области памяти, её необходимо модернизировать перед загрузкой, то есть работать с нею как с обычными данными. Эта особенность архитектуры позволяет наиболее гибко управлять работой микропроцессорной системы, но создаёт принципиальную возможность искажения управляющей программы, что понижает надёжность работы аппаратуры. Эта архитектура используется в универсальных компьютерах и в некоторых видах микроконтроллеров.

По типу системы команд различают:

  1. микропроцессоры с полным набором команд типа CISC(ComplexInstructionSetCommand),
  2. микропроцессоры с сокращенным набором команд типа RISC(ReducedInstructionSetCommand),
  3. микропроцессоры с минимальным набором команд типа MISC(MinimumInstructionSetCommand).

Большинство современных компьютеров используют микропроцессоры типа CISC. Микропроцессоры типаRISCсодержат только набор простых, чаще всего встречающихся в программах команд. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых. ВRISCмикропроцессорах все простые команды имеют один размер, и на выполнение каждой из них тратится один машинный такт. На выполнение даже самой короткой команды вCISCмикропроцессорах обычно тратится четыре такта.

 


Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 481; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ