Архітектурні принципи побудови мікропроцесорів

1. Лекція 3
Архітектурні принципи побудови мікропроцесорів

2. План
1. Архітектури МП.
2. Загальні поняття про організацію шин МПС.
3. Узагальнена класифікація шинних інтерфейсів.
4. Чипсет і шини сучасної ПЕОМ.
5. Шини розширення.
2

3. Джон фон Нейман сформулював також основні принципи, за якими працюють комп’ютери.
1. Принцип двійкового кодування. Вся інформація, що обробляється у комп’ютері,
представлена у двійковому коді, що добре відображає два стійких стани елементів комп’ютера (є
імпульс – «0», немає імпульсу – «1»)
2. Принцип програмного керування. Робота на комп’ютері здійснюється за допомогою
програм. Програма складається з набору команд, які в певній послідовності виконуються
процесором. Ефективність програмного керування є вищою, коли програму можна застосовувати
багаторазово і за різних початкових даних.
3. Принцип однорідності пам’яті. Програми і дані зберігаються в одній пам’яті, тому
комп’ютер не розрізняє, що знаходиться у комірці пам’яті: число, текст або команда. Над
командами можна виконувати ті ж самі дії, що й над даними. Наприклад, команди одної програми
можуть бути отримані як результат виконання іншої програми.
4. Принцип адресності. Пам’ять комп’ютера складається з пронумерованих комірок.
Процесор в будь який момент може звернутися до любої комірки за заданою адресою.
Основні принципи фон Неймана
3

4. Якість комп’ютера
Якість комп’ютера можна характеризувати за багатьма показниками:
 Швидкодія процесора (кількість операцій за одиницю часу).
 Кількість команд, що комп’ютер здатен розуміти.
 Кількість периферійних пристроїв вводу/виводу, які можна одночасно під’єднати до
комп’ютера.
 Інші показники.
4
Сучасний комп’ютер – це технічний пристрій, який після введення в пам’ять початкових
даних у вигляді двійкових цифр та програми їхньої обробки, що також представлена двійковими
цифрами, здатен автоматично здійснити обчислювальний процес, заданий програмою, і видати
готові результати розв’язання задачі у формі, яка є прийнятною для користувача.

5. Принстонська та Гарвардська
архітектури
У 30-х роках минулого століття військове відомство США доручило
Гарвардському і Принстонському університетах розробити електромеханічну
обчислювальну систему для військово-морської артилерії. Результатом зусиль
цих університетів стали дві концепції побудови обчислювальних систем, які
визначили розвиток світової обчислювальної техніки майже на 100 років
вперед. Ми знаємо їх як Гарвардська та Принстонська (більш відома як Фон-
нейманівська) архітектури
Їх основна відмінність полягала в тому, що архітектура фон Неймана
використовувала єдину пам'ять (загальну шину даних), а гарвардська
передбачала наявність декількох шин (в оригіналі дві: шина даних і шина
команд).
5

6. Обчислювальні архітектури
6
Управляючийпристрій
Загальна пам’ять
Введення
АЛП
Виведення
Фон-нейманівська архітектура Гарвардська архітектура
Управляючийпристрій
Пам’ять
команд
Введення
АЛП
Виведення
Пам’ять
даних

7. Переваги багатоядерних МП
7
Енергоспоживання
Продуктивність
Вихідний
процесор
Підвищення
частоти на 20%
Енергоспоживання
Продуктивність
+13%
+73%
Вмикання 2 ядра
з пониженням
частоти на 20%
Енергоспоживання
Продуктивність
+74%
+2%
2х87%
В середньому на
кожні 20% приросту
продуктивності
споживана потужність
гарвардського
процесора
збільшувалася до 50%.
MOS 6502 (Apple I) – RISC
Intel x86 (IBM-PC) - CISC

8. Архітектури МП
RISC (Reduced Instruction Set Computer) – обчислення зі скороченим набором
команд.
CISC (Complex Instruction Set Computer) – обчислення з комплексним набором
команд.
ARM – Advanced RISC Machine (в оригіналі – Acorn RISC Machine), вдосконалена
RISC-машина - була побудована на базі фон-неймановской архітектури, але
включала особливості процесорів CISC, що логічно, оскільки в його основі лежав
MOS 6502.
Зокрема, машина ARM передбачала надзвичайно просту реалізацію обчислювального ядра, керованого
через контрольований введення. Саме технологія, розроблена консорціумом ARM, дозволила зібрати на
одному кристалі декілька різних обчислювальних ядер, кожне з яких могло виконувати певні функції.
Така збірка отримала назву SOC (System on chip), оскільки до загальної шині даних підключалися не тільки
обчислювальні ядра процесора, але і відеоадаптер і контролер пам'яті.
8

9. Загальні поняття про організацію
шин МПС
9
Шинний інтерфейс - це сукупність правил уніфікованої взаємодії між окремими
пристроями комп'ютера, а також сукупність схемних, програмних і конструктивних
засобів, необхідних для реалізації цих правил. Основою побудови шинних інтерфейсів є
уніфікація і стандартизація. Вона забезпечується:
Інформаційною сумісністю - єдиними вимогами до складу ліній та шин інтерфейсу,
алгоритмів взаємодії, способів кодування і форматів даних, керуючої та адресної
інформації, часовим співвідношенням між сигналами.
Електричною сумісністю - погодженістю параметрів електричних сигналів, що
передаються інтерфейсом, погодженістю логічних рівнів сигналів. Електрична сумісність
визначає вимоги до навантажувальної спроможності компонентів та характеристик ліній
передачі сигналів (довжина, допустима активна та реактивна складові навантаження,
порядок підключення схем погодження і т.д.).
Конструктивною сумісністю - можливістю механічного з'єднання електричних
ланцюгів, а інколи і механічного підключення декількох блоків. Цей вид сумісності
забезпечується стандартизацією з'єднувальних елементів, кабелів, конструкцій плат і т.д.

10. Вимоги до шин МПС
10
Основна задача шин - об'єднати в єдину систему всю номенклатуру модулів обчислювальної
системи, забезпечити їх належну роботу. При цьому до системи шин ставляться такі вимоги:
• відкритість - можливість модернізувати одні рівні системи без порушення інших;
• сумісність - системи з різним виконанням підсистем повинні бути взаємо амінюваними,
сумісність повинна виконуватися на рівнях hardware i software;
• однотипність - модернізація системи не повинна приводити до необхідності заміни раніш
використаних типів пристроїв;
• гнучкість - можливість підключення різних підсистем без порушення функціонування вже
існуючих;
• надійність - будь-яка модернізація системи не повинна знижувати показників надійності;
• ремонтопридатність -- модернізація системи не повинна приводити до необхідності
конструктивних змін, ускладнення її конструкції;
• ефективність - виконання перерахованих вище умов повинно бути економічно оправданим.

11. Узагальнена класифікація шинних
інтерфейсів
11
За призначенням:
• внутрішньосистемні;
• зовнішні.
За способом передачі інформації:
• паралельні;
• послідовні.
По способу синхронізації:
• асинхронні;
• синхронні.

12. Режими обміну інформацією шинних
інтерфейсів
12
Для шинного інтерфейсу, що з'єднує (фізично або логічно) два пристрої,
розрізняють три можливих режими обміну інформацією - дуплексний,
напівдуплексний і симплексний.
Дуплексний режим дозволяє по одному каналу зв'язку одночасно передавати
інформацію в обох напрямках. Він може бути асиметричним, якщо пропускна
здатність у напрямках "туди" і "назад" має істотно різні значення, або
симетричним.
Напівдуплексний режим дозволяє передавати інформацію "туди" і "назад" по
черзі, при цьому інтерфейс має засоби переключення напрямку каналу.
Симплексний (односторонній) режим передбачає тільки один напрямок передачі
інформації (у зустрічному напрямку передаються тільки допоміжні сигнали
інтерфейсу).

13. Чипсет і шини сучасного ПК
13
Фізична реалізація системного інтерфейсу в узагальненій структурі представленого системною
шиною і сукупністю портів введення-виводу, являє собою ряд шин, що розрізняються по
призначенню, продуктивності, пропускній здатності (USB, PCІ, ІSA, AGP, FSB, шина пам'яті) і чіпсет
материнської плати.
Чіпсетом називається багатофункціональний цифровий пристрій, звичайно реалізований у вигляді
двох ВІС та призначений для забезпечення підтримки мікропроцесора і забезпечення
взаємозв'язку між різними шинами й інтерфейсами.
Сучасні чіпсети містять цілий ряд основних, базових контролерів пристроїв, що підключаються до
материнської плати:
- контролер жорсткого диска (ІDE Controller), причому вбудований у чіпсет контролер підтримує
два порти для підключення жорстких дисків, а до кожного порту можна підключити по 2 диски,
тобто до стандартної материнської плати можна підключити до чотирьох накопичувачів на
жорстких магнітних дисках. Слід зазначити, що цей же контролер забезпечує і підключення
накопичувачів на оптичних компакт-дисках;
- контролери зовнішніх портів (інтерфейси периферійних пристроїв).

14. Процесор
Графічний
акселератор
Пам’ять
Bas-masterПристрої
PCI
FSB
PCI
AGP
Чіпсет
Компоненти і потоки даних на
материнській платі
14
Чіпсет материнської плати звичайно
складається з двох компонентів.
Називаються ці компоненти
Північний і Південний міст.
Північний міст працює із самими
швидкісними пристроями (пам'ять, AGP,
системна шина процесора і шина зв'язку з
Південним мостом), тому сам повинний
працювати дуже швидко. Південний міст
працює з повільними пристроями, такими
як накопичувачі інформації та периферійні
пристрої.