Архитектура персонального компьютера

 

Это понятие довольно трудно определить однозначно, потому что при желании в него можно включить все, что связано с ЭВМ вообще и какой-то конкретной моделью компьютера в частности.

Архитектура ЭВМ — это абстрактное представление ЭВМ, которое отражает ее структурную, схемотехническую и логическую организацию. Понятие архитектуры ЭВМ является комплексным и включает в себя:

· структурную схему ЭВМ;

· средства и способы доступа к элементам структурной схемы ЭВМ;

· организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ;

· набор и доступность регистров;

· организацию и способы адресации памяти;

· способы представления и форматы данных ЭВМ;

· набор машинных команд ЭВМ;

· форматы машинных команд;

· обработку нештатных ситуаций (прерываний).

Все современные ЭВМ обладают некоторыми общими и индивидуальными свойствами архитектуры. Индивидуальные свойства присущи только конкретной модели компьютера и отличают его от больших и малых собратьев. Наличие общих архитектурных свойств обусловлено тем, что большинство типов существующих машин принадлежат 4 и 5-му поколениям ЭВМ так называемой фон-неймановской архитектуры. К числу общих архитектурных свойств и принципов можно отнести:

· Принцип хранимой программы. Согласно ему, код программы и ее данные находятся в одном адресном пространстве в оперативной памяти.

· Принцип микропрограммирования. Суть этого принципа заключается в том, что машинный язык все-таки еще не является той конечной субстанцией, которая физически приводит в действие процессы в машине. В состав процессора входит блок микропрограммного управления (см. Рисунок 1). Этот блок для каждой машинной команды имеет набор действий-сигналов, которые нужно сгенерировать для физического выполнения требуемой машинной команды. Здесь уместно вспомнить характеристику ЭВМ 1-го поколения, когда для генерации нужных сигналов необходимо было осуществить ручное программирование всех логических схем.

· Линейное пространство памяти — совокупность ячеек памяти, которым последовательно присваиваются номера (адреса) 0, 1, 2,....

· Последовательное выполнение программ. Процессор выбирает из памяти ко­манды строго последовательно. Для изменения прямолинейного хода выполнения программы или осуществления ветвления необходимо использовать специальные команды. Они называются командами условного и безусловного перехода.

· С точки зрения процессора нет принципиальной разницы между данными и командами. Данные и машинные команды находятся в одном пространстве памяти в виде последовательности нулей и единиц. Это свойство связано с предыдущим. Процессор, исполняя содержимое некоторых последовательных ячеек памяти, всегда пытается трактовать его как коды машинной команды, а если это не так, то происходит аварийное завершение программы, содержащей некорректный фрагмент. Поэтому важно в программе всегда четко разделять пространство данных и команд.

· Безразличие к целевому назначению данных. Машине все равно, какую логическую нагрузку несут обрабатываемые ею данные.

Данный лабораторный практикум посвящен вопросам программирования микропроцессоров фирмы Intel — i486 и Pentium I. У них, как и у процессоров других фирм, есть индивидуальные архитектурные принципы. Их полное рассмотрение не является нашей целью, поэтому уделим внимание наиболее характерным и необходимым для дальнейшего изложения новациям.

1. Важным элементом архитектуры, появившимся в i486, стал конвейер

Конвейер — это специальное устройство, реализующее такой метод обработки команд внутри микропроцессора, при котором исполнение команды разбивается на несколько этапов. Соответствующие пять этапов включают:

· выборку команды из кэш-памяти или оперативной памяти;

· декодирование команды;

· генерацию адреса, при которой определяются адреса операндов в памяти;

· выполнение операции с помощью АЛУ;

· запись результата (куда будет записан результат, зависит от алгоритма работы конкретной машинной команды).

На стадии выполнения каждая машинная команда как бы разбивается на более элементарные операции. Очередная команда после ее выборки попадает в блок декодирования. Таким образом, блок выборки свободен и может выбрать следующую команду. В результате на конвейере могут находиться в различной стадии выполнения пять команд. Скорость вычисления в результате существенно возрастает. Микропроцессоры, имеющие один конвейер, называются скалярными. Pentium имеет два конвейера, a Pentium Pro - три, поэтому эти микропроцессоры называются суперскалярными.

2. Раздельное кэширование кода и данных

Кэширование — это способ увеличения быстродействия системы за счет хранения часто используемых данных и кодов в так называемой «кэш-памяти первого уровня» (быстрой памяти), находящейся внутри микропроцессора, i486, к примеру, содержит один блок встроенной кэш-памяти размером 8 Кбайт, который используется для кэширования и кодов, и данных. Pentium содержит два блока кэш-памяти: один для кода и один для данных, каждый по 8 Кбайт. При этом становится возможным одновременный доступ к коду и данным, что увеличивает скорость работы компьютера.

3. Предсказание правильного адреса перехода

Под переходом понимается запланированное алгоритмом изменение последовательного характера выполнения программы. Как показывает статистика, типичная программа на каждые 6-8 команд содержит 1 команду перехода. Последствия этого предсказать несложно: при наличии конвейера через каждые 6-8 команд его нужно очищать и заполнять заново в соответствии с адресом перехода. Все преимущества конвейеризации теряются. Поэтому в архитектуру Pentium был введен блок предсказания переходов. Суть этого метода заключается в следующем. Pentium имеет буфер адресов перехода, который хранит информацию о последних 256 переходах. Если некоторая команда управляет ветвлением, то в буфере запоминаются эта команда, адрес перехода и предположение о том, какая ветвь программы будет выполнена следующей. Почти в любой программе имеются циклы, в ходе выполнения которых периодически необходимо принимать решение либо о выходе из цикла, либо о переходе на его начало. Специальный блок предсказания адреса перехода прогнозирует, какое решение будет принято программой. При этом он основывается на предположении, что ветвь, которая была пройдена, будет использоваться снова, и загружает соответствующую команду перехода на конвейер. В случае, если это предсказание верно, переход осуществляется без задержки. Для того чтобы судить об эффективности этого нововведения, достаточно отметить, что вероятность правильного предсказания составляет около 80%.

3. Усовершенствованный блок вычислений с плавающей точкой. Он позволяет выполнять одну команду с плавающей точкой за один такт микропроцессора.

 

Рисунок 1 – Структурная схема персонального компьютера