На схемі (мал.2.1.3.) широкими стрілками зазначені інформаційні зв’язки між структурними елементами, тобто можливі шляхи транспортування інформації, а тонкі стрілки відображають зв’язки керування та підзвітності пристроїв.
2.2. Архітектура комп’ютера.
Сучасні комп’ютери побудовані за модульним принципом. Це означає, що вони складаються з окремих блоків – модулів, які певним чином сполучені між собою з метою забезпечення їх взаємодії; кожен з блоків виконує специфічні функції відповідно до свого функціонального призначення. Ланкою, яка забезпечує взаємодію модулів комп’ютера, є системна магістраль – сукупність ліній електричного зв’язку, які сполучають однойменні контакти[3] всіх модулів.
Кожна лінія магістралі має своє жорстко встановлене функціональне призначення, сигнали на лініях мають визначені електричні та часові параметри. Електричні параметри сигналів магістралі, правила їх формування та часова залежність між ними називаються інтерфейсом магістралі. Очевидно, що для успішної співпраці всіх модулів в комп’ютерній системі, останні повинні функціонувати за правилами магістралі, тобто мати єдиний інтерфейс.
Множина всіх ліній електричного зв’язку, які входять до складу магістралі, поділяють на декілька груп, у відповідності з їх функціональним призначенням. Група ліній які несуть сигнали однакового функціонального призначення, називається шиною (bus). У відповідності з таким поділом, до складу магістралі входять чотири шини – шина даних (ШД), шина адреси (ША), шина управління (ШУ) та шина живлення (ШЖ).
Шина даних призначена для обміну даними і є набором електричних ліній, за кожною з яких може передаватися одна двійкова цифра даних шляхом встановлення високого або низького рівня напруги, що відповідає двійковим цифрам 1 або 0. Кількість ліній в наборі називається шириною або розрядністю шини, і визначає об’єм інформації, який може транспортувати шина даних за один цикл обміну даними.
Шина адреси призначена для однозначного визначення конкретної комірки пам’яті (або конкретного пристрою вводу-виводу) шляхом передачі двійкового коду адреси – спеціального числового значення, яке фактично є номером комірки пам’яті або пристрою вводу-виводу. Розрядність шини адреси безпосередньо визначає кількість комірок пам’яті або кількість пристроїв вводу-виводу, до яких можливе звернення[4] і в загальному випадку ця кількість рівна 2n, де n – розрядність шини адреси.
Шина управління включає електричні лінії, за якими передаються сигнали управління та сигнали, які відображають стан модуля, який бере участь в обміні[5] даними.
Шина живлення забезпечує подачу напруги живлення до модулів, а інколи до складу шини живлення відносять і сигнали синхронізації (тактові сигнали).
Керувати обміном даними за системною магістраллю теоретично має можливість кожен з модулів, однак фактично така можливість реалізується лише відповідним чином спроектованими та виготовленими модулями. Модулі, які здатні управляти обміном, називаються Master (Bus-Master), модулі, які не мають таких можливостей, називаються Slave. На магістралі можуть бути присутні декілька модулів, типу Master, однак керувати магістраллю в певний визначений момент часу має змогу лише один із них.
Із врахуванням принципів магістрально-блочної побудови схема, яка ілюструє архітектуру комп’ютера має вигляд (мал.2.2.1.).
3. Основні компоненти комп’ютера.
3.1.1. Принципи функціонування процесора.
Процесор є модулем, призначенням якого є виконання розміщеної в пам’яті комп’ютера програми та управління іншими компонентами системи. Схема процесора здатна виконувати обмежену кількість відповідним чином закодованих команд, що в сукупності становлять його операційний ресурс. Операційний ресурс сучасних процесорів становить 100 – 400 команд і містить команди обміну даними, команди арифметичних операцій, команди порозрядних логічних операцій, команди зсувів та ін.
Роботою АЛП керує пристрій керування (ПК), який генерує керуючі сигнали, кожен з яких фактично є командою одному з блоків АЛП, в необхідній послідовності. При цьому ПК керується машинним кодом команди, попередньо прочитаним з пам’яті, тобто керуюча послідовність безпосе-редньо залежить від команди і фактично описує процес її виконання.
Обмін даними з пам’яттю та пристроями вводу-виводу забезпечує шинний інтерфейс, який забезпечує читання машинних кодів команд з пам’яті, шляхом, генерування циклів обміну за системною магістраллю (мал.3.1.1.2.).
В загальному випадку процес виконання команди складається з одного або декількох циклів обміну, кількість яких залежить від конкретної команди. Першим циклом виконання команди є цикл читання з пам’яті першого байту (коду операції) команди з пам’яті, який виконується завжди. За кодом операції визначається необхідність генерування інших циклів обміну та їх кількість. Цикли обміну генеруються при необхідності читання даних з пам’яті чи пристрою вводу-виводу та запису результату до пам’яті чи пристрою вводу-виводу.
Управління функціональними блоками мікропроцесор здійснює шляхом виконання відповідних програм, призначених для обслуговування даних функціональних блоків. Для своєчасного переключення на потрібну програму процесор використовує механізм переривань (interrupts)[6].
Кожний функціональний блок має можливість подачі сигналу, який прийнято називати сигналом запиту на переривання. Реакцією мікропроцесора на подібний сигнал є припинення виконання виконуваної на даний момент програми із переключенням на програму обслуговуання даного пристрою, після виконання якої продовжується виконання поточної програми.
Такий механізм дозволяє асинхронно (лише при необхідності) обслуговувати велику кількість пристроїв, не втрачаючи при цьому багато часу. Реально перериваня виникають досить часто, наприклад, при натисненні будь-якої клавіші на клавіатурі або спрацювання лічильника системного таймера (яке відбувається приблизно 18 разів на секунду).
Існують ситуації, коли переривання генеруються самим мікропроцесором, як реакція на нештатні ситуації. Такі переривання називаються винятками (exceptions) і генеруються при виникненні помилок при обчисленнях (наприклад, якщо при виконанні операції ділення має місце ділення на 0) або в результаті звернення до пам’яті за неіснуючою адресою. Механізм винятків дозволяє ефективно реалізувати на комп’ютері підсистему т.з. віртуальної пам’яті.
Найрозповсюдженішими моделями мікропроцесорів, які застосовуються в персональних комп’ютерах (ПК) є мікропроцесори, ряду х86 фірми Intel Corporation та сумісні з ними моделі інших фірм (насамперед, фірми Advanced Micro Devices – AMD). Основною ознакою їх класифікації є розрядність внутрішньої шини даних (таблиця 3.1.2.1).
Таблиця 3.1.2.1. Класифікація мікропроцесорів х86.
| Розрядність | Intel Corporation | Сумісні функціональні аналоги |
| 8-розрядні | 8080, Z80 | КР580ВМ80 (СРСР) |
| 16-розрядні | 8086/8088, 80286 | КР1810ВМ86 (СРСР) |
| 32-розрядні | 80386, 486, 586, P5 (Pentium), P6 (Pentium II/III/IV, Celeron) | Am386, Am486, Am5x86 (5k86), AMD K5, K6, K6-II, K6-II (фірма AMD) |
| 64-розрядні | P7 (Itanium) – Merced, McKinley |
Приведений в таблиці перелік моделей мікропроцесорів є далеко не повним і включає лише найпопулярніші моделі серії х86. Існують мікропроцесори як зарубіжних фірм, так і колишнього СРСР, архітектура яких дещо відрізняється від архітектури процесорів х86. Такі мікропроцесори не є предметом розгляду даного реферату.
3.2. Пам’ять.
В процесі виконання програми її машинний код та дані, які вона обробляє, повинні знаходитися в оперативній пам’яті комп’ютера. Пам’ять комп’ютера реалізує три основні функції: запис інформації, читання інформації та збереження інформації. Процес читання або запису з\до пам’яті називається зверненням або доступом до пам’яті.
Модуль пам’яті складається з двовимірного масиву комірок, кожна з яких може зберігати один байт інформації і характеризується номером позиції в межах масиву (адресою), а кількість комірок в масиві називається розміром або об’ємом пам’яті в байтах.
Модуль пам’яті забезпечує звернення (доступ) до довільної комірки пам’яті в межах масиву, при цьому ідентифікація комірки, до якої здійснюється звернення, реалізується шляхом безпосереднього вказування її номера в масиві, тобто адреси. Тому оперативна пам’ять називається пам’яттю з довільним доступом (RAM – Random Access Memory).
Для вказування адреси служить шина адреси, яка є складовою частиною системної магістралі. Розрядність шини адресиі повинна бути достатньою для адресації всіх комірок пам’яті в масиві і в загальному випадку повинна бути рівною log2 N, де N – кількість комірок пам’яті в масиві (розмір модуля пам’яті в байтах).
До складу модуля пам’яті входить спеціальна електронна схема, яка називається дешифратором адреси. Дешифратор адреси аналізує адресу, встановлену на адресній шині і однозначно визначає комірку пам’яті, до якої має місце звернення, шляхом розбиття адреси на номери рядка та колонки двовимірного масиву комірок.