II Liceum Ogólnokształcące w Kartuzach
im. dra Aleksandra Majkowskiego
Osiedle Wybickiego 33
83-300 Kartuzy

Imieniny obchodzą:
Augustyna, Aureliusz, Dionizy, Gorgoncjusz, Pimen, Piotr, Sergiusz, Sobiesąd, Ścibor, Ścibora,

Cytat tygodnia:

Arhitektura komputera

1. Historia.

Po raz pierwszy w 1945 roku John von Neumann, węgierski uczony, od 1930 roku zamieszkujący w Stanach Zjednoczonych, przedstawił światu architekturę komputera, której założenia pozwoliły na zbudowanie maszyny elektronicznej o następujących cechach:

mieć możliwość wprowadzenia programu do systemu komputerowego poprzez urządzenia zewnętrzne i jego przechowywanie w pamięci w sposób identyczny jak danych
dane i instrukcje w takim systemie powinny być jednakowo dostępne dla procesora
mieć skończoną i funkcjonalnie pełną listę rozkazów
informacja jest tam przetwarzana dzięki sekwencyjnemu odczytywaniu instrukcji z pamięci komputera i wykonywaniu tych instrukcji w procesorze.

John Von Neumann wzorował się na pracach dwóch amerykańskich uczonych, Johna W. Mauchly'ego i Johna Prespera Eckerta, którzy jako pierwsi na świecie, latach 1943-1945, skonstruowali komputer o nazwie ENIAC (czyli Electronic Numerical Integrator And Computer).

Nie miał pamięci operacyjnej; początkowo programowany przez przełączanie wtyków kablowych, później za pomocą kart perforowanych; był używany głównie do obliczeń związanych z balistyką, wytwarzaniem broni jądrowej, prognozowaniem pogody, projektowaniem tuneli aerodynamicznych, badaniem promieniowania kosmicznego; wykorzystywany także do badania liczb losowych i analizowania błędów zaokrągleń; używany do 1955. Nie miał pamięci operacyjnej; początkowo programowany przez przełączanie wtyków kablowych, później za pomocą kart perforowanych; był używany głównie do obliczeń związanych z balistyką, wytwarzaniem broni jądrowej, prognozowaniem pogody, projektowaniem tuneli aerodynamicznych, badaniem promieniowania kosmicznego; wykorzystywany także do badania liczb losowych i analizowania błędów zaokrągleń; używany do 1955.

Jego budowa to czterdzieści dwie pomalowane na czarno szafy z blachy stalowej – każda miała 3 m wysokości, 60 cm szerokości i 30 cm głębokości – były nafaszerowane 18 800 lampami elektronowymi szesnastu rodzajów; zawierały ponadto 6000 komutatorów (element służący do dostarczania bądź odbioru energii elektrycznej), 1500 przekaźników, 50 000 oporników. Całość wymagała ręcznego wykonania 500 000 lutowań. Monstrum ważyło 30 ton i pobierało 140 kW mocy. Jego system wentylacyjny miał wbudowane dwa silniki Chryslera o łącznej mocy 24 KM; każda szafa była wyposażona w ręcznie regulowany nawilżacz powietrza, zaś termostat zatrzymywał wszelkie działania "potwora", jeśli temperatura wewnątrz którejkolwiek z jego części przekraczała 48°C. Dalej, w pomieszczeniu przeznaczonym dla maszyny były trzy dodatkowe – również nafaszerowane elektroniką – jeszcze większe od pozostałych szafy przesuwne na kółkach, dołączane w miarę potrzeb w odpowiednim miejscu do zestawu. Stanowiły uzupełnienie czytnika i dziurkarki kart perforowanych.

Jego szybkość, zawrotna dla ówczesnych naukowców i w ogóle niewyobrażalna dla ówczesnego, przeciętnego człowieka, wyrażała się pięcioma tysiącami dodawań na liczbach dziesięciocyfrowych, dodatnich lub ujemnych w ciągu sekundy.

Programowanie – czyli zlecanie maszynie konkretnego zadania do wykonania – nie przychodziło łatwo. Operatorzy ENIAC-a mieli trzy stoły funkcyjne – ruchome pulpity sterownicze do wprowadzania liczb bądź instrukcji do kalkulatora. Na każdym stole można było zarejestrować 104 informacje na 14 pozycjach (liczba dwunastocyfrowa i jej znak lub 2 liczby sześciocyfrowe i 2 znaki). Pulpity obsługiwało się ręcznie. Stojąc przy planszy trzeba było wprowadzać, cyfra po cyfrze, liczby bądź polecenia, nastawiając ręcznie tarcze komutatorów. Do uruchomienia wszystkich trzech plansz trzeba było nastawić 4368 komutatorów! Całość danych i instrukcji potrzebnych maszynie w dowolnym momencie obliczeń musiała być wprowadzona na plansze funkcyjne przed rozpoczęciem pracy. Zmiana programu zajmowała bardzo dużo czasu z uwagi na konieczność przełączenia mnóstwa styków, komutatorów i połączeń. Błędy popełnione przy nastawianiu maszyny powodowały sporo opóźnień i zacięć. Dodajmy, że dodatkowych kłopotów przysparzała ówczesna elektronika: średni czas bezawaryjnej pracy maszyny wynosił około pół godziny.

John Von Neumann wyeliminował wszystkie niedogodności w obsłudze i pracy tego komputera.
W 1952 roku powstał EDVAC - Electronic Discrete Variable Automatic Computer, maszyna zbudowana według pomysłu Johna von Neumanna w Moore School of Engineering, University of Pennsylvania na potrzeby armii USA. Zainstalowana w Ballistic Research Laboratories w Aberdeen (stan Maryland) w roku 1949 kosztem ok. 500 000 dolarów (przy budżecie pięciokrotnie mniejszym!).

Zajmowała ponad 111 metrów kwadratowych powierzchni, zawierała ok. 6000 lamp i 12000 diod. Częstotliwość zegara 996,75 KH. Pamięć operacyjna ultradźwiękowa z rtęciową rurą opóźniającą na 1000 słów (to rozwiązanie zastosowano później w polskiej maszynie XYZ); wejście/wyjście z zastosowaniem taśmy perforowanej i kart dziurkowanych systemu IBM; do kontroli sterowania używano zwykłego oscyloskopu; w roku 1953 dodano do maszyny pamięć zewnętrzną w postaci bębna magnetycznego. Zapotrzebowanie na moc 56 kilowatów. Maszyna osiągnęła użyteczność obliczeniową już w roku 1951, pracowała do grudnia roku 1962.

Komputery współczesne, choć różnią się pod względem budowy i prędkości przetwarzania danych znacznie od EDVAC’a, to zasady ich pracy i architektury wymyślone przez Johna von Neumanna obowiązują do dziś. Te główne zasady to: ta sama postać programów i danych oraz ich przechowywanie w tej samej pamięci.

2. Wprowadzenie

Komputer jest zespołem układów cyfrowych tworzących system mikroprocesorowy. Układy cyfrowe służą do przetwarzania informacji. Przetwarzanie informacji polega na dostarczeniu do układu danych, które poddawane są określonym działaniom dając wyniki. Wynikami mogą być sygnały sterujące pracą maszyn, obrazy, teksty itp. Jedną z ważniejszych części tego systemu jest uniwersalny układ przetwarzający informację, czyli procesor . Procesor przetwarza informacje, wykonując na niej elementarne operacje zwane instrukcjami (bądź rozkazami). Ciąg takich instrukcji realizujący konkretne zadanie przetwarzania informacji nazywamy programem. Tak więc do systemu mikroprocesorowego musimy dostarczyć dane wejściowe, program lub zestaw programów aby po przetworzeniu otrzymać wynik.

3. Schemat blokowy systemu mikroprocesorowego.

DB

AB

CB

CPU - centralna jednostka przetwarzająca	MEM  - pamięć
I/O - układy wejścia wyjścia	         ROM  - pamięć tylko do odczytu
DB  - magistrala danych	                  BIOS - podstawowy system obsługi we/wy
AB  - magistrala adresowa 	                  RAM  - pamięć do zapisu i odczytu
CB  - magistrala sterująca	                  PAO  - pamięć operacyjna

Zadaniem CPU oprócz przetwarzania informacji jest sterowanie pracą pozostałych układów systemu. W skład CPU (ang. Central Processing Unit) wchodzą mikroprocesor i zegar.

Mikroprocesor jest układem przetwarzającym informację i sterujący pracą reszty układów np. magistral. Ma on skończoną liczbę rozkazów, które potrafi wykonać. Na podstawie tej listy budowane są dowolne programy. Procesor, czy mikroprocesor, składa się z wielu elementów. Do najważniejszych z nich należą:

ALU (ang. Arithmetic Logic Unit) - jednostka arytmetyczno-ligiczna, w skrócie artytmometr - wykonuje proste działania arytmetyczne typu dodawanie i odejmowanie liczb całkowitych, oraz prównuje wartości danych, zmienia znak liczb,
układ sterowania - zapewnia współdziałanie wszystkich bloków komputera, jego zadaniem jest wykonywanie wszystkich instrukcji programu i sterowanie przepływem danych,
rejestry - są to komórki pamięci, w których procesor tymczasowo przechowuje przetwarzane przez ALU dane.

Zegar systemowy wytwarza przebiegi czasowe niezbędne do pracy mikroprocesora i systemu. Częstotliwość cyklu zegarowego (ang. clock rate) - podstawowa szybkość w cyklach na sekundę, z jaką komputer wykonuje podstawowe operacje, jak dodawanie dwóch liczb czy przenoszenie wartości z jednego rejestru do drugiego. Częstotliwość cyklu zegarowego komputera jest określana w Hz, MGz, GHz (1 Hz to 1000 cykli na sekundę). I tak procesor Intel Pentium 4 z zegarem 3 GHz wykonuje w 3 mld cykli na sekundę.

Na jeden cykl pracy procesora składają się następujące czynności:

pobranie rozkazu z pamięci
dekodowanie rozkazu ( rozpoznanie rozkazu)
obliczenie (określenie) adresów komórek pamięci, gdzie znajdują się dane do działania
przekazanie tych danych do arytmometru i wykonie nim obliczeń
zapisanie wyników w pamięci.

Należy stwierdzić, że wszystkie działania i operacje zachodzące w systemie są sterowane i inicjowane przez mikroprocesor. Rodzaj tych działań uzależniony jest od ciągu instrukcji dostarczonych do mikroprocesora, stanowiących program. Program musi być przechowywany w miejscu, z którego mikroprocesor będzie mógł szybko, bez zbędnego oczekiwania, odczytywać kolejne instrukcje przeznaczone do wykonania. Miejscem tym jest pamięć półprzewodnikowa np. RAM. Inne rodzaje pamięci, na przykład pamięci masowe (dyski twarde), są zbyt wolne – ich czasy dostępu w porównaniu z szybkością pobierania kolejnych instrukcji przez mikroprocesor są za długie.

W bloku pamięci systemu stosowane są zarówno pamięci RAM jak i ROM. Pierwsze z nich przeznaczone są do odczytu jak i zapisu, oraz są pamięciami ulotnymi. Tego rodzaju układy pamięci tworzą pamięć operacyjną. W pamięci tej przechowywane są kody instrukcji tworzących program, dane oraz wyniki działania programu Ponieważ RAM jest pamięcią ulotną, w momencie włączenia systemu nie zawiera żadnej użytecznej informacji. Aby system rozpoczął pracę, musi istnieć miejsce, gdzie przechowywany jest program inicjujący pracę systemu. Takim miejscem jest pamięć ROM.

Pamięć ROM (ang. Read-Only Memory), ROM

Pamięć komputera, z której zawartość może być jedynie odczytywana, a nie można w niej niczego zapisać w komputerze. Kości tej pamięci są zapisywane programami i danymi podczas ich produkowania. Jest to trwała nieulotna pamięć umieszczona na płycie głównej, jej zawartość nie znika po wyłączeniu komputera, jak zawartość pamięci RAM i nie wymaga podtrzymywania przez baterię.

Dzięki swoim własnościom, pamięć ROM jest wykorzystywana w komputerze do przechowywania danych i programów, które nie mogą być zmienione przez użytkownika i muszą być łatwo dostępne.

Ważną częścią pamięci ROM w komputerze PC jest BIOS (Basic Input/Output System - podstawowy system wejścia-wyjścia). BIOS to pierwszy program, który jest uruchamiany po włączeniu komputera. Stanowi on łącznik między elektroniką komputera a systemem operacyjnym. Jego zadaniem jest uruchomienie wszystkich zasobów płyty głównej i urządzeń.

Do podstawowych zadań BIOS-u należą:

wykonanie autotestu, w skrócie POST (ang. Power On Self Test), czli testu poprawności działania podstawowych układów i podzespołów systemu komputerowego; wszelkie błędy w systemie są sygnalizowane za pomocą systemowego głośniczka na płycie głównej,
rozpoznanie i poprawne zainstalowanie podstawowych urządzeń systemu; korzystając z informacji zawartych w pamięci CMOS, identyfikuje stacje dyskietek, dyski twarde, ilości zainstalowanej pamięci, typ wyświetlacza oraz innych urządzeń,
przydzielenie zasobów systemowych urządzeniom, które tego wymagają,
poszukiwanie zainstalowanego systemu operacyjnego, czyli odczytanie z dysku głównego rekordu startowego, w skrócie MBR (ang. Master Boot Rekord) w celu pobrania informacji o umiejscowieniu plików systemowych.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) jest dodatkowym rodzajem pamięci RAM. Pamięć ta jest nietrwała , ale dzięki zasilaniu przez małą bateryjkę informacje w niej zapisane są zachowane po wyłączeniu komputera.

Niezbędnym blokiem systemu są tak zwane układy wejścia/wyjścia. Pośredniczą one w wymianie informacji pomiędzy mikroprocesorem i pamięcią systemu a urządzeniami zewnętrznymi np.: drukarka, monitor, stacja dysków, zwanymi urządzeniami peryferyjnymi.

Wszystkie omówione tu bloki wymieniają informacje i współpracują ze sobą używając pewnych wspólnych dróg informacji zwanych magistralami. W systemie występują trzy podstawowe rodzaje magistrali: magistrala danych, magistrala adresowa i magistrala sterująca.

Zadaniem magistrali danych jest przesyłanie danych, wyników oraz kodów instrukcji. Jest to magistrala dwukierunkowa. Oznacza to, że informacja może zarówno wpływać do mikroprocesora, jak może być przez niego wysyłana do innych układów.

Magistralą adresową przesyłane są adresy komórek pamięci lub układów wejścia/wyjścia, z którymi chce się komunikować mikroprocesor. Jest to magistrala jednokierunkowa, adresy są generowane przez mikroprocesor, natomiast trafiają bądź do pamięci, bądź do układów wejścia/wyjścia.

Trzecia magistrala nie jest w istocie magistralą, a raczej zestawem linii sterujących. Linie te służą do sterowania praca układów współpracujących z mikroprocesorem oraz do sygnalizowania pewnych ich określonych stanów.

Opracował: (-) Adam Barlak

Nasze serwisy

Matura 2006

Informatyka

Budowa komputera

Sieci komputerowe

Testy

Historia

Chemia

Kącik kulturalny

Galeria