Architektúra PC

1. Štandardná architektúra počítačov

Architektúra počítačov je časť vedy o počítačoch, študujúca predovšetkým štruktúru, organizáciu, realizáciu a funkciu počítačov.
Za predpokladu, že počítač sa skladá z určitého počtu funkčných blokov, význam jednotlivých položiek môžeme spresniť takto:
štruktúra - popisuje prepojenie jednotlivých funkčných blokov
organizácia - popisuje dynamickú interakciu funkčných blokov a riadenie styku medzi nimi
realizácia - popisuje návrh a vnútornú štruktúru jednotlivých funkčných blokov
funkcia - popis chovania počítača ako celku navonok
Tieto štyri položky nám ukazujú cestu návrhu počítačov, pričom nie je možné jednotlivé úrovne návrhu od seba oddeľovať, nakoľko by sme tým prijímali značné obmedzenia.

Návrhár nových architektúr počítačových systémov sa musí opierať o tieto zdroje informácií:
1. Tradícia
2. Použiteľná technologická základňa
3. Vlastnosti živých organizmov
4. Fantázia
 

1.1. Von Neumanova architektúra číslicového počítača

Začiatkom 40-tych rokov dvadsiateho storočia skupina vedcov pod vedením matematika maďarského pôvodu von Neumanna formulovala základné princípy architektúry počítačov platné dodnes:
1. Počítač sa skladá z týchto funkčných jednotiek: pamäť, radič, aritmetická jednotka, vstupné a výstupné jednotky.
2. Štruktúra počítača je nezávislá na type riešenej úlohy, počítač sa programuje obsahom pamäti.
3. Inštrukcie a operandy sú v tej istej pamäti.
4. Pamäť je rozdelená do buniek rovnakej veľkosti, ich poradové čísla sa používajú ako adresy. 5. Program je tvorený postupnosťou príkazov - inštrukcií, v ktorých spravidla nie je obsiahnutá hodnota operandu, ale uvádza sa ich adresa, takže program sa pri zmene údajov nezmení. Inštrukcie sa vykonávajú jednotlivo v poradí, v ktorom sú zapísané do pamäti.
6. Zmena poradia vykonávania inštrukcií sa vyvolá inštrukciou podmieneného alebo nepodmieneného skoku.
7. Pre reprezentáciu inštrukcií a čísel sa používajú dvojkové signály a dvojková číselná sústava.

1.1. Von Neumanova architektúra číslicového počítača

Podstatná časť von Neumannových myšlienok zostáva v platnosti dodnes a takmer vo všetkých sériovo vyrábaných počítačoch nájdeme uvedených sedem bodov. Prvý počítač postavený na základe von Neumannovej koncepcie bol postavený v roku 1949 s názvom EDSAC.

1.2. Centrálna procesorová jednotka

CPU - je hlavnou činnou jednotkou, zabezpečujúcou predovšetkým riadiacu a synchronizačnú činnosť systému. Túto činnosť zabezpečuje radič a jeho podporné obvody, ktorý sa nachádza v každej CPU.

Radič

Každý ucelený systém, vykonávajúci definovanú činnosť potrebuje koordinačnú službu, ktorú zabezpečuje radič. Využíva k tomu vnútornú zbernicu pre internú komunikáciu a sadu interných pamäťových miest - registrov, ktoré môžu uchovávať medzivýsledky dôležité pre ďalšiu činnosť.
 

Základné vlastnosti CPU

Rýchlosť CPU:
Mikroprocesor pracuje podľa určitého taktu hodín - frekvencia, ktorého správne nastavenie je dôležité pre jeho optimálnu činnosť. Pri malej frekvencii nie je dostatočne využívaná výkonnosť mikroprocesora a pri veľkej frekvencii neúmerne vzrastá počet chýb a tým sa zmenšuje výkonnosť. Frekvencia 1 MHz je milión taktov za sekundu. Staršie počítače PC XT používali hodiny s frekvenciou 6 MHz a vyššiu. Najnovšie typy procesorov využívajú to, že všetky externé zariadenia sú značne pomalšie ako vlastný procesor a ich interná frekvencia je niekoľkonásobne vyššia ako externá.
 

Základné typové triedy procesorov

Mikroprocesor 8088:
Je použitý vo väčšine počítačov triedy PC XT. Je dodávaný v púzdre DIP (Dual In - line) so 40 vývodmi, čo je obdĺžnikové púzdro s dvoma radmi vývodov po 20. Klasický i8088 (označovaný tiež i8088-1) pracoval s frekvenciou do 5 MHz, neskôr bol vyvinutý i8088-2 (Turbo PC XT) s frekvenciou do 8 MHz. Procesor i8088 zodpovedá 29 000 tranzistorom.

Mikroprocesor 80286:
Navrhnutý firmou INTEL v roku 1981. Dodáva sa v púzdre PGA (Pin Grid Array), čo je mriežkové usporiadanie vývodov. Procesor i80286 zodpovedá 130 000 tranzistorom na pomerne malej ploche a preto je nutné chladenie formou doštičiek na jeho povrchu.

Mikroprocesor 80386:
Mikroprocesor i80386DX bol uvedený na trh v roku 1986 v puzdre PGA a zodpovedá 250 000 tranzitorom. Poskytuje omnoho širšie programovacie schopnosti ako i80286, umožňuje vykonávať aj programy v režime súbežného spracovania úloh. i80386SX sa líši od i80386DX tým, že SX má šírku prenosu len 16 bitov.

Mikroprocesor 80486:
Nepredstavoval taký výrazný skok ako napr. prechod z i80286 na i80386. V podstate môžeme povedať, že je to zmodernizovaná i80386. Jeho mikrokód je rozsiahlejší a rýchlejší. i80486 obsahuje v sebe okrem vylepšeného i80386 aj radič vyrovnávacej pamäte 80385 a numerický koprocesor 80387. 80486 zodpovedá 1,25 miliónu tranzistorov. Rozdiel medzi 80486DX a 80486SX spočíva v odpojení koprocesora pri 80486SX. Postupom času sa začali dodávať na trh aj koprocesory, ktoré po pripojení k 486SX tento procesor úplne zatienili. Firma INTEL začala vyrábať čip nazývaný OVER DRIVE, ktorý sa zasúval do pätice pre 80487SX a pracoval s dvoma frekvenciami (internou a externou). Na princípe čipov OVER DRIVE sa začali vyrábať aj procesory s dvojitou frekvenciou označované DX2, prípadne so štvornásobnou frekvenciou DX4, čiže vnútorná frekvencia procesora bola dva, prípadne štyrikrát vyššia ako frekvencia, ktorou komunikoval s okolím.
 

Register

Operand je priamo uložený v niektorom 32-bitovom (prípadne 16 alebo 8 bitovom) všeobecnom registri. Môžu sa taktiež využívať registrové páry, ktoré vznikajú spojením dvoch registrov.
Príklad: MOV AX, CX (Prepíš obsah registra CX do AX)
 

Ovládanie vstupov a výstupov (V/V)

Vstupné a výstupné operácie vykonávajú procesory 80x86 prostredníctvom V/V brán (I/0 - ports). Vstupno výstupné brány sú registre v radičoch periférnych zariadení. Vstupno výstupná brána môže byť vstupná, výstupná alebo obojsmerná a z toho vyplýva, že z nej môžeme iba čítať, iba zapisovať, alebo aj čítať aj zapisovať.

Vstupno výstupné brány môžeme adresovať dvoma spôsobmi:
1. Prostredníctvom zvláštneho adresového priestoru a V/V inštrukcií.
2. Mapovanie V/V brán do adresového priestoru fyzickej pamäte.

1. Adresovanie pomocou zvláštneho adresového priestoru
CPU pre adresáciu V/V brán poskytne oddelený 16-bitový adresový priestor, teda môžeme samostatne adresovať 64 kB V/V brán. Brány sú 8-bitové a je možné ich spájať do 16-tich prípadne 32 bitov.
Pre prístup k V/V bránam nám slúžia inštrukcie IN, OUT, ktoré prenášajú údaje medzi akumulátorom a V/V bránou.
To, či adresa nastavená na adresovej zbernici sa použije na prístup do pamäte alebo do vstupno-výstupného adresového priestoru indikuje signál M/IO (Memory Input Output).

2. Mapovanie V/V brán do adresového priestoru fyzickej pamäte
V tomto prípade adresujeme vstupno-výstupné brány priamo do adresového priestoru fyzickej pamäte. Výhodou takéhoto usporiadania je, že pre ovládanie V/V brán je možné použiť všetky inštrukcie pre prácu s pamäťou a všetky dostupné adresovacie techniky. Dôležité je zabezpečiť synchronizáciu V/V operácií, aby napr. čítanie V/V brány nepredbiehalo zápis do nej.
 

Organizácia hlavnej pamäte

V súčasnej dobe využívajú procesory na báze 80x86 tieto druhy primárnych pamätí:
1. konvenčná,
2. rozšírená EXTENDED - XMS,
3. prekrývaná, stránkovaná EXPANDED - EMS.

Konvenčná pamäť
80x86 pri svojej činnosti pod operačným systémom MS DOS využíva prvých 640 kB, ktorých využitie je následujúce:

Adresový priestor nad 640 kB, ktorý je schopný adresovať aj 8088 a 8086 sa využíva nasledovne:

Extended Memory - XMS
Procesory od 80286 sú schopné adresovať väčší adresový priestor než 1MB. Aby však mohli využívať túto pamäť nad 1 MB musia sa prepnúť do tzv. chráneného režimu (protected mode), ktorý nie je kompatibilný s reálnym režimom procesorov 8088, 8086.
Chránený režim vymedzí každej aplikácii určitý pamäťový priestor a v prípade, že sú prekročené jeho hranice, je aplikácia ukončená. Aby mohla byť využívaná rozšírená pamäť, musí byť k tomu aplikácia špeciálne naprogramovaná.

Expanded Memory - EMS
Väčšina DOS aplikácií však nevie využívať XMS. Preto firmy LOTUS, INTEL, MICROSOFT vyvinuli štandard pre programový produkt, ktorý prekračuje obmedzenie DOSu pomocou stránkovania. V rezervovanej pamäti (640-1024 kB) sa alokuje 64kB pre 4 stránky (1 stránka - 16 kB).

V počítačoch 80386 a vyšších je nutné pre EMS používať program EMM386.