Von Neumannova schéma počítača

Čo to vlastne Von Neumannova schéma počítača je?

• Von Neumanova schéma bola navrhnutá v roku 1945 americkým matematikom Johnom Von Neumannom

ako model samočinného počítača. Tento model s istými výnimkami zostal zachovaný dodnes.

• Podľa Von Neumannovej schémy sa počítač skladá z piatich základných častí:

• Operačná pamäť: Slúži k uchovaniu spracovávaného programu, dát a výsledkov výpočtov.

• ALU: Arithmetic-logic Unit /aritmeticko logická jednotka/: Jednotka prevádzajúca všetky aritmetické

výpočty a logické operácie.

• Radič: Riadiaca jednotka, ktorá riadi činnosť všetkých častí počítača. Toto riadenie je prevádzané

pomocou riadiacich signálov, ktoré sú zasielané jednotlivým modulom.

• Vstupné zariadenia: Určené pre vstup programu a dát.

• Výstupné zariadenia: Určené pre výstup výsledkov, ktoré program spracoval.

A takto vyzerá.

Princíp činnosti počítača podľa von Neumanna

     Do operačnej pameti sa pomocou vstupných zariadení cez ALU umiestni program, ktorý bude

vykonávať výpočet. Rovnakým spôsobom sa do operačnej pamäti umiestnia dáta, ktoré bude program

spracovávať. Prebehne vlastný výpočet, pričom jednotlivé kroky vykonáva ALU. Táto jednotka je

v priebehu výpočtu spolu s ostatnými modulmi riadená radičom počítača. Medzivýsledky sú ukladané do

operačnej pamäte. Radič vyhodnotí zadaný príkaz, zistí akými operáciamy sa dá vyriešiť tieto informácie

postúpi ďalej ALU. Po skončení výpočtov sú výsledky poslané cez ALU na výstupné zariadenie.Harwardská koncepcia na rozdiel od von Neumanovej predpokladá existenciu dvoch oddelených

pamätí. V prvej sú uložené programy a v druhej sú uložené dáta.

Procesor

Vývoj procesora, praca procesora, mikroprocesor

Delenie procesorov.• Prvý spôsob delenia procesorov

• 1. CPU /Central Procesor Unit/

• Procesory, také ako ich poznáme všetci, sú srdcom našich osobných počítačov /PC aj MAC/ a tiež akýchkoľvek stolných počítačov. Ich hlavné

vlastnosti sú:

• otvorenosť procesoru: všetky periférie musia byť pripojené externe

• vysoká cena: cena riadená predovšetkým trhom

• vysoký výkon

• vysoká spotreba a stratový výkon

• rozmery procesoru: Vďaka svojej otvorenosti a možnosti rozšírenia má CPU vyvedené veľké množstvo signálov, ktoré veľmi často presahujú

číslo 100. To vyvoláva veľké nároky na rozmery púzdra.

• 2. MCU /Micro Controler Unit/

•      Označenie tejto skupiny procesorov sa veľmi líši, každý výrobca si svoje “chrobáky” nazýva podľa svojho, a tak občas trochu nastáva zmätok.

Tento typ sa používa takmer kdekoľvek. V osobnom počítači /napr. v klávesnici/, automobile, jednoducho v dnešnej dobe všade tam, kde je

nejaká elektronika. Pri MCU hlavnú úlohu zohráva cena, ktorej je podriadené všetko.

• 3. DSP /Digital Signal Procesor/

•      Je určitým kompromisom medzi klasickým CPU a MCU. Je určený predovšetkým s spracovávaniu signálov. Zjednodušene povedané DSP

slúži k tomu, aby dáta ktoré do neho vstupujú, spracoval a čo najrýchlejšie opäť predal na vstup. Pre predstavu, aké objemy dát musí spracovať

taký procesor ak napríklad formát MP3 má štandardný tok 128 kB/s ?

•  

•      Oblasť použitia jednotlivých typov procesorov je značne rozmanitá a každý z typov má svoje miesto kde je “kráľom”. Pri CPU je to výkon,

pri MCU je hľadiskom mnoho požiadavkou, ktoré sa objavujú pri návrhu zariadenia /teplota, spotreba, rýchlosť, cena, odber.../ a nakoniec pri

DSP je to jeho matematický výkon.

Druhý spôsob delenia procesorov

     Medzi návrhármi počítačov bol dlho všeobecne rozšírený názor, že čím má procesor bohatšiu inštrukčnú sadu, tým je výkonnejší počítač.

Neskôr však rozsiahle testy rôznych programov dokázali, že v praxi na využíva len istá podmnožina inštrukčného súboru procesoru. Najviac

využívaná je skupina jednoduchých inštrukcii, zatiaľ čo ostatné relatívne zložitejšie sa používajú len málo.

 

1. RISC /Reduced Instruction Set Computer/

     Počítač s redukovaným súborom inštrukcii. Snahou výrobcov je naopak maximálne obmedziť inštrukčnú sadu procesorov. Kľúčovou

myšlienkou je prenesenie niektorých výpočtových funkcii procesoru z technických prostriedkov na programové. Inštrukčná sada týchto

procesorov je redukovaná iba na jednoduché a rýchle vykonávané inštrukcie, na tie ktoré bývajú využívané najčastejšie. Zároveň bývajú

implementované tak aby sa vykonávali čo najrýchlejšie.

 

Fungujú na troch základných princípoch

Regularita a jednoduchosť súboru inštrukcii

V každom strojovom cykle ak je to možné končí vykonanie jednej inštrukcie.

Inštrukcie majú pevnú dlžku a nemenný formát

 

Charakteristické znaky

-Minimálny inštrukčný súbor /80-150 inštrukcii/

-Jendnoduché spôsoby adresovania

-Jeden alebo málo formátov inštrukcii

-Riadenie jednoduchou pevnou logikou

-Operácie trvajúce jeden cyklus

-Rýchle pamäte na uloženie programou

-Zreťazená realizácia inštrukcii

 

2. CISC /Complet Instruction Set Computer/

     Počítač s kompletným súborom inštrukcii. Snahou výrobcov je vybavovať procesory s čo najširšou sadou inštrukcii. Pri postledných CISC

procesoroch dochádza ku kombinácii obidvoch tecník. Navonok sú Cisc-ové, ale vnútorná konštrukcia je Risc-ová. Ale aj naďalej dochádza

k ďalšiemu rozširovaniu inštrukčnej sady zameranej hlavne na multimediálnu oblasť a grafiku /MMX, 3D NOW!, SIMD/

 

Pentium

     Mikroprocesor INTEL Pentium bol uvedený na trh v máji v roku 1993. Pentium je tiež prvý superskalárnym procesorom firmy Intel. Predstavuje procesor, ktorý má viac než jeden

zásobník /front/ pre zreťazené spracovávanie inštrukcii. K najdôležitejším vlastnostiam patrí šírka dátovej zbernice 64 bitov, adresová zbernica má šírku 32 bitov. Šírka toku dát je 64 bitov.

Táto je zachovaná až k dvom oddeleným vyrovnávcím pamätiam /inštrukcie+dáta/. Dáta sa spravovávajú 32 bitovo. Na čipe je umiestnená tiež aritmetická jednotka pre operácie s pohyblivou

desatinnou čiarkou. Procesor pentium používa 8 univerzálnych registrov a zásobníkovú pamäť. Operácie s pohyblivou čiarkou prebiehajú 5 – 10 x rýchlejšie ako pre 486 DX/33.

Podporované frekfencie procesora 75 - 150 Mhz.

 

Procesor Intel Pentium Obsahuje tieto jednotky

1. BIU /Bus Interface Unit/: jednotka styku so zbernicou

     Je akousi bránou mikroprocesora k okolitému svetu. Všetky ostatné jednotky využívajú túto jednotku pre prenos dát medzi okolím a procesorom /najmä RAM/

2. IPU /Instruction Prefetch Unit/ Jednotka predbežného načítania inštrukcii/

3. IDU /Instruction Decode Unit/ Jednotka pre dekódovanie inštrukcii

4. EU /Execution Unit/ Výkonná jednotka. Zahŕňa v sebe U,V výkonnú jednotku, FPU, BTB. Vykonáva vlastné výpočty. Jej jadrom je ALU, ktorá obsahuje obvody potrebné k aritmetickým a

logickým operáciám a k vykonávaniu inštrukcii.

                                                                                                                                                                                                                       

 

Pentium MMX

     Okrem posilnenia o inštrukcie MMX je obohatená vnútorná architektúra. MMX predstavuje 57 nových inštrukcii, aby sa zvýšila rýchlosť výpočtov, ktoré sa

typicky vyskytujú v aplikáciách spracuvavajúce grafiku, zvuk a video. Využíva techniku SIMD /Single Instruction Multiple Date/, ktorá dovoluje spracovať mnoho

informácii behom jedinej inštrukcie. Možnosti MMX sa využívajú predovšetkým aplikácie pre spracovanie videa, kompresie dát, 2D/3D grafiku, zvuku, rozpoznávanie

reči.

 

Pentium Pro

     Navonok vystupuje ako Cisc, ale jadro je Risc-ové. Na trh bol uvedený v novebmbri v roku 1995. Ide o ďalšiu generáciu Pentia nazvanú P6. Je obdĺžnikového

tvaru, pretože obsahuje dva čipy /sekundárna cache je na samostatnom čipe v púzdre procesora/. Teda vnútorná stavba procesoru je zložená z dvoch oddelených čipov.

Na jednej z kremíkových doštičiek je jadro procesoru a primárna procesorová cache/L1 Cache/. Na druhej je umiestnená sekundára cache /L2 Cache/. Jedná sa o cache

pamäť s kapacitou 256 kB /512 kB/ priamo v púzdre procesoru. Táto nieje súčasťou čipu procesoru, ale je tvorená samostatným čipom umiestneným v jednom púzdre

s čipom procesoru. Jadro sa zásadne odlišuje od jadra Pentia. V Pentiu Pro sa začalo s nahradzovaním komplexných príkazov jednoduchšími inštrukciami

RISC,Pentium Pro má dvojnásobný výkon oproti najrýchlejšiemu Pentiu .

                                                                                                                                                                                                                                                         

Pentium II

     Pentium II v sebe spája pokrokové technológie procesoru Pentium Pro s možnosťami technológie MMX. Spolu s novým procesorom prichádza aj nová zbernicová architektúra, ktorá

umožňuje až tri krát vyššiu priepustnosť dát. Nazýva sa “Slot 1”. S nástupom procesoru Pentium II predstavila spoločnosť Intel technológiu S.E.C. /Single Edge Contact Cartrige/. Je to nová

montážna technológia, ktorá nahradzuje staršiu technológiu PGA /Pin Grid Array/. Súčasti sú upevnené na podložku a potom úplne uzavreté do plastového obalu a kovového krytu, ktorý tvorí

vlastné telo procesoru. Všetky procesory sú vyrobené technológiou 0,25 mikrometrov.

 

Charakteristické znaku Pentium II

-Technológia dynamického spúšťania: Umožňuje spúšťanie inštrukcii mimo poradia

-Procesor obsahuje dve rozdielne zbernice: Systémovú, ktorá sa využíva pre prístup k pamäti a na vstupno výstupné operácie a L2 cache zbernicu, ktorá pracuje na

polovičnej ferkvencii v porovnaní s taktovaním jadra procesoru. Rýchlosť L2 cache zbernice je jedným z najdôležitejších faktorov, ktoré kladne ovplyvňujú výkon

systému.

-Rozšírený inštrukčný súbor MMX: Cieľom je zvýšenie výkonu v multimediálnych a komerčných programov

-Cache: Procesor Pentium II disponuje 32 KB L1 cache, ktorá je rozdelená do dvoch častí: inštrukčnej a dátovej. Pracuje na frekvencii jadra, čím poskytuje rýchlejší

prístup k často používaným dátam a inštrukciám. Daľej má Pentium II 512 kB L2 cache, ktorá je jednotná pre inštrukcie i pre dáta. Táto využíva 64 bitovú zbernicu, ktorá

umožňuje vysokú rýchlosť prenosu dát medzi procesorom a cache L2.

                                                                                                                                                                

Pentium II Celeron

     Intel svojimi novými procesormi Pentium II definitívne opustil platformu Socet7 a vrhol sa na Slot 1, ktorý ponúka širšie možnosti. Prechod na

novú platformu však prinieslo zvýšenie cien, takže intelovské procesory sa cenovo posunuli ešte vyššie nad už aj tak lacnejšie verzie konkurenčných

AMD. To si v Inteli samozrejme skoro uvedomili a preto prišli s lacnejšou verziou Pentia II – Celeronom. Od Pentia II sa líši predovšetkým

odstránením L2 cache, ktorá sa zo základnej dosky /Socet 7/ presunula k procesoru. Absencia L2 cache sa prejavil samozrejme znížením výkonu.

Preto v nových verziách Celeronov /označovaných ako Mendocino/ napravil tento nedostatok pridaním 128 kB L2 cache, ktorá pracuje na frekvencii

procesoru. Na prvý pohľad vyzerajú obidva celerony veľmi podobne. Okrem nápisu na doske /Mendocino je označované písmenom “A”/ má

mendocino väčší čip, čo je dané pridaním L2 cache. Obidva sú vyrábané 0,25 mikrónovou technológiou. Na rozdiel od Pentii II, ktoré pracujú so 100

MHz zbernicou, sú Celerony určené pre 66 MHz zbernicu. Pre pretaktovanie je nepríjemné /podobne ako pri Pentium II, III, AMD Athlon/, že majú

uzamknutý násobič frekvencie. Jediná možnosť ako zvýšiť taktovaciu frekvenciu je teda zmena frekvencie zbernice.

               

Pentium III

     Procesor Pentium III je určený predovšetkým užívateľom, ktorý často pracujú s Internetom, alebo ďalšími aplikáciami náročnými na rýchly prenos

dát. V tomto ohľade je najvýznamnejšie rozšírenie inštrukčného súboru o 70 nových inštrukcii, ktoré významne zrýchľujú výkon a otvárajú tak cestu

pre nový druh softvéru spolupracujúceho s Internetom. Inak vnútorná architektúra je totožná s Pentium II. Pentium III je vyrobený technológiou 0,25

mikrometrov. Procesor obsahuje 32 kB cache L1 a 512 kB cache L2 pre rýchly prístup k často používaným dátam.

                                                                                 

Nové vlastnosti:

-Nové inštrukcie /70 nových inštrukcii používaných pre viac dát spracovávaných jedinou inštrukciou.

-Sériové číslo procesoru /Umožňuje bezpečné blokovanie počítača, identifikáciu počítača/

Pentium III Copermine

     Je veľmi podobný Pentium III. Hlavné sú dve zmeny. Procesor je vyrábaný 0,18 mikrónovou technológiou /Intel si sľubuje možnosť vyšších

frekfencii procesoru: pri 0,25 mikrónovej technológii bolo 600 MHz prakticky maximum. Ďalšou zmenou je integrovaná L2 cache. Tá je síce oproti

Pentium III polovičná, ale na druhú stranu beží na rovnakej frekvencii ako jadro procesora. Copermine samozrejme podporuje 133 MHz zbernicu.

     S uvedením tohoto procesoru predstavil Intel i nový formát púzdra procesoru, FCPGA /Flip Chip Pin Grid Array/. Umožní to, podobne ako pri

celeronoch, umiestniť L2 cache priamo do jadra Copermine a zároveň znížiť náklady na výrobu. Formát FCPGA je pinovo zhodný so Socet370 /pätica

pre Celerony/, ale kto si myslí, že mu pobeží nový PIII v celeronovej doske, tak ten sa mýli. Opačne to pôjde, takže v matičnej doske pre Copermine sa

môže použiť Celeron s tým, že bude možný neskorší update.

Celeron /Copermine/

     Nové procesory vychádzajú z procesoru Intel Pentium III Copermine. Sú vyrábané technológiou 0,18 mikrometra a majú implementovanú sadu

inštrukcii SIMD pre spracovanie predovšetkým multimediálnych dát. Rozdiel oproti rade Pentium III je menšia L2 Cache 128 kB a v FSB 66 MHz.

Podporované frekvencie sú: 566,600,700 MHz.