SZSZK21 - Számítógép-architektúrák

Számítógép architektúra
-----------------------

A számítástechnikában a számítógép-architektúra a számítógép tágabb értelemben vett felépítésére vonatkozik.

Magát az Architektúra kifejezést az IBM vezette be, egy olyan szintű kompatibilitás jelzésére, amely szerint a méreteiben különböző, de azonos utasításkészlettel dolgozó családra jellemző.

Alapesetben a köznyelv a számítógép felépítését 2 részre osztja, hardware-re és software-re. A számítógép-architektúrák ezeket a részeket további szintekre bontják. Ezt hívjuk 6 rétegű struktúrális vagy 6 rétegű architektúrák szintjeinek.

0.szint, a digitális logika szintje. Ezen a szinten a logikai kapuáramkörök, regiszterek, illetve a belőlük felépített logikai hálózatok helyezkednek el.

1.szint, a microarchitektúra szinje, Itt találhatóak a lokális memóriaként használt regiszterblokkok, a műveletvégző egység (ALU - Arithmetic Logical Unit), valamint az adatok áramlását biztosító adatutak vagy buszok. Ezen a szinten jellenek meg az adatút vezérlését végző mikroprogramok.

2.szint, az utasításrendszer architektúra szintje, ezt a szintet ISA (Instruction Set Architecture) szintnek is nevezik. Ez valójában a gép utasításrendszerének a megvalósítása.

3.szint, az operációs rendszer szintje

4.szint, az assemblerszint

5.szint, a problémaorientált nyelvek szintje


---------------------
Számítógép rendszerek
---------------------

Processzorok
------------

A processzor (CPU - Central Processing Unit - központi vezérlő egység) a számítógép azon egysége, amely tartalmazza az utasítások értelmezését és végrehajtását vezérlő áramköröket. A CPU az alaplapon helyezkedik el, és annak ő a legfontosabb része.

1., A CPU felépítése

Egyes processzorok felépítésében jelentős eltéréseket tapasztalhatunk, de mindegyikre jellemzőek a következő architektúrális építőelemek:

- vezérlőegység (CU = Control Unit)
- aritmetikai és logikai egység (ALU)
- regiszterkészlet
- buszillesztő egység (BIU - Bus Interface Unit)
- címszámító és védelmi egység (AU - Address Unit)
- belső gyorsítótár (L1 Cache)

a., ALU - Aritmetikai és logikai egység

Az ALU a CPU-n belül az utasítás kódokban előírt számítási és logikai műveleteket végzi el. Általában egyszerű bináris számokkal végzett műveletek elvégzésére alkalmas. (Pl., összeadás, Bool algebra műveletek elvégzése, komplemes képzés, valamint adatok léptetése bitenként jobbra vagy balra). Minden egyéb számítási művelet, amelynek elvégézése a CPU feladata, felbontható az előbb felsorolt alapműveletekre. A legegyszerűbb esetben is fixpontos bináris összeadóból, komplemens képzőből, léptetőregiszterből és logikai műveleteket végző részből áll.
Az aritmetikai egyég működéséhez a következő két regiszter mindig hozzátartozik:

1., AC - Accumulator Register, mely a művelet végrehajtásnál az adatok átmeneti tárolására szolgál. (Az adatokat a oricesszor esetében operandusoknak hívjuk)

2., FLAG regiszter, ami egy állapotjelző regiszter, amelyben a végrehajtott utasítás következtében megváltozott állapotok kerülnek bitenként kódolásra.

b., Vezérlő egység

A vezérlő egységnek az a feladata, hogy programban lévő utasítások alapján a teljes számítógép részegységeit irányítsa. (pl. memória, háttértárak, alu, perifériák)
A vezérlő egység, az utasítás regsizterben (IR) megjelenő utasítás értelmezésével , vezérlő jeleket ad ki a processzor belső és számítógép külső részegységeinek irányítására. A belső vezérlő jelek az aritmetikai egység működését és a regiszterek között adat itak nyitását illetve zárását irányítják. Ez a vezérlés a műveleti vezérlés.

A műveleti vezérlés működései:

- közvetlenül az ún. "huzalozott logikával", a dekódolás hatására, a vezérlő egység minden utasításhoz külön megvalósított bonyolult digitális áramköri rendszer segítségével állítja be a gép egyes részeinek állapotát.

- történhet közvetett, mikroprogramozott módon, ami azt jelenti, hogy az utasítás műveleti kódja elindít egy kis méretű, elemi vezérlési lépéseket tartalmazó mikroprogramot és ennek segítségével vezérli a gép egyes részeinek állapotát. A mikroprogram a mikroprogramtárban található, amely csak olvasható (ROM) tároló. A külső vezerlő jelek egyrészt a processzor és a memória, illetve az I/O eszközök közötti adatátvitelt irányítják.

A műveleti vezérlés szempontjából fontos regiszterek
----------------------------------------------------

- PC - Program Counter, amely a soronkövetkező utasítás tárolón belüli címét tartalmazza. (Intel processzoroknál ezt a regisztert IP-nek hívják - Instruction Pointer)

- IP - Instruction Pointer, amely a memóriából kiolvasott utasítást tárolja. Az ebben található műveleti kód alapján a vezérlőegység meghatározza az elvégzendő műveletet. (dekódolás)