Základní struktura počítače (CPU, paměti – zásobníková, operační, cache, virtuální, atd., sběrnice, V/V zařízení)

    Na počátku je vhodné počítač definovat. Je to zařízení, obsahující procesor (mikroprocesor – což je elektronická součástka vysoké integrace), který dokáže zpracovávat instrukce, uložené v paměti počítače. Jeho základními součástmi je aritmeticko-logická jednotka a řadič.

    Aritmeticko-logická jednotka (ALU) – je jednotka procesoru, která provádí základní aritmetické a logické operace (AND, OR, posuvy).

    Další základní pojmy jsou:

Řadič (controller) - je část procesoru, která řídí vykonávání operace a chod celého procesoru podle instrukcí programu. Obsahuje především registr instrukcí (uchovává operační znak instrukce po dobu jejího provádění) a dekodér instrukcí (dekóduje obsah registru instrukcí a generuje řídící signály pro procesor).

Registr - je velmi rychlá paměťová buňka velikosti jednotek bytů, umístěná většinou uvnitř procesoru počítače. Registry je možno rozdělit na registry univerzální a registry s určitým pevně stanoveným významem. Registry univerzální jsou určeny pro uchovávání operandů, mezivýsledků i výsledků podobně jako paměť počítače. Jejich výhodou oproti paměti mimo procesor je to, že informace v nich uložené jsou přístupné prakticky okamžitě bez nutnosti přístupu mimo procesor. Druhou skupinou registrů jsou registry s určitým pevně stanoveným významem. Může to být např.:

Střadač - je registr, který zpravidla obsahuje jeden operand a bývá do něj uložen výsledek operace

Čítač instrukcí - je registr, který obsahuje adresu následující prováděné instrukce.

1.1 Von Neumannova architektura

    Většina dnes používaných počítačů používá model, který byl navržen roku 1945 americkým matematikem maďarského původu Johnem von Neumannem.

Obr. 1.1 Von Neumannovo schéma

Podle tohoto schématu se počítač skládá z pěti hlavních částí:

Operační paměť - slouží k uchování zpracovávaného programu, dat a výsledků výpočtu

ALU - Arithmetic-Logic Unit (aritmeticko-logická jednotka) – jednotka, provádějící veškeré aritmetické výpočty a logické operace.

Řadič - řídící jednotka, která řídí činnost všech částí počítače. Reakce na řídící signály, stavy jednotlivých modulů jsou naopak zasílány zpět řadiči pomocí stavových hlášení.

Vstupní zařízení - zařízení určená pro vstup programu a dat.

Výstupní zařízení - zařízení určená pro výstup výsledků, které program zpracoval.

Princip činnosti počítače je pak následující. Do operační paměti se pomocí vstupních zařízení přes ALU umístí program, který bude provádět výpočet. Stejným způsobem se do operační paměti umístí data, která bude program zpracovávat. Dále proběhne vlastní výpočet, jehož jednotlivé kroky provádí ALU. Tato jednotka je v průběhu výpočtu spolu s ostatními moduly řízena řadičem počítače. Mezivýsledky výpočtu jsou ukládány do operační paměti. Po skončení výpočtu jsou výsledky poslány přes ALU na výstupní zařízení.

Ve von Neumannově schématu je možné ještě vyznačit dva další moduly vzniklé spojením předcházejících modulů:

Procesor: Řadič + ALU

CPU - Central Processor Unit (centrální procesorová jednotka): Procesor + Operační paměť

    Dnešní počítače se od tohoto klasického schématu v některých podrobnostech mohou odlišovat. Je to především možnost pracovat i s více než jedním procesorem. Dále je obvyklé, že počítač zpracovává paralelně více programů zároveň - tzv. multitasking. To vede k efektivnímu využití strojového času. Program se do paměti nemusí zavést celý, ale je možné zavést pouze jeho část a ostatní části zavádět až v případě potřeby. Taktéž existují navíc vstupní / výstupní zařízení (I/O devices), která umožňují jak vstup, tak výstup dat (programu).

1.2 Harwardská koncepce

    Na rozdíl od von Neumannovy koncepce předpokládá existenci dvou oddělených pamětí. V první paměti jsou uloženy programy a ve druhé jsou uložena proměnná data. Tato koncepce se využívá např. v jednoúčelových programovatelných automatech nebo kapesních kalkulátorech.

    V současné době se technické vybavení počítačů rychle vyvíjí. Neustále jsou posouvány hranice možností jednotlivých základních komponent systému. Počítač je však neustále stavebnicí, kterou je možné různě sestavovat a doplňovat. Z jednotlivých komponent je tak možné sestavit vyvážený systém, který za vynaložené finanční prostředky splňuje požadavky v dané třídě aplikací, stejně tak je však možné sestavit systém v některém směru nevyvážený a neodpovídající tak výsledné ceně. Stejně tak je možné navrhnout systém s omezenými možnostmi upgrade. Je třeba si také uvědomit, že technické vybavení může plnit požadované funkce pouze v součinnosti s vhodným operačním systémem.

Paměti

Paměť počítače je zařízení, které slouží k ukládání programů a dat, s nimiž počítač pracuje. Paměti lze rozdělit do tří základních skupin:

registry: paměťová místa na čipu procesoru, která jsou používaná pro krátkodobé uchování právě zpracovávaných informací

vnitřní (interní, operační) paměti: paměti osazené většinou na základní desce. Bývají realizovány pomocí polovodičových součástek. Jsou do nich zaváděny právě spouštěné programy (nebo alespoň jejich části) a data, se kterými pracují.

vnější (externí) paměti: paměti realizované většinou za pomoci zařízení používajících výměnná média v podobě disků či magnetofonových pásek. Záznam do externích pamětí se provádí většinou na magnetickém nebo optickém principu. Slouží pro dlouhodobé uchování informací a zálohování dat.

Základní parametry pamětí jsou:

kapacita: množství informací, které je možné do paměti uložit

přístupová doba: doba, kterou je nutné čekat od zadání požadavku, než paměť zpřístupní požadovanou informaci

přenosová rychlost: množství dat, které lze z paměti přečíst (do ní zapsat) za jednotku času

statičnost / dynamičnost

o      statické paměti: uchovávají informaci po celou dobu, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napětí

o      dynamické paměti: zapsanou informaci mají tendenci ztrácet i v době, kdy jsou připojeny k napájení. Informace v takových pamětech je nutné tedy neustále periodicky oživovat, aby nedošlo k jejich ztrátě.

destruktivnost při čtení

o      destruktivní při čtení: přečtení informace z paměti vede ke ztrátě této informace. Přečtená informace musí být následně po přečtení opět do paměti zapsána.

o      nedestruktivní při čtení: přečtení informace žádným negativním způsobem tuto informaci neovlivní.

energetická závislost

o      energeticky závislé: paměti, které uložené informace po odpojení od zdroje napájení ztrácejí

o      energeticky nezávislé: paměti, které uchovávají informace i po dobu, kdy nejsou připojeny ke zdroji elektrického napájení.

přístup

o      sekvenční: před zpřístupněním informace z paměti je nutné přečíst všechny předcházející informace

o      přímý: je možné zpřístupnit přímo požadovanou informaci

spolehlivost: střední doba mezi dvěma poruchami paměti

cena za bit: cena, kterou je nutno zaplatit za jeden bit pamět

Cache paměti

Cache paměť je rychlá vyrovnávací paměť mezi rychlým zařízením (např. procesor) a pomalejším zařízením (např. operační paměť). V dnešních počítačích se běžně používají dva druhy cache pamětí:

externí (sekundární, L2) cache

Externí cache paměť je paměť, která je umístěna mezi pomalejší operační pamětí a rychlým procesorem. Tato paměť je vyrobena jako rychlá paměť SRAM a slouží jako vyrovnávací paměť u počítačů s výkonným procesorem, které by byly bez ní operační pamětí velmi zpomalovány. První externí cache paměti se objevují u počítačů s procesorem 80386. Jejich kapacita je 32 kB popř. 64 kB. S výkonnějšími procesory se postupně zvyšuje i kapacita externích cache pamětí na 128 kB, 256 kB, 512 kB. Externí cache paměť je osazena na základní desce počítače (výjimku tvoří procesory Pentium Pro a Pentium II, které mají externí cache paměť integrovánu v pouzdře procesoru). Její činnost je řízena řadičem cache paměti.

interní (primární, L1) cache

Interní cache paměť je paměť, která slouží k vyrovnání rychlosti velmi výkonných procesorů a pomalejších pamětí. Tento typ cache paměti je integrován přímo na čipu procesoru a je také realizován pomocí paměti SRAM. Interní cache paměť se objevuje poprvé u procesoru 80486 s kapacitou 8 kB. Takovýto procesor musí mít v sobě integrován také řadič interní cache paměti pro řízení její činnosti.

Práce cache paměti vychází ze skutečnosti, že program má tendenci se při své práci určitou dobu zdržovat na určitém místě paměti, a to jak při zpracování instrukcí, tak při načítání (zapisování) dat z (do) paměti. Je-li požadována nějaká informace z paměti, je nejdříve hledána v cache paměti (interní, pokud existuje, a následně v externí). Pokud požadovaná informace není přítomna v žádné z cache pamětí, je zavedena přímo z operační paměti. Kromě momentálně požadované informace se však do cache paměti zavede celý blok paměti, takže je velká pravděpodobnost, že následně požadované informace již budou v cache paměti přítomny. Pokud dojde k zaplnění cache paměti a je potřeba zavést další blok, je nutné, aby některý z bloků cache paměť opustil. Nejčastěji se k tomuto používá LRU (Least Recently Used) algoritmu, tj. algoritmu, který vyřadí nejdéle nepoužívaný blok.

Cache paměti bývají organizovány jako tzv. asociativní paměti. Asociativní paměti jsou tvořeny tabulkou (tabulkami), která obsahuje vždy sloupec, v němž jsou umístěny tzv. tagy (klíče), podle kterých se v asociativní paměti vyhledává. Dále jsou v tabulce umístěna data, která paměť uchovává, a popř. další informace nutné k zajištění správné funkce paměti. Např.:

informace o platnosti (neplatnosti) uložených dat

informace pro realizaci LRU algoritmu

informace protokolu MESI (Modified Exclusive Shared Invalid), který zajišťuje synchronizaci dat v cache pamětech v případě, že cache pamětí je v počítači více (u interních cache pamětí v okamžiku, kdy počítač obsahuje více procesorů).

Při přístupu do cache paměti je nutné zadat adresu, z níž data požadujeme. Tato adresa je buď celá, nebo její část považovaná za tag, který se porovnává s tagy v cache paměti.

Operační paměť

RAM (Random Access Memory) - paměť s přímým přístupem, česky operační paměť nebo RAMka - slouží k ukládání dat, se kterými se zrovna pracuje. Je proto velice důležitá pro rychlý chod počítače, protože pokud se zaplní, zpracovávaná data se začnou zapisovat na harddisk, což je několikanásobně pomalejší a vede k rapidnímu zpomalení počítače. Dnes se za standard považuje 512MB RAM, ale hlavně hráčí už dnes disponují 1GB RAM. Dnes nejrozšířenějším typem RAMek je DDR (Dual Data Rate), objevují se už ale i DDR II. Kromě kapacity pamětí je také důležitá frekvence. Nejrozšířenější je dnes asi 400MHz, ale najde se spoustu dalších a je těžké se ve všech zorientovat.

Když spustíte program, dojde k jeho zavedení do operační paměti a teprve zde jej dokáže procesor instrukci za instrukcí vykonávat. Na rozdíl od pevného disku či diskety, které dokáží udržet uložené informace i tehdy, je-li počítač vypnutý, je operační paměť určena pouze ke krátkodobému uložení informací. Pokud počítač vypnete, je obsah operační paměti ztracen. V současné době, kdy programy zpracovávají obrovská kvanta dat (to platí zejména pro multimedia a video), jsou nároky kladené na paměťový subsystém větší než kdykoli předtím.

Paměti RAM jsou určeny pro zápis i pro čtení dat. Jedná se o paměti, které jsou energeticky závislé. Podle toho, zda jsou dynamické nebo statické, jsou dále rozdělovány na:

o      DRAM - Dynamické RAM - V paměti DRAM je informace uložena pomocí elektrického náboje na kondenzátoru. Tento náboj má však tendenci se vybíjet i v době, kdy je paměť připojena ke zdroji elektrického napájení. Aby nedošlo k tomutu vybití a tím i ke ztrátě uložené informace, je nutné periodicky provádět tzv. refersh, tj. oživování paměťové buňky. Tuto funkci plní některý z obvodů čipové sady.

o      SRAM - Statické RAM - Paměti SRAM uchovávají informaci v sobě uloženou po celou dobu, kdy jsou připojeny ke zdroji elektrického napájení. Paměťová buňka SRAM je realizována jako bistabilní klopný obvod, tj. obvod, který se může nacházet vždy v jednom ze dvou stavů, které určují, zda v paměti je uložena 1 nebo 0.

Zásobníková paměť

Paměti typu LIFO a FIFO a jejich realizace

Last In First Out, zásobníková paměť paměťové místo na které se informace ukládá se nezadává, je určeno stavem paměti. Nezadává se ani místo ze kterého se má číst. Instrukce PUSH a POP. Ukázka 3x registr. zápis se provede pouze pokud to povolí logika. Ukazovátko určuje vrchol zásobníku. (realizovat jako 4bit posuvný registr. na počátku 1000. při zápisu se posune vlevo, při čtení vpravo nebo jako reverzibilní čítač.

First In First Out, jinak fronta, chová se jako LIFO, ale čte se z ní vždy dosud nečtená položka, která je v ní nejdéle.U FIFO vztah pro čtení a zápis je dán počtem položek v paměti. Z toho vyplývá potřeba dvou ukazovátek. Používají se jako vyrovnávací paměť (buffer) mezi dvěma jednotkami, aby se vyrovnala jejich rychlost. Požadavek na čtení i zápis může přijít současně.

Virtuální paměť

Virtuální paměť nebo také adresování virtuální paměti je zvláštní způsob správy operační paměti počítače. Umožňuje operačnímu systému využívat vnitřní paměť, která je významně větší, než je skutečná fyzická velikost paměti. Děje se to tím, že se v danou chvíli nepotřebná paměť odkládá na pevný disk (nebo na jiný odkládací prostor) a v případě potřeby se opět zavádí do vnitřní paměti.

Princip virtuální paměti byl rozpracován na přelomu 50. a 60. let 20. století. Koncem 60. let se začal stávat standardem OS sálových počítačů. Dnes je virtuální paměť běžnou součástí všech moderních operačních systémů. Zvýšené nároky na systémové a hardwarové zdroje (zvláště na diskový subsystém) jsou zanedbatelné v porovnání s výhodami, které použití virtuální paměti přináší. Je to především menší potřeba fyzické paměti, která je i přes neustále klesající ceny řádově dražší než odkládací diskový prostor (nejen cenou za uložený bit, ale i spotřebou elektřiny, flexibilitou a zabraným prostorem). Systém virtuální paměti umožňuje efektivně využít menší operační paměť za cenu jen nepatrné ztráty výkonu a přináší výhody dokonce i v případě, že k odložení paměti na disk nedojde.

Výhody

o      Paměť, kterou má běžící proces k dispozici, není omezena fyzickou velikostí instalované paměti

o      Bez virtuální paměti by musel operační systém přidělit i paměť, kterou proces ve skutečnosti nevyužije nebo ji začne využívat až později

o      Každý běžící proces má k dispozici svou vlastní paměťovou oblast, ke které má přístup pouze on sám a nikdo jiný

o      Metody správy paměti zabezpečují optimální výměnu paměťových stránek mezi fyzickou počítačovou pamětí a diskem. Málo používaná část paměti tak vůbec nemusí být zavedena ve vnitřní paměti

o      Paměť jednotlivým procesům lze tak organizovat, že se paměť z hlediska procesu jeví jako lineární, přestože ve skutečnosti může být umístěna na různých místech vnitřní paměti i odkládacího prostoru.

Nevýhoda - Při špatném (malém) dimenzování reálné operační paměti může dojít ke ztrátě výpočetního výkonu (probíhá neustálá výměna dat mezi pamětí a diskem namísto výpočtů). Je ovšem nutné zmínit, že bez virtuální paměti by v takovém případě výpočet vůbec nemohl proběhnout.

Základní principy

o      Všechny adresy, které proces používá, jsou spravovány pouze jako virtuální - transformaci na fyzické adresy provádí správa virtuální paměti

o      Existují dvě základní metody implementace virtuální paměti - stránkování a segmentace

o      Při stránkování je paměť je rozdělena na větší úseky stejné velikosti, které se nazývají stránky. Správa virtuální paměti rozhoduje samostatně o tom, která paměťová stránka bude zavedena do vnitřní paměti a která bude odložena do odkládacího prostoru (swapu).

o      Při segmentaci je paměť rozdělena na úseky různé velikosti nazývané segmenty.

o      Používají se různé strategie pro řízení přesunu stránek/segmentů tam a zpět, často odpovídající strategiím cacheování. Příkladem je LRU (Least Recently Used - nejdéle nepoužívaná), NFU (Not Frequently Used - nepoužívaná často) nebo Aging (Stárnutí).

Sběrnice (bus)

Pod pojmem sběrnice obecně rozumíme soustavu vodičů, která umožňuje přenos signálů mezi jednotlivými částmi počítače. Pomocí těchto vodičů mezi sebou jednotlivé části počítače komunikují a přenášejí data. Zařízení jako jsou procesor, koprocesor, cache paměť, operační paměť, řadič cache paměti a operační paměti a některá další zařízení jsou propojena tzv. systémovou sběrnicí (CPU bus).   Osobní počítače musí být navrženy tak, aby bylo možné jejich snadné rozšiřování o další zařízení (zvukové karty, síťové karty, řadiče disků apod.). Takovéto rozšiřování je velmi často uskutečňováno pomocí tzv. rozšiřující sběrnice počítače (častěji označované pouze jako sběrnice), na kterou se jednotlivá zřízení zapojují. Tato rozšiřující sběrnice a zapojovaná zařízení musí tedy splňovat určitá pravidla. Takže ve výpočetní technice je pojem sběrnice také chápán jako standard, dohoda o tom, jak vyrobit zařízení (rozšiřující karty), která mohou pracovat ve standardním počítači.

Podle způsobu práce a zapojení rozlišujeme několik základních typů sběrnic:

o      synchronní sběrnice: sběrnice pracující synchronně s procesorem počítače. Platnost údajů na sběrnici jednoznačně určuje hodinový signál. Tímto způsobem dnes pracuje převážná většina všech sběrnic.

o      pseudosynchronní sběrnice: dovoluje zpozdit přenos údajů o určitý počet hodinových period.

o      multimaster sběrnice: dovoluje tzv. busmastering, jedná se o sběrnici, která může být řízena několika zařízeními, nejen procesorem.

o      lokální sběrnice: spočívá ve vytvoření technické podpory toho, že se náročné operace s daty realizují rychlou systémovou sběrnicí. Tato systémová sběrnice se prodlouží a umožní se tak přístup na ni i ze zásuvných modulů dalších zařízení. O rozvoj lokálních sběrnic se nejvýrazněji zasloužili výrobci videokaret, pro něž byly dosavadní sběrnice pomalé. Nevýhodou lokálních sběrnic je o něco vyšší cena samotné základní desky s lokální sběrnicí a také zařízení pro ni určených.

Mezi základní parametery každé sběrnice patří: