Arhitecturi de Calculatoare

1. Obiectivele lucrării:

Sistemele de calcul au avut, în ultimii ani, o evoluţie explozivă datorată în primul rând evoluţiei din domeniul electronicii şi tehnologiilor actuale. Cele mai răspândite calculatoare de pe piaţă se bazează pe procesoare produse de firma Intel. Din acest motiv pe parcursul acestei şedinţe, studentul se va familiariza cu arhitecturile calculatoarelor IBM PC, studiind trei procesoare produse de firma Intel.

2. Introducere

Calculatorul numeric a fost conceput iniţial ca un instrument de lucru pentru matematicieni şi fizicieni pentru a uşura efectuarea unor calcule laborioase. După anul 1945, considerat ca fiind anul de naştere al calculatorului electronic, evoluţia calculatoarelor a fost marcată de lărgirea domeniului de aplicaţii şi de o evoluţie tehnologică impresionantă datorită apariţiei procesoarelor.

3. Arhitectura unui sistem de calcul

Componentele principale ale unui sistem de calcul , conform descrierii lui von Neumann, sunt (fig. 1):

- unitatea centrală de procesare (ALU);

- unitatea de control;

- memoria;

- echipamentele intrare/ieşire.

Fig. 1. Modelul von Neumann al unui sistem de calcul

Toate calculatoarele personale sunt dezvoltate pe baza arhitecturii von Neumann. Acest model se poate simplifica, rezultând modelul bazat pe magistrală prezentat în fig. 2.

Fig. 2. Modelul bazat pe magistrală al unui calculator digital

Procesoarele Intel Pentium sunt procesoare superscalare care pot executa mai multe instrucţiuni într-un ciclu, îmbinând atât caracteristici CISC cât şi RISC, primele fiind însă predominante. Anumite instrucţiuni sunt complet cablate şi pot fi executate într-o singură perioadă de tact (caracteristică RISC), în timp ce altele sunt microprogramate şi pot necesita mai multe perioade de tact pentru execuţie (caracteristică CISC). De asemenea, procesoarele Intel au câteva moduri de adresare, câteva formate de instrucţiune şi puţine registre (caracteristică CISC).

4. Procesorul 80486

Procesorul 80486 este un procesor pe 32 de biţi bazat pe o arhitecură pipeline (bandă de asamblare). Această bandă de asamblare are rolul de a creşte numărului de instrucţiuni executate într-un interval de timp. Execuţia unei instrucţiuni a fost împărţită în 5 părţi distincte, fiecare executată de o unitate funcţională. În fiecare perioadă a ceasului este preluată o instrucţiune şi, deşi pentru executarea acesteia sunt necesare câteva perioade de ceas, datorită executării aproape simultane a mai multor instrucţiuni se realizează efectul executării câte unei instrucţiuni în fiecare perioadă a ceasului.

PF D1 D2EXWB

Fig.3. Structura benzii de asamblare a procesorului 80486

Structura pipeline este organizată pe 5 unităţi (nivele):

- PF – aducere în avans a instrucţiunii (Prefetch)

- D1 – decodificare instrucţiune (Decode 1)

- D2 – generare adresă (Decode 2)

- EX – execuţie (Execute)

- WB – memorare rezultat în registru (Write Back)

Pentru a alimenta în permanenţă unitatea de execuţie rapidă, în procesorul 80486 a fost inclusă o memorie cache de mare viteză. Conceptul cache foloseşte două caracteristici importante ale execuţiei programelor: în primul rând, programele tind să utilizeze datele şi instrucţiunile situate unele lângă altele, iar în al doilea rând, programele tind să refolosească în mod repetat aceleaşi blocuri de date. Ţinând cont de aceste caracteristici, sunt păstrate într-o unică memorie rapidă blocurile de date care urmează să fie utilizate. Memoriiile cache sunt foarte utile, deoarece datele şi intrucţiunile necesare se află în peste 95% din cazuri în memoria