Architektura Komputerów/Wykład 15: Struktura komputera

Plan wykładu





Architektura pamięcio-centryczna (lata 1960)



Schemat przedstawia architekturę pamięcio-centryczną, charakterystyczną dla dużych komputerów budowanych w latach 60-tych XX wieku.


Zgodnie z nazwą, centralnym elementem struktury jest pamięć, wyposażona w kilka portów, umożliwiających połączenie jej z kilkoma urządzeniami. Urządzeniami tymi są procesor (lub procesory) i tzw. kanały wejścia-wyjścia, czyli specjalizowane procesory transmitujące dane pomiędzy urządzeniami zewnętrznymi i pamięcią komputera.






Architektura szynowa (lata 1970)



Struktura szynowa, wprowadzona w tzw. minikomputerach w latach 70-tych XX wieku szybko stała się podstawową strukturą dla komputerów o różnych zastosowaniach i mocach obliczeniowych.


Podstawowym elementem komputera jest tu szyna, czyli zespół połączeń pomiędzy modułami. Komputer składa się z pewnej liczby modułów dołączonych do szyny – jednego lub kilku procesorów, bloków pamięci i sterowników wejścia-wyjścia. Pamięci i sterowniki urządzeń są widziane przez procesor w podobny sposób – jako lokacje w przestrzeni adresowej.



Architektura szynowa - charakterystyka



  • Wprowadzona na szeroką skalę w tzw. minikomputerach
    • np. seria PDP-8. PDP-11
  • Osnową struktury jest szyna - zespół przewodów połączonych gniazdami
  • Komputer ma postać kasety lub szafy z wymiennymi modułami szufladami
  • Moduły:
    • procesory
    • pamięci
    • sterowniki urządzeń wejścia-wyjścia


Architektura szynowa - własności





Architektura szynowa - problemy



  • Długość i struktura połączeń ogranicza szybkość transmisji
    • zjawiska falowe
    • rozproszone indukcyjności i pojemności
  • Dysproporcja wydajności procesora i pamięci jest dodatkowo powiększana przez wolną transmisję danych na szynie
  • Krytyczna jest szybkość dostępu procesora do pamięci
    • inne transmisje, np. do i z urządzeń wejścia-wyjścia, zachodzą stosunkowo rzadko i mogą być realizowane wolniej
  • Długość szyny wynika z konieczności dołączenia wielu urządzeń - sterowników wejścia - wyjścia


Struktura szynowa może być stosowane przy częstotliwościach transmisji nie przekraczających kilku..kilkunastu MHz. W miarę wzrostu wydajności procesorów trzeba było zrezygnować ze struktury szynowej w komputerach uniwersalnych. Do dzisiaj jest ona stosowana wewnątrz układów mikrokontrolerów.


Współczesne komputery, pomimo, że ich fizyczna budowa jest dużo bardziej złożona, od strony logicznej zachowują się tak, jak gdyby miały strukturę szynową.



Architektura dwuszynowa




Architektura dwuszynowa zawiera dwie szyny: szybką, łączącą procesor lub procesory z pamięcią oraz wolną, do której podłączone są sterowniki urządzeń zewnętrznych. Obie szyny łączy układ mostu.



  • Szybka, krótka szyna o dużej wydajności łączy procesor (lub procesory) z pamięcią (i ew. kieszenią)
  • Do dłuższej, wolniejszej szyny są dołączone sterowniki urządzeń wejścia wyjścia
  • Obie szyny są połączone układem tzw. mostu
  • Logicznie obie szyny są widziane przez procesor jak jedna szyna
    • różnią się głównie parametrami elektrycznymi i wydajnością
  • Architektura stosowana w komputerach PC w latach 1994..98
  • Problemy:
    • niektóre urządzenia zewnętrzne wymagają b. szybkiej transmisji


Architektura trójszynowa



W architekturze trójszynowej, stosowanej w komputerach PC w drugiej połowie lat 90-tych XX wieku, istnieją dwie szyny urządzeń zewnętrznych – szybka i wolna.


W strukturze tej występują dwa mosty, zwane od swego położenia na schemacie blokowym odpowiednio „północnym” i „południowym”.



Architektura trójszynowa




  • Trzy szyny:
    • procesora i pamięci
    • szybkich urządzeń zewnętrznych (PCI)
    • wolnych urządzeń zewnętrznych (ISA)
  • Dwa mosty
    • "północny" łączy szynę procesora z szyną szybkich urządzeń
    • "południowy" łączy szynę szybkich urządzeń z szyną wolnych urządzeń
  • Używana w komputerach PC 1999-2002
    • w praktyce most południowy zawierał sterowniki niektórych urządzeń
    • sterownik pamięci umieszczony w moście północnym
  • Problemy:
    • szybka szyna zbyt wolna dla podsystemu graficznego
    • wobec rosnącej integracji wolna szyna stała się zbędna


Architektury z połączeniami punkt-punkt



  • Szybkie łącze nie może być rozgałęzione
    • tylko połączenia punkt-punkt
    • w komputerach PC w roku 2004 pozostała tylko jedna szyna - PCI. pozostałe połączenia mają po dwa końce:
      • procesor - most północny
      • most północny - pamięć
      • most północny - sterownik graficzny
      • most północny - most południowy


Struktura komputera PC - rok 2004



W przedstawionej strukturze nie ma już szyny wolnych urządzeń wejścia-wyjścia, a część połączeń szynowych została zastąpiona połączeniami typu punkt-punkt, o dużo większej przepustowości.


Most północny zawiera sterownik pamięci. Układ nazywany „mostem południowym” nie pełni roli mostu pomiędzy szynami, lecz zawiera sterowniki większości niezbędnych w komputerze PC urządzeń zewnętrznych.



Ewolucja struktury komputera - 2005




  • Wzrost wydajności procesora zwiększa zapotrzebowanie na wymianę danych z pamięcią
    • dostęp do pamięci za pośrednictwem dodatkowych układów jest zbyt wolny
    • procesor powinien posiadać dedykowane łącze pamięci
  • W komputerach wieloprocesorowych szyna jest zbyt wolna do łączenia procesorów
    • potrzebne łącza międzyprocesorowe
  • Wszystkie połączenia realizowane jako punkt-punkt
  • szyny urządzeń zewnętrznych zastąpiona przez indywidualne łącza (np. PCI express) o różnych przepustowościach, w zależności od potrzeb


Struktura komputera PC - 2006



We współczesnych komputerach sterownik pamięci umieszczony jest w procesorze. Most północny jest wyposażony w indywidualne łącza dla sterowników urządzeń zewnętrznych, zrealizowane w standardzie PCI express. „Most południowy” jest zintegrowanym sterownikiem urządzeń zewnętrznych. Szyna PCI została zachowana w celu umożliwienia podłączenia starszych sterowników urządzeń. Jest ona przeznaczona do usunięcia.