UNIVERZITET PRIVREDNA AKADEMIJA
STUDIJSKI PROGRAM:
INFORMATIKA
SEMINARSKI RAD TEMA:
ARHITEKTURA RAČUNARA PREDMET:
ARHITEKTURA RAČUNARSKIH SISTEMA
Mentor:
Student:
Dragan Rastovac
Alen Šajfar IN 809/16
Novi Sad, septembar 2017. god. god.
SADRŽAJ
Uvod.......................................... ................................................................ ............................................ ............................................. .............................................. .............................. ....... 3 a rhitektura ................................. ................................................... .................. 4 Arhitektura računara uopšteno - fon Nojmanova arhitektura Arhitektura mikroprocesora ........................................... ................................................................. ............................................ ...................................... ................ 5 ................................................................. ............................................ ............................................. .......................6 Upravljačka jedinica ........................................... ................................................................... ............................................ .............................. ........7 Aritmetičko-logička jedinica ............................................. Registri ............................................. .................................................................... ............................................. ............................................ ......................................... ................... 8 Arhitektura magistrale ............................................ .................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 10 Memorijska jedinica......................... jedinica................................................ ............................................. ............................................ ........................................... .....................12 Memorijska arhitektura .......................................... ................................................................. ............................................. ....................................... ................. 12 Interna memorija ............................................. ................................................................... ............................................ ............................................. ......................... ..15 Stek memorije ............................................. ................................................................... ............................................ ............................................. ......................... .. 15 Bafer memorija ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. ......................... .. 15 Operativna memorija ......................................... ............................................................... ............................................. ........................................ ................. 15 Spoljne memorije ............................................ .................................................................. ............................................ ............................................. ......................... ..16 Ulazno/izlazne jedinice ........................................... ................................................................. ............................................ ........................................... ..................... 18 Ulazni uređaji ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. ................................ ......... 19 ................................................................. ............................................ ............................................. ................................ ......... 20 Izlazni uređaji........................................... Ulazno-izlazni uređaji ............................................ ................................................................... ............................................. ....................................... ................. 20 ................................................................. ............................................ ............................................ ........................................... ..................... 22 Zaključak ........................................... Literatura ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................ ........................................... ..................... 23
2
Uvod Dva osnovna pojma kojima ćemo se baviti u ovom radu su računar i arhitektura računara. Računar je kompleksni uređaj koji se koristi za izvršavanje matematičkih operacija ili kontrolnih operacija koje se mogu izraziti u numeričkom ili logičkom obliku. Sami računari su sastavljeni od delova
koji obavljaju jednostavnije, jasno određene poslove i funkcije.
Složena interakcija računarskih komponenti daje za rezultat sposobnost računara da obrađuje informacije. Računarski sistem je isto tako, uređaj koji se koristi za automatizaciju procesa prik upljanja,
čuvanja, obrade i prenosa informacija (podaci i naredbe) pod kontrolom
programa (niz
instrukcija i naredbi koju je razvio čovek – programer sa ciljem obavljanja
nekog posla) i od njih proizvodi izlazne informacije (rezultat).
Pod arhitekturom računara podrazumevamo opštu konfiguraciju računarskih komponenti, njihove karakteristike i uzajamne veze. Arhitektura računara se bavi problemima upotrebe i konstruisanja računara. Sa stanovišta arhitekture računara upotreba računara se svodi na njegovo programiranje, arhitekture naredbi.
a cilj pravljenja ili konstruisanja računara je implementacija njegove
Arhitektura računara predstavlja atribute računara vidljive programeru i
ona ujedno predstavlja logički ili apstraktni opis računara. Primer atributa arhitekture uključuju skup instrukcija, broj bitova koji se koriste da bi predstavili razne tipove podataka (brojevi, znakovi), U/I mehanizme i tehnike za adresiranje memorije. Danas se u praksi, a
posebno u klasi mikroračunara, arhitektura računara i organizacija računara približavaju i teško se vidi granica između ova dva pojma. Izučavanje arhitekture računara nam pomaže da razumemo na koji način računar funkcioniše . U ovom seminarskom radu a rhitekturu računara će biti objašnjena po njenim 1. Arhitektura procesora 2. Arhitektura magistrale 3. Memorijska arhitektura 4. Ulazno-izlazni uređaji
3
delovima:
Arhitektura računara uopšteno fon Nojmanova arhitektura Prototip svih računara opšte namene, razvijen 1952. godine, koji je podrazumevao unutrašnji memorisani program zove se fon Nojmanov računar (Von Neumann). Ovaj model računara je imao snažan uticaj na dalji razvoj računara tako da se i danas arhitektura računara opšte namene naziva „arhitektura fon Nojmanovih računara“ , a isto tako ova arhitektura računara je uticala na razvoj programskih jezika Fortran. Algol68 i drugih.
Slika 1: Struktura fon Nojmanovog računara
Na slici 1 prikazana je opšta struktura fon Nojmanovog računara. Ona se sastoji od: - glavne memorije
u kojoj su uskladišteni podaci i instrukcije (mašinske instrukcije).
Ova memorija prilikom rada ne zahteva intervenciju operatera. -
aritmetičke i logičke jedinice (ALU) koja je sposobna za rad sa binarnim podacima i
koja se sastoji od sklopova koji izvr šavaju
osnovne aritmetičke operacije. Unutar ove jedinice
se nalazi specijalni unutrašnji registar nazvan akumulator pomoću kojeg se izvode sve tipične aritmetičke ili logičke operacije. Pri izvršavanju te operacije (instrukcije) u akumulatoru se nalazi jedan
od operanda (podatak), a drugi u operativnoj memoriji. Posle izvršavanja
operacije u akumulator se smešta rezultat, a njegov prethodni sadržaj se briše. Dalje se ovaj podatak u akumulatoru koristi za sledeću mašinsku instrukciju ili se premešta u memor iju. -
upravljačke jedinice koja interpretira instrukcije u memoriji i prouzrokuje njihovo
izvršenje. Ova jedinica daje sve potrebne upravljačke signale za vremensko vođenje i 4
upravljanje ostalim jedinicama računara. Ona upravlja radom memorije, U/I jedini ce i aritmetičkom
i logičkom jedinicom. Program se izvršava tako što upravljačka jedinica
prihvata instrukcije u kodiranom obliku, dekodira ih, i u
skladu sa njihovim značenjem
generiše signale pomoću kojih aritmetička i logička jedinica, memorija i U/I je dinica izvode potrebne operacije. - ulazno i izlazne (U/I)
opreme kojom rukuje upravljačka jedinica. Ova oprema
omogućuje komunikaciju korisnika i računara. Osnovni koncepti fon Nojmanove arhitekture su sledeći: -
Mašinske instrukcije (program) i podaci se čuvaju u istoj memoriji
-
Podaci su predstavljeni u binarnom obliku
-
Mašinske instrukcije slede jedna za drugom u memoriji računara
-
Računar razmenjuje podatke između memorije i aritmetičko -logičke jedinice preko akumulatora
-
Mašinske instrukcije unutar mašinskog programa se izvršavaju jedna za drugom dok se redosled eksplicitno ne promeni naredbom za skok.
Princip rada fon Nojmanovog računara se koristi i danas sa promenama i poboljšanjima koja su se odrazila na performansu, pouzdanost, raspoloživost i prilagodljivost računara.
Arhitektura mikroprocesora Procesor (engl. Central Processing Unit, CPU) predstavlja „mozak“ računara. Njegova glavna uloga je da radi sa programima smeštenim u glavnoj memoriji preuzimajući njihove instrukcije, ispitu jući ih i izvršavajući ih jednu za drugom. Procesor izvršava operacije obrade
podataka definisane programom i vrši upravljanje računarskim procesima i interakcijama između pojedinih jedinica računara. Početkom 70-tih godina dolazi do realizacije celog procesora na jednom čipu u kojem je povezana aritmetičko-logička jedinica i upravljačka jedinica u formi procesora. Ovakav procesor se zove mikroprocesor , a računar koji ga koristi se zove mikroračunar. Arhitektura mikroprocesora pod
kojom se podrazumeva njegova logičk a struktura, a ne
hardverska organizacija, data je na slici 2: Osnovni delovi mikroprocesora su: 5
-
upravljačka (komandna) jedinica
-
aritmetičko-logička jedinica
-
registri – registri posebne namene i registri opšte namene
- podsistem za povezivanje sa drugim komponentama (interfejs)
Slika 2: Arhitektura mikroprocesora
Upravljačka jedinica
Upravljačka jedinica (UJ) zadužena je za preuzimanje instrukcija iz glavne memorije i utvrđivanje njihovog tipa. Ona upravlja i kontroliše pravilnost rada i procesora i ulazno/izlaznih jedinica. Upravljačka jedinica ima za zadatak da upravlja radom ulazno izlazne jedinice, da uvodi podatke iz operativne memorije, da kontroliše u upravlja prenos podataka iz aritmetičko-logičke jedinice u operativnu memoriju i obrnuto i da kontroliše izvršenje aritmetičkih operacija i donosi logičke zaključke i odluke. Sve ove funkcije upravljačka jedinica izvršava na osnovu instrukcija koje se nalaze u obliku mašinskog programa u operativnoj memoriji.
Upravljačka jedinica generiše upravljačke signale koji
određuju šta i kada pojedine jedinice u mikroračunarskom sistemu treba da obave. Postoje dva načina realizacije upravljačkih signala, jedna realizacija se naziva direktna ili hardverska (za svaku instrukciju postoji odgovarajuća logička mreža), a drugi način, koji se danas primenjuje je baziran na principima mikroprogramiranja gde se svakoj mikrooperaciji 6
pridružuje odgovarajuća upravljačka reč nazvana mikroinstrukcija. Za svak u operaciju koju treba da izvrši procesor inicira različiti mikroprogram koji odgovara datoj instrukciji. Upravljačka jedinica je sinhrona sekvencijalna mreža koja se opisuje skupom ulaznih i izlaznih signala, skupom stanja, funkcijom koja generiše sledeća stanja i funkcijom koja generiše izlazne signale . Aritmetičko-logička jedinica
ALU (aritmetičko-logička jedinica) obavlja aritmetičke operacije kao što su sabiranje, množenje, deljenje, itd, i logičke operacije kao što su logičko sabiranje, logičko množenje, pomeranje reči u registrima, itd. Aritmetičko-logičke jedinice se na osnovu izvršavanja operacija mogu podeliti na: - paralelne – operacija se izvršava nad celom reči u -
serijske – u
jednom taktu
toku jednog takta vrši se operacija nad jednim mestom operanada u
registrima - paralelno-serijske – operacija
se izvršava paralelno nad celom reči u toku jednog
takta, pa se u narednom taktu prelazi na sledeć u grupu slova, itd.
Aritmetičko logičke jedinice sa registrima mogu biti u neposrednoj vezi (direktna struktura) ili povezani magistralama, magistralna struktura koja se razvojem mikroprocesora
sve više koristi. U procesoru se nalazi
niz registara od kojih svaki ima svoju ulogu, ali zajedno čine malu
memoriju velike brzine za skladištenje privremenih rezultata i upravljačkih podataka. Svaki registar može da čuva jedan broj. Samo čitanje registara i upisivanje podataka u njih se odvija velikom brzinom pošto su to unutrašnje komponente procesora. O ovim registrima će biti više reči u daljem tekstu. Većina instrukcija se može podeliti u dve kategorije: registar -memorija ili registarregistar. Instrukcije registar-memorija
kopiraju reči iz memorije u registre ili vraćaju sadržaj
registra u memoriju. Instrukcije registar-registar
obično imaju ulogu da preuzme dva
operanda iz registara, dovodi ih na ulazne ALU registre, obavlja s njima neku operaciju, a
zatim rezultat vraća u izlazni registar . Proces provlačenja dva operanda kroz aritmetičko -logičku jedinicu i smeštanja rezultata zove se ciklus toka podataka i preds tavlja samu suštinu rada većine procesora.
Princip rada procesora može se opisati kroz potrebne korake koje treba uraditi da bi se neka instrukcija izvršila: 7
1.
Preuzmi iz memorije sledeću instrukciju i smesti je u registar instrukcija
2. Pomeri programski broja č (PC) tako da ukazuje na sledeću instrukciju u memoriji 3. Odredi tip preuzete instrukcije ()registar-memorija ili registar-registar) 4.
Ako instrukcija koristi reč iz memorije odredi gde se ona nalazi
5.
Ako je potrebno preuzmi reč u registar
6.
Izvrši instrukciju
7.
Idi na korak 1. da bi počeo izvršavanje naredne instrukcije
Ovaj niz koraka se zove „ preuzmi-dekodiraj-izvrši“
i što je kraće vreme za njegovo
izvršavanje to je računar brži. Registri
Prikaz najvažnijih registara procesora dat je na slici 3. Ovde možemo videti i upravljačke registre (registri posebne namene) i registre opšte
namene.
Registri su zapravo male memorijske ćelije za smeštanje bitova koji predstavljaju ili podatak ili mašinsku instrukciju.
Slika 3: Najvažniji registri procesora
Skup registara posebne namene sastoji se od registara koji su namenjeni obavljanju
specijalizovanih (posebnih) operacija i ne mogu se koristiti u druge svrhe.
Da bi najlakše shvatili ulogu registara potrebno je objasniti postupak na koji način se može pročitati podatak iz memorije ili na koji način se podatak može upisati u memoriju. Svaka memorijska lokacija u operativnoj memoriji ima svoju adresu koja predstavlja
memorijsku lokaciju. Da bi se sadržaj iz memorije učitao ili upisao u nju moramo znati 8
adresu memorijske lokacije koja se upisuje u poseban registar procesora koji se naziva adresni registar memorije (AR) . Na osnovu adrese u adresnom registru u momentu davanja
signala za čitanje iz memorije ili za upis u memoriju posebnim dekoderskim kolima nalazi se potrebna memorijska lokacija i nju se obavlja upis ili čitanje. Zatim, svaki podatak, koji treba upisati u memoriju (na lokaciju iz AR) se mora prvo smestiti u poseban registar procesora koji se naziva prihvatni registar memorije (PR). Isto tako svaki podatak koji smo učitali sa adrese iz registra AR se prvo smešta u PR, pre nego što
se smešta u bilo koji drugi registar u procesoru. Sadržaj adresnog registra se izbacuje na adresnu magistralu, a u prihvatni registar memorije podatak dolazi putem magistrale podataka. O ovim magistralama će kasnije biti
nešto više rečeno.
S druge strane, u toku obavljanja neke obrade i mašinski program koji njome upravlja se mora nalaziti u operativnoj memoriji. Mašinske instrukcije tog mašinskog programa smeštene su u memorijskim
lokacijama sa uzastopnim (sukcesivnim) adresama. Da bi upravljačka
jedinica procesora imala u svakom trenutku informaciju o adresi sledeće instrukcije koja će se izvršavati uvodi se poseban registar procesora pod nazivom brojač instrukcija (BI) ili programski brojač.
Isto tako da bi mašinska instrukcija mogla upravljati izvršenjem operacije, potrebno je da pri izvršenju bude smeštena negde u upravljačkoj jedinici procesora. Zato je uveden poseban registar procesora koji se naziva registar instrukcija (RI)
koji sadrži kopiju mašinske
instrukcije koja se u ovom trenutku izvršava. Može se primetiti, da ono što je adresni registar (AR) i prihvatni registar (PR) z a
podatke, to je brojač instruk cija (BI) i registar instrukcija
(RI) za programe, tj. mašinske inst rukcije. Sve aritmetičke i logičke operacije, ali i druge mašinske operacije se izvršavaju korišćenjem posebnog registra procesora koji se naziva akumulator (AK). Pri izvršavanju neke operacije u njemu se uvek nalazi jedan od operanada, i u njega se uvek s mešta rezultat
dobijen po izvršenju te operacije. Pri tome se stari sadržaj akumulatora briše. U procesoru postoje i
registri opšte namene (R 0…R n) koji pre svega služe
programerima da definišu njihovu namenu i zato se njihova namena razlikuje od programa d o programa. Koriste se za privremeno smeštanje često korišćenih podataka. Neki programi će u
ovim registrima čuvati međurezultate aritmetičkih operacija, neki će čuvati podatke, a neki adrese memorijskih lokacija.
Osnovni cilj uvođenja ovih registara je ubrzanje rada procesora
i mogu se posmatrati kao jedan deo brze memoriju u samom procesoru.
9
U grupu registara kojima programer ne može pristupiti spadaju registar instrukcija, brojači pomeraja sadržaja registara i drugi pomoćni registri koji se koriste u procesu izvršavanja instrukcije.
Arhitektura magistrale Karakteristike mikroprocesora u znatnoj meri utiču na karakteristike sistema. Jedna od najvažnijih karakteristika je komunikacioni kanal i njegova brzina. Veza mikroprocesora sa drugim uređajima obezbeđuje se komunikacionim kanalom kojeg još nazivamo i magistralom (bus).
U stvari magistrala predstavlja združeni interfejs kojeg karakteriše jedan te isti skup
linija veza koji povezuje procesor, operativnu memoriju i periferijske jedinice.
Na magistralu, u svakom trenutku, jedna od dve priključene jedinice je rukovodeća ili komandna jedinica, a druga je izvršna jedinica. Operativna memorija je jedina jedinica koja koja nikad ne može biti rukovodeća, već samo izvršna jedinica. Magistrala se proteže duž matične ploče i na svojim krajevima ima tzv. utičnice u koje se mogu umetnuti ulazno- izlazni
uređaji (kartice,…). Svaki ulazno-izlazni u sebi sadrži
kontroler (engl. controller) čiji je glavni posao da upravlja ovim uređajima i zahtevima za pristupanje koji mu stižu sa magistrale. Kontroleri sa jedne strane imaju signale koji su kompatibilni sa mikroprocesorom, a sa druge strane imaju signale koji su kompatibilni sa ulazno/izlaznim jedinicama. Ovi kontroleri, tj. periferne jedinice isto tako na magistrali mogu
biti i rukovodeće i izvršne jedinice. Tako, na primer, kada kontroler ulazno/izlaznog uređaja generiše signal prekida tad je ta jedinica rukovodeća, a procesor je izvršna jedinica jer u tom slučaju on prihvata i obrađuje signal. Izbor rukovodeće jedinice vrši se na osnovu poređenja prioriteta jedinica priključenih na magistralu. Linije veza u samoj magistrali se mogu podeliti u dve vrste: linije namenjene za predaju poruka i linije za odabiranje rukovodeće jedinice.
Za predaju poruka koriste se sledeće linije: -
Linije podataka (magistrala podataka)
-
Adresne linije (adresna magistrala)
-
Upravljačke linije (kontrolna magistrala)
U toku izvršavanja programa procesor se stalno "obraća" operativnoj memoriji, uzima iz nje naredbe
programa, podatke koje obrađuje i u operativnu memoriju smešta rezultate
obrade. Procesor i operativna memorija su povezani snopom provodnika koji se naziva
magistrala. Kroz računar se šalju tri vrste signala: podaci, adrese, i upravljački (kontrolni) 10
signali. Deo magistrale gde se prenose adrese bajtova ili ulazno/izlaznih uređaja se naziva adresna magistrala (address bus) . Ona je jednosmerna jer prenosi adrese od procesora ka
memoriji i
ostalim uređajima računara. Broj bita u adresi određuje broj mogućih adresa, a
broj mogućih adresa čini adresni prostor. Deo magistrale koji prenosi sadržaj adresiranih bajtova zove se magistrala podataka (data bus) . procesora k a
Pošto prenosi podatke ka procesoru i iz
ostalim uređa jima ona je dvosmerna. Broj bita koji se prenosi ovom kanalom
može biti 8, 16, 32 ili 64. Ovaj broj najčešće je određen dužinom procesorske reči. Na osnovu ove osobine procesori se dele 8-bitne, 16-bitne, 32-bitne i 64-bitne. Kontrolna magistrala prenosi u pravljačke
i kontrolne signale koji usklađuju rad svih komponenti računara. Ovi
signali se prenose od procesora ka uređajima i obrnuto. Periferne jedinice se na magistralu mogu povezati na više načina: -
Direktno povezivanje – primer
je priključenje dodatnog memorijskog modula kod
proširenja operativne memorije. Nedostatak je taj što se periferijska jedinica može priključiti samo na određeni tip magistrale. -
Preko paralelnog interfejsa opšte namene gde se na jedan interfejs može priključiti više periferijskih jedinica.
-
Preko asinhronog serijskog interfejsa gde se bitovi kodne reči prenose jedan za drugim. Ovaj način je dosta sporiji od paralelnog načina prenosa. Kod ovog prenosa , zbog neregularnih vremenskih intervala prenosa, sem bitova kodne reči potrebni su i START i STOP bitovi koji definišu kad kodna reč počinje i kad se završava. Primer je unos i slanje podataka sa tastature.
-
Preko sinhronog serijskog interfejsa
– ovaj prenos se uvodi da bi se otklonili
nedostaci asinhronog prenosa (start i stop bitovi koji usporavaju prenos). Kod
sinhronog interfejsa prenos se vrši u blokovima. Sinhronizacija se vrši putem posebne linije, a na veći rastojanjima se koristi modem (modulator -demodulator) koji u sebi nosi zajedno sa podacima nosi i taktne impulse koje prijemni
modem regeneriše i
šalje u interfejs prijemne jedinice. -
Preko interfejsa za posebne namene – Ovo je poseban interfejs koji se razvija za
određene specijalne periferijske jedinice da bi se na najbolji način mogle iskoristiti karakteristike te periferijske jedinice (merni instrumenti i sl.).
11
Memorijska jedinica Memorija ili memorijska jedinica namenjena je za prihvatanje, čuvanje i predaju podataka i programa. Memorija najvažnija komponenta svakog računara. Bez nje računari ne bi izgledali onako kako danas izgledaju.
Memorijska arhitektura
Za memoriju veličine jednog bita potrebno nam je elektronsko kolo koje može nekako da zapamti prethodne ulazne vrednosti. Kola koja služe za memorisanje stanja ili bita se nazivaju bistabilna kola ili kola sa dva moguća s tanja. To su zapravo sekvencijalna kola koja mogu da budu u dva stabilna stanja, 0 ili 1. Stabilno stanje (memorisani bit) se
može održavati proizvoljno dugo, a može se
delovanjem ulaznih signala promeniti (unos novog sadržaja). Bistabil ima bar jednu izla znu liniju na kojoj se dobija njegovo stanje (memorisani bit). Kod ovih kola se koristi povratna sprega koja
omogućava pamćenje stanja u
sekvencijalnim mrežama. Povratna sprega predstavlja povratni put signala od izlaza ka ulazima. Ovo je ujedno i kriterijum za razlikovanje kombinacione od sekvencijalne logike:
graf koji predstavlja kombinacionu mrežu je obavezno acikličan, što znači da u okviru mreže ne postoje zatvoreni ciklusi (putanje signala koje se posle prolaska kroz izvestan broj čvorova grafa, tj.
logičkih kola vraćaju u istu tačku). Korišćenjem povratnih sprega, moguće je
realizovati osnovne memorijske elemente koji u sebi čuvaju 1 bit digitalne informacije. Postoje dva osnovna tipa bistabilnih kola:
Lečevi (engl. Latch) − transparentna kola, kod kojih je moguće menjati stanje u proizvoljnom vremenskom trenutku.
Flip-flopovi
− sinhrona kola, kod kojih je moguće menjati stanje samo u
trenucima kada to dozvoljava stanje na
tzv. taktnom ulazu; upis se vrš i na
odgovarajuću promenu nivoa takt signala. Sinhronizacija se postiže korišćenjem taktnog signala (Clock). Uloga takta je sinhronizacija promena stanja flip-flopova.
Kod ivičnih flip-flopova, promena stanja se vrši u trenutku
odgovarajuće promene na taktnom ulazu, što se naziva aktivnom ivicom takta. Ivični flip flopovi menjaju stanje ili na rastuću (uzlaznu) ivicu, odnosno promenu takta sa 0 na 1, ili na opadajuću (silaznu) ivicu, odnosno promenu takta sa 1 na 0.
12
Slika 4: Takt signal
Stanja mreže se posmatraju tokom pojedinačnih perioda takta koje se obeležavaju celim brojevima (T0, T1, …, Tn). Početak svake periode određen je trenutkom pojave aktivne ivice takta.
Zbog toga, uobičajeno je da se stanje izlaza memorijskog elementa Q tokom trenutno
aktuelne periode takta obeležava sa Qn, stanje tokom prethodne periode je Qn − 1, a naredno stanje Qn + 1, itd. Na slici br.4 prikazan je taktni signal, sa obeleženim karakterističnim vremenskim trenucima. Osnovno i po strukturi najjednostavnije bistabilno kolo naziva se SR-leč. Ovo kolo je sastavljeno od dva
dvoulazna NILI kola sa ukrštenom povratnom spregom, kao što je
prikazano na slici br.5. Izlazi kola su obeleženi sa Q i Q što znači da se očekuje da njihova stanja uvek budu komplementarna.
Slika 5: SR-leč
Dovođenjem 1 na S ulaz i nule na R ulaz, izlaz Q se postavlja na logičku jedinicu, uz istovremeno postavljanje Q na 0.
U ovom slučaju smatra se da je izvršeno postavljanje celog
kola u stanje logičke jedinice (engl. Set). Ukoliko se nakon toga ulaz S postavi na logičku nulu, stanje kola će ostati nepromenjeno zahvaljujući dejstvu povratne sprege, kao što je prikazano na slici 5b. 13
Slika 5c prikazuje postavljanje kola na logičku nulu (engl. Reset). Nakon toga, promena stanja R ulaza na nulu neće dovesti do promene na izlazima, ponovo usled delovanja povratne sprege (slika 5d).
Vidimo da kada su ulazni signali u stanju S = R = 0, kolo memoriše prethodno stanje. Problem od ovih kola je kada na ulazu imamo obe jedinice, tj. S = R = 1. Tada na izlazu
imamo obe logičke nule, tj. izlazi Q i Q nisu više kom plementarni, a ako se posle ovoga jedan od ulaza promeni na nulu, stanje na izlazima postaje nestabilno, ne zna se da li će biti jedinica ili nula. Zbog ovog problema stanje na ulazima gde je S = R = 1 je zabranjeno, što znači da se pri projektovanju logike mora voditi računa da se ova kombinacija nikad ne pojavi na ulazima ovog kola. Za razliku od SR- leča koji svoje stanje menjaju u odnosu na nivo impulsa flip-flop kola reaguju na ivicu impulsa, tj. stanje se ne menja u trenutku kad radni takt ima vrednost
1, već
tokom prelaska iz nule u jedinicu (uzlazna ivica signala) ili iz jedinice u nulu (silazna ivica
signala). U ovom slučaju trajanje impulsa radnog takta postaje nevažno sve dok se prelazak odvija brzo. Flip-flopovi su bistabilna kola koja imaju mogućnost promene stanja isključivo u trenucima pojave aktivne ivice takta (okidanje), u skladu sa stanjima na ulazima kola. Ova
osobina ih čini sinhronim bistabilnim kolima. Po logici rada najjednostavniji je D flip-flop
i on se najčešće koristi u digitalnoj
elektronici za stacionarne registre i memorijske module. Kod njega pored ulaza za takt postoji
još jedan ulaz (D). Vrednost koja je postavljena na D ulaz se u trenutku okidanja upisuje u flip-flop i određuje njegovo stanje tokom predstojeće periode takta. Na šematskom prikazu D flip-flopa prikazanom na slici br.6a, ulaz za takt je predstavljen trouglom. Funkcionalna tabela D flip-flopa je prikazana na slici br.6b, a eksitaciona na slici br.6c.
Slika 6: D flip-flop
14
Interna memorija
Procesor
Ultrabrza memorija
Operativna memorija
Bafer
Sa aspekta mogućnosti izmene sadržaja memorijske lokacije moguće je memorije podeliti kao: -
promenljive memorije kod kojih nema ograničenja u pogledu izmene sadržaja lokacija
- polupromenljive memorije (PROM – Programmable Read Only Memory) kod kojih
se sadržaj ne može menjati standardnim postupkom, već samo u posebnim postupcima u laboratoriji -
stalne memorije (ROM – Read
Only Memory) kod kojih se sadržaj formira u toku
procesa proizvodnje i ni pod kojim uslovima se ne može menjati.
Stek memorije
Stek memorija je memorija sačinjena od skupa registara putem kojih ostvaruje pristup memoriji. U ovom steku registara postoji glavni registar nazvan glava steka koji jedini ostvaruje pristup memoriji. Preko njega se v rši
i upis sadržaja i čitanje sadržaja po metodi
LIFO (Last In First Out), a za razliku od njih, kod FIFO (First In First Out) memorije sadržaj se uvek upise u prvi slobodan registar, a čitanje se vrši uvek iz glavnog registra.
Bafer memorija Bafer
memorija se pre svega koristi za prilagođavanje brzine rada operativne memorije i
spoljnih memorija. Ovde se informacije čuvaju samo privremeno dok ih sporija jedinica ne iskoristi. Ona je često sastavni deo operativne memorije. Operativna memorija Operativna memorija je namenjena za čuvanje podataka i programa koji
su u neposrednoj
upotrebi, pa je s tim u vezi ova memorija direktno u sprezi sa procesorom. Ova memorija
spada u memorije sa slučajnim pristupom (Random Access Memory). 15
Postoje dve vrste
operativne memorije: statička i dinamička. Statička RAM memorija
(SRAM) se konstruiše pomoću kola sličnih D flip -flopovima. Ova vrsta memorija čuva svoj sadržaj sve dok postoji napajanje. Statičke RAM memorije su vrlo brze, vreme pristupanja ovim memorijama iznosi nekoliko nanosekundi i zbog toga je ova vrsta memorije popularna
kao keš memorija drugog nivoa. Za izradu dinamičke RAM memorije (DRAM) ne koriste se flip -flopovi. Ova memorija se sastoji od niza ćelija od kojih svaka sadrži jedan tranzistor i jed an kondenzator. Kondenzator se može puniti i prazniti, čime se omogućava čuvanje logičkih jedinica i nula. Dinamička RAM memorija se složenije realizuje od statičke zbog potrebe za stalnim osvežavanje električnog naboja kako se kondenzator ne bi ispraznio, što bi dovelo do gubljenja podataka. Ipak glavnu memoriju skoro uvek čini dinamička RAM memorija zbog svoje vrlo visoke gustine (bitovi po čipu). Ipak DRAM je dosta sporija memorija od statičke, pa je kombinacija statičke RAM memorije za keš memoriju i dinamičke memorije za glavnu, optimalno rešenje jer se iskorišćavaju dobre karakteristike obe memorije. U operativnoj memoriji se zapisuju i čuvaju operativni sistemi, drugi programi i mnogo podataka. U ovoj memoriji obično ima pet različitih područja: -
Područje u kojem se nalazi operativni sistem
-
Područje u kome su smeštene ins trukcije programa koji se izvršavaju
-
Ulazno područje, koje prihvata i memoriše podatke učitane sa spoljnih memorija
-
Izlazno područje, koje prihvata i memoriše rezultate obrade koje treb a upisivati u spoljne memorije ili ih prenositi do izlaznih uređaja sistema, tu se nalaze međurezultati ili konačni rezultati obrade . Spoljne memorije
Spoljna memorija je tip memorije gde procesor nema neposredan pristup, a bilo koji program dok se nalazi
u spoljnoj memoriji se ne može izvršavati ili obrađivati. Za razliku od
operativnih memorija kod spoljnih memorija podaci i programi se čuvaju u "neradnom stanju", te da bi se mogli izvršavati moraju se preneti u operativnu memoriju. Spoljne memorije su elektro
nezavisne, jer se informacije koje se nalaze u njoj neće izgubiti
prestankom napajanja računara električnom energijom. Za razliku od operativne memorije, spoljne memorije su znatno većeg kapaciteta. Najčešće spoljne memorije su: 16
1. Flopy disc -
uređaj koji služi za pohranjivanje podataka, predstavlja prenosivi medij i
skoro da više nije u upotrebi zbog izuzetno malog kapaciteta ali i pojavljivanja modernijih prenosivih medija. 2. Hard disk -
tvrdi disk, uređaj koji piše, čita, briše i trajno pamti podatke, postoji od
1950-tih i svaki računar ima bar jedan hard – disk.
Hard disk se sastoji od nekoliko okruglih ploča presvučenih posebnim materijalom dobrih magnetnih svojstava koje rotiraju velikom brzinom i nekoliko glava koje se
nalaze tik iznad ploča. Te glave imaju za zadatak da čitaju podatke očitavajući magnetni zapis sa rotirajućih ploča, a pišu kreirajući magnetno polje posebnih svojstava koje menja zapis na pločama. Površina magnetnih ploča izdeljena je na sektore, trake i cilindre. Podaci se prvo zapisuju po trakama u istom cilindru, a kako se sve glave diska nalaze na istoj mehaničkoj ruci, kada se prva glava nađe na željenoj
traci, sve ostale su istog trenutka pozicionirane na trakama koje sadrže podatke koji slede. Mehanika hard diska je dosta sporija u odnosu na njegovu elektroniku, pa zato hard
diskovi najčešće koriste keš memoriju koja se trudi da u sebi unapred ima određene podatke koji će se koristiti u sledećem zahtevu. Kapacitet ovih diskova se danas kreće od nekoliko stotina gigabajta do nekoliko terabajta. 3. CD -
Compact disk, koristi optički zapis za snimanje podataka, prenosivi je medij na
koji se podaci mogu samo upisivati mada postoji i CD- RW
verzija koja omogućuje
prepisivanje, odnosno daje mogućnost brisanja sačuvanih podataka. Kao i kod običnog diska komunikacija procesora i CD -a se odvija preko drajvera. Kapacitet ovih diskova iznosi 650 megabajta. 4. DVD - koristi tehniku optičkog zapisa podataka, ima znatno veći kapacitet od CD – a i
može da primi i do 17 gigabajta na dvostranom disku sa ukupno 4 nivoa. 5. Blu-Ray disc - naslednik DVD- a sa hard-diskom.
sa znatno većim kapacitetom koji se može porediti
Kapacitet ovih diskova se kreće od 25GB po sloju ili 50GB kod onih
diskova sa dva sloja. 6.
Fleš memorija - Flеš mеmоriја prеdstаvlја еlеktrоnski nе -nеstаbilnii rаčunаrski mеdiјum zа sklаdištеnjе, kојi sе mоžе еlеktričnо izbrisаti i rеprоgrаmirаti. Flеš mеmоriја funkciоnišе tаkо štо su dvа trаnzistоrа mеđusоbnо оdvојеnа tаnkim slојеm оksidа. 17
Pоstоје dvе glаvnе vrstе flеš mеmоri је, k оја su imеnоvаni pо NА ND i N ОR lоgičkim k оlimа.
Тip NАND sе prvеnstvеnо kоristi zа mеmоriјskе kаrticе, USB flеš diskоvе,
pоluprоvоdničkе (SSD) diskоvе (оnе prоizvеdеnе u 2009. ili kаsniје) i sličnе prоizvоdе, zа оpštе sklаdištеnjе i prеnоs pоdаtаkа. NАND ili NОR flеš mеmоriја sе tаkоđе čеstо kоristе zа sklаdištеnjе pоdаtаkа о kоnfigurаciјi u brојnim digitаlnim prоizvоdimа, zаdаtаk kојi је prеthоdnо оmоgućаvао ЕЕPRОМ ili stаtički RАМ sа bаtеriјаmа. еdаn znаčајаn nеdоstаtаk flеš mеmоriје је kоnаčаn brој čitаnjа / pisаnjа ciklusа u оdrеđеnоm blоku. Flеš mеmоriја nudi brzi pristup čitаnju, јеdnаkо brz kао i kоd dinаmičkоg RАМ -а, mаdа nе tаkо brz kао stаtički RАМ ili RОМ. Nоviјi flеš drајvоvi (оd 2012) imајu mnоgо vеćе kаpаcitеtе оd 64, 128, i 256 GB.
Ulazno/izlazne jedinice Kao što smo pomenuli u prethodnom tekstu, računarski sistem se sastoji od tri glavne komponente: procesora. memorije i ulazno/izlaznih (U/I) uređaja kao sto štampači, skeneri i modemi. Svaki ulazno-izlazni
uređaj sastoji se od dva dela: jedan sadrži gotovo svu elektroniku i
zove se kontroler (engl. controler). a drugi je sam ulazno- izlazni uređaj, npr. disk. Kontroler se sa svojim ulazno-izlaznim
uređajem povezuje kablom koji se umeće u odgovarajući
priključak na pozadini kućišta. Posao kontrolera je da upravlja ulazno-izlaznim ure đajem i zahtevima za pristupanje koji mu
stižu sa magistrale. Za kontrolere koji u memoriju upisuju podatke ili ih iz nje čitaju bez pomoći procesora kažemo da imaju direktan pristup memoriji (engl. Direct Memory Access) iliti DMA. Kada se prenos podataka završi kontroler generiše sistemski prekid (engl. interrupt ) koji je znak procesoru da treba da prekine ono što je do sada radio i da započne obradu sistemskog prekida (engl. interrupt handler), što podrazumeva proveru greške ili neku drugu aktivnost od strane procesora
kao što je obaveštenje operativnom sistemu da je ulazno -izlazni uređaj
završio posao. Odmah po završetku obrade sistemskog prekida procesor se vraća poslu kojeg je do tog trenutka obavljao. 18
Danas postoje brojne vrste ulazno- izlaznih
uređaja. U nastavku ćemo ukratko pomenuti
one najvažnije i one koje se najčešće koriste .
Ulazni uređaji Tastatura
je ulazni uređaj pomoću kojeg upravljamo računarom te unosimo tekst i
znakove. Iako današnje tastature sadrže 104 tipke, one mogu izvesti mnogo više znakova i funkcija kombiniranjem postojećih da bi se dobio neki znak ili ostvarila neka naredba. Pri pritiskanju
tastera generiše se sistemski prekid i pokreće se procedura za njegovu obradu
(kratak program koji jc deo operativnog sistema). procedura za obradu sistemskog prekida
očitava hardverski registar unutar kontrolera tastature i iz njega uzima broj prit isnutog tastera. Kada se taster otpusti generiše se drugi sistemski prekid, itd.
Miš je nezaobilazni uređaj računara sa instaliranim grafički orijentisanim operativnim sistemima. Služi za pokazivanje i izbor objekata na ekranu. Kretanjem miša po ravnoj površini
menjaju se koordinate pokazivača miša na ekranu monitora, a pritiskom na testere
koji se nalaze na njemu aktivira se određena funkcija. Iako postoje različiti načini, uobičajeno je da miš računaru šalje niz od 3 bajta kad god se pomeri za neko minima lno rastojanje. Ove informacije se obično šalju serijski, bit po bit. Prvi bajt je označen ceo broj (engl. signed integer) koji računaru saopštava koliko se jedinica miš pomerio u pravcu x od poslednjeg puta. Drugi bajt saopštava sličnu informaciju za pravac y. Treći bajt sadrži trenutno stanje tastera. Ponekad se za svaku koordinatu koriste i 2 bajta. prihvata ove infor macije
Računarski softver niskog nivoa
i relativno kretanje miš a pretvara u njegovu apsolutnu poziciju na
ekranu. On zatim na tom mestu ekrana prikazuje strelicu. Kada se strelica nalazi iznad
odgovarajuće stavke na ekranu i korisnik pritisne taster miša, računar mož e da zaključi sta je to korisnik izabrao na osnovu poznavanja pozicije strelice. Skener je uređaj
koji analizira neku fizičku sliku kao što je fotografija, tekst, rukopis, ili
neki predmet te ga potom pretvara u digitalnu sliku. Digitalni fotoaparati i kamere
služe za snimanje digitalnih slika visokog nivoa kvaliteta
i visoke rezolucije. Ovi uređaji danas predstavljaju umanjene mini računare sa s opstvenim procesorom, memorijom i spoljnom memorijom i u stanju su da velikom brzinom izvršavaju kompleksne zadatke prihvatanje, obrade i memorisanja fotografije ili videa. Mikrofoni
imaju višestruku primjenu počevši od telefona, kasetnih snimača, radio i
televizi jskih studija, u računarima za VoIP programe i tako dalje. 19
Izlazni uređaji Monitor je
izlazni uređaj koji prikazuje tekst, brojčani podatak, sliku, grafike. To je
uređaj bez kojeg bi računar bio neupotrebljiv. Za prikazivanje grafike neophodna je grafička kartica koja monitoru šalje signale koje ovaj pretvara u sliku. Na osnovu primenjene tehnologije razlikujemo sledeće vrste monitora:
Monitori sa katodnim cevima - (engl. CRT - Catode Ray Tube) - prva poznata
tehnologija, poznata još od crno belih televizora, ali pomalo nepraktična jer daje izobličene slike koje stvara zaobljena cev.
Tanki monitori:
LCD monitori ispunjeni tečnim kristalom (engl. LCD - Liquid Cristal Display). Svetlost se apsorbuje, zatim se na različitim delovima više ili manje reflektuje (iz različitih uglova se različito vidi)
Plazma monitori (slika se formira od minijaturnih sijalica ispunjenih gasnom
plazmom, poređane su u mrežu između dve staklene ploče)
LED
monitori (slika se formira od LED dioda poređanih u obliku mreže na
ekranu)
Štampač je uređaj pomoću koga se binarno kodirana informacija iz računara prenosi na papir. Sa digitalnim foto-aparatima ispisivanje
pojavili su se štampači koji ne koriste računar za
slika, već je moguće odštampati sliku direktno iz memorije foto -aparata.
Razlikujemo laserske, mlazne (engl. InkJet), matrične i štampače sa direktnim zagrevanjem.
Zvučnik је еlеktrоmаgnеtskа, еlеktrоstаtičkа ili piеzоеlеktričnа nаprаvа kоја prеtvаrа еlеktričnе signаlе u zvučnе tаlаsе, suprоtnо оd mikrоfоnа. Nајčеšćе је еlеktrоmаgnеtskоg (dinаmičkоg) tipа. Ulazno-izlazni uređaji Modem
je uređaj koji omogućava komunikaciju dva računara koja nisu direktno
povezana kanalom koji prenosi digitalni signal. DEModulator
Modem je nastao od reči MODulator i
koji vrše pretvaranje digitalnog signala u analogni i obrnuto kako bi dva
uređaja mogli da komuniciraju.
20
Zvučna kartica obezbeđuje primenu multimedije na računaru. Podaci se mogu unositi preko tastature,
klavijature muzičkih instrumenata ili mikrofona, a reprodukcija zvuka se
dobija kada se na izlaz kartice povežu zvučnici.
Mrežna kartica
služi za povezivanje računara u mrežu računara radi razmene
informacija i podataka. Kroz nju se podaci i primaju i šal ju.
21
Zaključak U ovom seminarskom radu uopšteno je prikazana arhitektura računara sa njenim glavnim komponentama koje karakterišu jedan računarski sistem. Objašnjeno je na koji na računar obavlja svoju funkciju kroz opis rada njegovih glavnih delova: procesora, memorije, magistrale i ulazno-izlaznih uređaja.
Arhitektura računara je jedan od prvih koraka izgradnje računarskog sistema jer se na osnovu nje dalje radi na organizaciji i izgradnji sistema koji radi na principu definisanom samom arhitekurom.
Glavni ciljevi arhitekture računara pri konstrukciji su veličina uređaja, mogućnost nadogradnje, brzina obrade podataka, korišćenje raznovrsnih periferija itd,… Danas sa razvojem tehnologije razvijaju se i različite arhitektura računara, uvode se nove konstrukcione ideje kako bi se stvorili sve pametniji, brži i praktičniji rtačunarski sistemi.
Možemo zaključiti da će se i budućnosti, arhitektura računara bazirati na ovim osnovnim elementima koji su opisani u ovom radu.
22
Literatura 1.
Stallings, W. (2003) Organizacija i arhitektura računara – projekat u funkciji performansi, prevod devetog izdanja Beograd: Računarski fakultet
2.
Tanenbaum, S. Andrew (2007) Arhitektura i organizacija računara, prevod petog izdanja Beograd: Mikro knjiga
3.
Marčićević, Ž Arhitektura računarskog sistema Novi Sad: Fakultet za ekonomiju i inženjerski menadžment u Novom Sadu
Internet izvori: https://en.wikipedia.org/wiki/Flip-flop_(electronics) (17.08.2017.) https://www.automatika.rs (15.08.2017.) https://en.wikipedia.org/wiki/Hard_disk_drive (15.08.2017.) http://www.etf.unssa.rs.ba/~slubura/Impulsna_i_digitalna_elektronika/DIGITALNA%20ELE KTRONIKA/ (12.08.2017.) https://www.safaribooksonline.com/library/view/designing-embeddedhardware/0596007558/ch01.html (12.08.2017.)
23
