Graa raunala Von Neumann ov funkcijski model raunala

Građa računala Von Neumann –ov funkcijski model računala

Što je računalo? • Elektronički uređaj koji može primati podatke i instrukcije, prema tim instrukcijama obrađivati podatke i prikazati dobivene rezultate (ili ih spremiti za kasniju upotrebu). • Računalo se sastoji od dvije usko vezane komponente: hardver (fizički dijelovi) i softver (programi). 2

Arhitektura računala Arhitektura (građa, struktura) računala koju je John von Neumann predožio 1945. u čuvenom radu ”First Draft of a Report on the EDVAC” naziva se von Neumannova arhitektura i praktično sva računala od tada do danas temelje se na toj arhitekturi. John von Neumann 1903. -1957. 3

Osnovne osobine računala von Neumannove arhitekture 1. Računalo se sastoji od slijedećih jedinica: ü ü 2. 3. Ulazne i izlazne jedinice Radne memorije Aritmetičko-logičke jedinice Upravljačke (kontrlolne) jedinice Građa računala ne ovisi o zadatku koji se njime rješava. Računalo je univerzalni stroj koji se programira (prilagođava postavljenom zadatku) upisivanjem odgovarajućeg programa u memoriju. Podaci i programi smješteni su u zajedničkoj memoriji. 4

CPU Upravljačka jedinica “čita” instrukcije iz memorije i na temelju njih upravlja preostalim dijelovima računala. Ona dekodira programske instrukcije i generira upravljačke signale kojima upravlja procesom obrade. Aritmetičko logička jedinica obavlja potrebne aritmetičke ili logičke operacije s podacima koje uzima iz memorije Registri su vrlo brze memorije malog kapaciteta čija je uloga da privremeno čuvaju strojne/mašinske instrukcije i podatke koji se obrađuju. 5

CPU Procesor (Up. jedinica) iz programa smještenog u memoriji dohvaća instrukcije koje se izvršavaju jedna za drugom (slijedno). Svaka instrukcija se sastoji od operacijskog koda i adresa i izvršava se u dvije faze: 1. Faza pripreme (dohvaćanja) i 2. Faza izvršavanja Instrukcije koje procesor može izvršavati mogu se podijeliti na: • Instrukcije za prijenos podataka, • Aritmetičke instrukcije, • Logičke instrukcije, • Ulazno-izlaze instrukcije i • Upravljačke instrukcije. 6

CPU Koje i koliko instrukcija raspoznaje CPU ovisi od konkretnog procesora. • RISC (Reduced Instruction Set Computing) - raspoznaju manji broj jednostavnih instrukcija, • CISC (Complex Instruction Set Computing) - prepoznaju veliki broj prilično složenih instrukcija Izvršavanje svake instrukcije mora biti rezultat usklađenog (sinkroniziranog) rada svih komponenti unutar procesora. Generator takta (clock) je zadužen za sinkronizaciju unutar procesora. Trenutak nailaska clock impulsa (signal takta) određuje kada započinje sljedeća faza stojne instrukcije. 7

CPU Procesor radi brže ako clock impulsi brže dolaze na upravljačku jedinicu. Broj clock impulsa u jedinici vremena označava frekvenciju clocka i izražava se u hertzima (Hz), odnosno u većim jedinicama – MHz, GHz. Frekvencija od 1 GHz označava milijardu clock impulsa/sekundi. 8

CPU Računalni program Program - niz naredbi (instrukcija) u memoriji računala koje su kodirane binarnim kodovima (brojevima) Naredbe se izvršavaju onim redom kojim su smještene u memoriji, osim ako neka naredba ne uzrokuje prijelaz (skok) na naredbu koja nije slijedeća na redu. Instrukcije moraju odgovarati strojnom jeziku računala na kojem se izvode – različita računala imaju različite strojne jezike! Instrukcije se sastojs od 2 dijela: • prvi dio kaže što treba napraviti (operacijski kod), • a drugi dio kaže s čime to treba napraviti (adresa operanda) 9

CPU Računalni program Ponavljaj Pročitaj instrukciju iz memorije Dekodiraj instrukciju Prebaci podatke (argumente instr. ) iz memorije u ALU Izvedi operaciju Pohrani dobiveni rezultat u memoriju Do kraja programa 10

CPU Bitna karakteristika procesora je broj bitova koje mogu istovremeno obraditi • 8 - bitni, • 16– bitni, • 32– bitni, • 64– bitni procesori. • Brzina procesora izražava se u sljedećim jedinicama: • MIPS (Million Instructions Per Second – milijun instrukcija u sekundi) - jedan od najstarijih i ujedno jedan od najvarljivijih načina mjerenja performansi procesora. • MFLOPS (Million Floating Point Operations Per Second – milijun operacija s realnim brojevima u sekundi) – mnogo pouzdanija mjera brzine procesora. 11

Memorija računala • Podaci i programi predstavljeni su na jedinstven način – u vidu binarnih kodova (kombinacije 0 i 1). • Memorija se dijeli na elementarne memorijske ćelije (bistabile) od kojih svaka može zapamtiti točno jednu binarnu znamenku – 0 ili 1, tj. jedan bit. • Bistabil je elektronički element s dva moguća stanja koji može memorirati jedan bit informacije. • Želimo li memorirati npr. 8 bitova, potrebno nam je 8 bistabila. Ako ih posložimo jedan do drugog dobit ćemo registar ili memorijsku lokaciju. • Broj bistabila u registru određuje duljinu registra. Duljine registara su obično jednake potencijama broja dva: 8, 16, 32 ili 64 -bitni registri. 12

Memorija računala • Broj bitova koje računalo odjednom obrađuje naziva se riječ (word). Riječ je skupina od • 16 bitova (2 byta), • 32 bita (4 byta) – dvostruka riječ (double word) ili • 64 bita (8 byta) – četverostruka riječ (quadruple word). • Broj bitova u riječi jednak je duljini registra određenog računala. Prema tome, riječ smo mogli definirati i kao broj bitova koje može pohraniti jedan registar. • Memorija računala može se zamisliti kao organizirani skup registara jednake duljine, tako da lako možemo adresirati svaki registar u memoriji. Svaki registar ima svoj broj, odnosno adresu. 13

Memorija računala • Jedine dvije operacije koje se mogu obavljati sa memorijom su • čitanje podataka iz memorije i • pis podataka u memoriju 14

Memorija računala • Memorije općenito dijelimo u dvije kategorije: • Interne memorije (glavne, unutarnje, centralne, radne) i • Eksterne memorije (vanjske, periferne, masovne) • Interne memorije mogu izravno komunicirati sa procesorom. • Brzina pristupa podacima u glavnoj memoriji je neuporedivo veća od brzine pristupa podacima smještenim na eksternim memorijama. • Glavna memorija se dijeli na • RAM (Random Access Memmory) i • ROM (Read Only Memory). 15

Memorija računala • RAM omogućava čitanje i zapisivanje podataka tijekom rada računala, koristi se za pohranu programa i podataka koje procesor trenutno obrađuje, odnosno izvršava. • RAM se može definiratii kao radno područje u kojem su spremljeni i u kojima se izvršavaju svi pokrenuti programi i u koje se slijevaju svi ulazni podaci, međurezultati i rezultati obrade. • Sadržaj RAM –a se tijekom obrade stalno izmjenjuje (novi zamjenjuje strai), a isključivanjem računala njegov sadržaj se nepovratno gubi. • Moderni RAM najčešće zapisuje podatke u obliku naboja unutar kondenzatora kod dinamičke memorije, ili stanja bistabila kod statičke memorije. 16

Memorija računala • ROM je momorija, u pravilu, ugrađena u čip na matičnoj ploči računala. • Za razliku od RAM –a , koji ubrajamo u privremene memorije, ROM se ubraja u trajne memorije. • ROM sadrži podatke neophodne za rad računala, koji su najčešće tvornički zapisani i ne mogu se kasnije brisati niti mijenjati. • Sadržaj ROM –a se može samo čitati. 17

Memorija računala • Priručna memorija (cache) - posebna vrsta memorije koju koristi procesor kako ne bi morao “čekati” dok se vrši prijenos podataka između njega i RAM –a. • Brzina ove memorije odgovara brzini procesora. • Kapacitet priručne memorije je relativno mali u odnosu na RAM. 18

Veličina memorije • Veličina memorije izražava se u bitima • Bit – memorija kapaciteta 1 b (b=bit) može pohraniti jednu binarnu znamenku (binary digit) • • Bajt (engl. byte) - 1 B = 8 b (B = bajt) 1 KB = 210 bajta = 1024 × 8 bita 1 MB = 220 B = 1024× 1024 B = 1, 048, 576 B 1 GB = 230 B = 1024× 1024 B = 1, 073, 741, 824 B • Kapacitet radne i vanjske memorije tipičnog osobnog računala: - 1990. godine: 4 MB RAM, 100 MB disk - 1995. godine: 16 MB RAM, 1 GB disk - 2000. godine: 128 MB RAM, 20 GB disk • - 2005. godine: 512 MB RAM, 80 GB disk • - 2010. godine: 2048 MB RAM, 500 GB disk 19

Ulazna jedinica Služi za unos podataka i programa u računalo. Primjeri: tipkovnica, miš, tvrdi i savitljivi diskovi, CD RW, DVD, skener, čitači bar koda, itd. Izlazna jedinica Služi da rezultate obrade podataka prikaže korisniku ili ih pohrani za kasniju upotrebu. Primjeri: monitor, pisač, tvrdi i savitljivi disk, CD RW, zvučnici. Neke jedinice služe kao ulazne i izlazne istovremeno, primjerice tvrdi i savitljivi diskovi, CD (jednom se piše, a puno puta čita), CD RW. 20

Pitanja i zadaci za ponavljanje gradiva 1. Skicirati i objasniti građu računala von Neumannove arhitekture. 2. Navedi 3 osnovne karakteristike računala von Neumannove arhitekture. 3. Što je CPU i što ga čini? 4. Objasni ulogu upravljačke jedinice. 5. Što je zadaća aritmetičko-logičke jedinice? 6. Što su registri? 7. Što čini instrukciju? 8. Za što je zadužen generator takta? 9. Što znači kada je neki procesor 64 –bitni? 10. Objasni kako je organizirana memorija računala? 11. Što je RAM, a što ROM? 12. Što određuje duljinu registra (memorijske lokacije)? 13. Što je bistabil? 14. Kakva je to priručna memorija (cache)? 15. Navedi jedinice koje su isključivo ulazne i one koje su isključivo izlazne. 21