Υπολογιστικά Συστήματα - Αρχιτεκτονική

Οι βασικές αρχές της αρχιτεκτονικής του Η/Υ έχουν τεθεί ήδη από πολύ νωρίς (von Neumann δεκαετία 1940). Σύμφωνα με τις αρχές αυτές ένα υπολογιστικό σύστημα αποτελείται από τα παρακάτω στοιχεία:

Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ).

Είναι η καρδιά ενός υπολογιστικού συστήματος. Εδώ συμβαίνουν οι περισσότερες πράξεις και υπολογισμοί. Συγκεκριμένα:

• Μονάδα Ελέγχου (ΜΕ)

  Η μονάδα ελέγχου (Control Unit) είναι ένας από τους βασικούς μηχανισμούς μιας Κεντρικής Μονάδας Επεξεργασίας. Η κύρια λειτουργία του είναι η διαχείριση και ο συγχρονισμός των διαφόρων στοιχείων της CPU. Με άλλα λόγια είναι το “μυαλό” της CPU που ελέγχει τη ροής εκτέλεσης των εντολών.

  Η μονάδα ελέγχου:

  • διαβάζει τις εντολές από τη μνήμη
  • αναλύει το περιεχόμενο τους,
  • οργανώνει την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ της CPU και των εξωτερικών συσκευών
  • διαχειρίζεται την εκτέλεση των εντολών από τις άλλες συνιστώσες της CPU.
• Αριθμητική και λογική μονάδα (Arithmetic Logical Unit ALU).Αν η μονάδα ελέγχου είναι το “μυαλό” της KME η αριθμητική και λογική μονάδα είναι η “καρδιά”. Είναι ένα ψηφιακό κύκλωμα το οποίο εκτελεί αριθμητικούς και λογικούς υπολογισμούς.
  • Η αριθμητική μονάδα εκτελεί τις αριθμητικές πράξεις που απαιτούνται από το λειτουργικό σύστημα και τις εφαρμογές του.
  • Η λογική μονάδα χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση των συνθηκών και των λογικών εκφράσεων. Αυτό σημαίνει ότι η λογική μονάδα υπολογίζει τις συνθήκες σε μια εντολή if, ή τον έλεγχο των βρόγχων (loops), και την επιλογή μιας συγκεκριμένης εντολής βάσει μιας συνθήκης.
  Γενικά η ALU συνεργάζεται με όλα τα επιμέρους στοιχεία μια ΚΜΕ προκειμένου να αντλήσει δεδομένα και να μεταφέρει προς τις μνήμες τα αποτελέσματα.

Σύστημα μνήμης

• Κύρια μνήμη. (Dynamic RAM – DRAM)H μνήμη DRAM είναι η πιο συνηθισμένη τεχνολογία για χρήση ως κεντρική μνήμη του υπολογιστή. Η λειτουργία της βασίζεται στην χρήση πυκνωτών οι οποίοι φορτίζουν και εκφορτίζουν προκειμένου να αποθηκεύσουν την τιμή ενός bit (1 ή 0). Ένα τρανζίστορ λειτουργεί ως διακόπτης προκειμένου να προσθαφαιρεί το συγκεκριμένο bit από το σύνολο της πληροφορίας. Η μνήμη DRAM λόγω του φαινομένου της σταδιακής εκφόρτισης των πυκνωτών πρέπει να ανανεώνονται πολύ συχνά .Πλεονέκτημα της μνήμης DRAM είναι η χαμηλή τιμή της και η δυνατότητα να κατασκευαστούν σε μεγάλα μεγέθη.
• Κρυφή μνήμη
  Οι μνήμες DRAM έχουν το μειονέκτημα της χαμηλής ταχύτητας. Γενικά μια μνήμη DRAM μπορεί να είναι 10 έως 100 φορές πιο αργές από μία ΚΜΕ. Προκειμένου να ξεπεράσουν το πρόβλημα αυτό οι μηχανικοί Η/Υ χρησιμοποιούν μια μνήμη (SRAM) η οποία ενσωματώνεται στον επεξεργαστή. Η μνήμη αυτή είναι μικρή σε μέγεθος (συνήθως μερικά Mbytes) αλλά ταυτόχρονα η ταχύτητα της είναι ίδια με αυτή του επεξεργαστή αλλά επίσης πολύ ακριβή για να χρησιμοποιηθεί ως κεντρική μνήμη. Η μνήμη αυτή
• ονομάζεται κρυφή μνήμη ή cache. Η κρυφή μνήμη περιέχει τις εντολές και τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται συχνότερα ή χρησιμοποιήθηκαν πρόσφατα από την ΚΜΕ. Όταν ζητείται ένα δεδομένο η ΚΜΕ το αναζητεί πρώτα στην κρυφή μνήμη όπου και επιστρέφεται άμεσα. Αν δεν υπάρχει τότε θα ανατρέξει στην πιο αργή DRAM.

Συσκευές Εισόδου Εξόδου (Ε/Ε)

Συσκευές Εισόδου Εξόδου σε ένα υπολογιστικό σύστημα είναι όλες αυτές που στέλνουν ή δέχονται δεδομένα από την ΚΜΕ. Τέτοιες συσκευές είναι:

• Μονάδες Αποθήκευσης
• Οθόνη
• Πληκτρολόγιο / Ποντίκι
• Ο προσαρμογέας δικτύου και άλλοι προσαρμογείς

Οι συσκευές Ε/Ε συνδέονται σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα που υλοποιεί όλες τις διαδικασίες μεταφοράς των δεδομένων και ονομάζεται Southbridge.

Αρτηρίες διασύνδεσης

Οι αρτηρίες διασύνδεσης μεταφέρουν τα δεδομένα από και προς την ΚΜΕ.

Δύο είναι οι κύριες αρτηρίες ή δίαυλοι επικοινωνίας. Ο δίαυλος Επικοινωνίας εισόδου/εξόδου και υλοποιείται με το ολοκληρωμένο Southbridge που όπως αναφέρθηκε παραπάνω συνδέει τις μονάδες Ε/Ε με τον επεξεργαστή.

O Front Side Bus (FSB) συνδέει το Northbridge ολοκληρωμένο με την ΚΜΕ και είναι πολύ γρηγορότερος στην ταχύτητα επικοινωνίας αναλαμβάνει την μεταφορά των δεδομένων από την κεντρική μνήμη RAM, των PCI express συσκευών καθώς και την διασύνδεση με το Southbridge. Στις σύγχρονες ΚΜΕ (2019 και μετά) το Northbridge ενσωματώθηκε στις ΚΜΕ - DMI (Direct Media Interface) και QPI (Quick Path Interconnect) - αυξάνοντας περισσότερο την ταχύτητα επικοινωνίας. Παρόλα αυτά ο όρος FSB χρησιμοποιείται γενικότερα για να περιγράψει τη συγκεκριμένη τεχνολογία.