Lecture note Computer Organization - Part 2.1: The computer system

183 130 0
Lecture note Computer Organization - Part 2.1: The computer system

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

A computer system consists of a processor, memory, I/O, and the interconnections among these major components. With the exception of the processor, which is suffi- ciently complex to devote Part Three to its study, Part Two examines each of these components in detail.

PART  TWO The Computer System    P.1 ISSUES FOR PART TWO A   computer   system   consists   of   a   processor,  memory,  I/O,  and   the  interconnections among  these  major  components.  With  the  exception  of  the  processor,  which  is  suffi­ ciently complex to devote Part Three to its  study,  Part Two examines each of these components in detail ROAD MAP FOR PART TWO Chapter 3 A Top­Level View of Computer  Function and Interconnection At  a  top  level,  a  computer consists  of  a  processor,  memory,  and I/O  compo­  nents.  The  functional  behavior  of  the  system  consists  of  the  exchange  of  data  and  control  signals  among  these  components.  To  support  this  exchange,  these   components  must  be  interconnected.  Chapter  3  begins  with  a  brief  examina­  tion  of  the  computer’s  components and their input–output requirements. The chapter then looks  at  key  issues  that  affect  interconnection  design,  especially the  need  to  support interrupts. The bulk of the chapter is devoted to a study of the  most  common  approach  to  interconnection:  the  use  of  a  structure  of  buses Chapter  4  Cache Memory Computer   memory   exhibits   a   wide   range   of   type,   technology,  organiza­ tion,  performance,  and  cost.  The  typical  computer  system  is  equipped  with a hierarchy of memory subsystems, some internal  (directly accessible  by the processor) and some external (accessible  by   the   processor   via   an   I/O   module)   Chapter     begins   with   an  overview of this hierarchy. Next, the chapter deals in detail with the  design of cache  memory, including sepa­ rate  code  and  data  caches  and two­level caches 63 Chapter  5  Internal Memory The  design of a main memory system is a never­ending battle among  three  competing  design  requirements:  large  storage  capacity,  rapid  access   time,  and   low   cost   As   memory  technology  evolves,   each   of  these three characteristics  is  changing,  so  that  the  design  decisions  in  organizing  main   memory  must  be  revisited  anew  with  each  new  implementation. Chapter 5 focuses on design issues related to internal  memory  First,   the   nature   and   organization   of   semiconductor   main  memory   is   examined   Then,   recent  advanced  DRAM  memory  organizations are explored Chapter  6  External Memory For truly large storage capacity and for more permanent storage than is  available  with  main  memory,  an  external  memory  organization  is  needed  The  most widely used type of external  memory is magnetic  disk, and much of Chapter 6 concentrates on this topic. First, we look  at magnetic disk technology and design considerations. Then, we look  at the use of RAID organization to improve disk memory performance.  Chapter 6 also examines optical and tape storage Chapter 7 Input/Output I/O  modules  are  interconnected with  the  processor  and  main  memory,  and each controls one or more external devices. Chapter 7 is devoted to  the var­ ious aspects of I/O organization. This is a complex area, and less  well under­ stood than other areas of computer system design in terms of  meeting performance demands. Chapter 7  examines the  mechanisms by  which an  I/O  module interacts with  the  rest  of   the  computer  system,  using  the  tech­   niques  of  programmed  I/O,  interrupt  I/O,  and  direct  memory  access  (DMA)  The  interface  between  an  I/O  module  and  external devices is also described Chapter  8  Operating  System Support A detailed examination of operating systems (OSs) is beyond the scope  of this book. However, it is important to understand the basic functions  of an  operating  system  and  how  the  OS  exploits  hardware  to  provide  the  de­ sired performance. Chapter 8 describes the basic principles of  operating   systems   and   discusses   the   specific   design   features   in   the  computer  hard­   ware   intended   to   provide   support   for   the   operating  system. The chapter begins with a brief history, which serves to identify  the major types of op­ erating systems and to motivate their use. Next,  multiprogramming  is  ex­   plained  by  examining  the  long­term  and  short­term  scheduling  functions  Finally,  an  examination  of  memory  management includes a discussion of segmentation, paging, and virtual  memory 64 CHAPTER A TOP­LEVEL VIEW OF COMPUTER  FUNCTION AND  INTERCONNECTION 3.1 Computer  Components 3.2 Computer  Function Instruction Fetch and Execute  Interrupts I/O Function 3.3 Interconnection Structures 3.4 Bus  Interconnection Bus Structure Multiple­Bus Hierarchies  Elements of Bus Design 3.5 PCI Bus Structure  PCI Commands  Data Transfers  Arbitration 3.6 Recommended Reading and Web Sites 3.7 Key Terms, Review Questions, and  Problems Appendix 3A Timing Diagrams 65 At a top level, a computer consists of CPU (central processing unit), memory, and  I/O  components,  with  one  or  more  modules  of  each  type.  These  components  are  intercon­ nected  in  some  fashion  to  achieve  the  basic  function  of  the  computer,  which  is  to  exe­ cute  programs.Thus,  at  a  top  level,  we  can  describe  a  computer  system by (1) describing the external behavior of each component—that is, the data  and control signals that it exchanges with other components; and (2) describing the  interconnection   structure  and  the  controls  required  to  manage  the  use  of  the  interconnection structure This  top­level  view  of  structure  and  function  is  important  because  of  its  explana­ tory power in understanding the nature of a computer. Equally important  is its use to understand the increasingly complex issues of performance evaluation.  A  grasp  of  the   top­level   structure  and  function   offers   insight   into   system  bottlenecks, alternate path­ ways, the magnitude of system failures if a component  fails,  and  the  ease  of  adding  per­   formance  enhancements  In  many  cases,  requirements for  greater system power and fail­safe  capabilities  are  being  met  by  changing  the  design  rather  than  merely  increas­  ing  the  speed  and  reliability  of  individual components This  chapter  focuses  on  the  basic  structures  used  for  computer  component  in­ terconnection. As background, the chapter begins with a brief examination of  the   basic   components   and   their   interface   requirements  Then  a   functional  overview   is   provided.  We  are  then  prepared  to  examine  the  use  of  buses  to  interconnect system components    3.1 COMPUTER   COMPONENTS As discussed in Chapter 2, virtually all contemporary computer designs are based  on  concepts  developed  by  John  von  Neumann  at  the  Institute  for  Advanced  Studies, Princeton. Such a design is referred to as the von Neumann architecture  and is based on three key concepts: 3.1 / COMPUTER COMPONENTS 67 • Data and instructions are stored in a single read–write memory • The contents of this memory are addressable by location, without regard to  the type of data contained there • Execution occurs in a sequential fashion (unless explicitly modified) from  one instruction to the next The  reasoning  behind  these  concepts  was  discussed  in  Chapter  2  but  is  worth summarizing here. There is a small set of basic logic components that can  be com­ bined in various ways to store binary data and to perform arithmetic and  logical  op­   erations   on   that   data   If   there   is   a   particular   computation   to   be  performed,  a   configuration  of  logic  components  designed  specifically  for  that  computation could be constructed. We can think of the process of connecting the  various components in the desired configuration as a form of programming. The  resulting  “program”  is  in   the  form  of  hardware  and  is  termed  a  hardwired  program Now  consider  this  alternative.  Suppose  we  construct  a  general­purpose  config­   uration  of  arithmetic  and  logic  functions.  This  set  of  hardware  will  perform  various functions  on  data  depending  on  control  signals  applied  to  the  hardware. In the orig­ inal case of customized hardware, the system accepts data  and produces results (Figure  3.1a).  With  general­purpose  hardware,  the  system  accepts  data  and  control signals and produces results  Thus, instead of rewiring  the hardware for each new program,  the  programmer  merely  needs  to  supply  a  new set of control signals How shall control signals be supplied? The answer is simple but subtle. The  en­ tire program is actually a sequence of steps. At each step, some arithmetic or  logical Data                              Results (7.a) Programming in hardware Instruction  codes Control  signals Data                              Results (7.b) Programming in software Figure 3.1  Hardware and Software Approaches operation is performed on some data. For each step, a new set of control signals is  needed. Let us provide a unique code for each possible set of control signals, and  let us add to the general­purpose hardware a segment that can accept a code and  gen­ erate control signals (Figure 3.1b) Programming is now much easier. Instead of rewiring the hardware for each  new program, all we need to do is provide a new sequence of codes. Each code is,  in effect, an instruction, and part of the hardware interprets each instruction and  gen­ erates  control  signals.  To  distinguish  this  new  method  of  programming,  a  sequence of codes or instructions is called software Figure  3.1b  indicates  two  major  components  of  the  system:  an  instruction  in­   terpreter  and  a  module  of  general­purpose  arithmetic  and  logic  functions.  These  two constitute the  CPU  Several other components are needed to yield a  functioning computer. Data and instructions must be put into the system. For this  we need some sort of input module. This module contains basic components for  accepting data and instructions in some form and converting them into an internal  form of signals  us­ able  by  the  system.  A  means  of  reporting  results  is  needed,  and this is in the form of an output module. Taken together, these are referred to  as I/O components One more component is needed. An input device will bring instructions and  data in sequentially. But a program is not invariably executed sequentially; it may  jump around (e.g., the IAS jump instruction). Similarly, operations on data may  re­   quire   access   to   more   than  just   one   element   at   a   time   in   a   predetermined  sequence. Thus, there must be a place to store temporarily both instructions and  data   That   module  is  called  memory,  or  main  memory  to  distinguish  it  from  external  storage  or peripheral  devices.  Von Neumann  pointed  out  that  the  same  memory could be used to store both instructions and data Figure  3.2  illustrates  these  top­level  components  and  suggests  the  interactions   among   them  The  CPU   exchanges   data   with  memory  For  this  purpose, it typically makes use of two internal (to the CPU) registers: a memory  address register (MAR), which specifies the address in memory for the next read   or write, and a memory  buffer  register  (MBR),  which  contains  the  data  to  be  written  into  memory or receives the data read from  memory  Similarly, an I/O  address register (I/OAR) specifies a particular I/O device. An I/O buffer (I/OBR)  register is used for the ex­ change of data between an I/O module and the CPU A  memory  module  consists  of  a  set  of  locations,  defined  by  sequentially  num­   bered   addresses.  Each   location   contains   a   binary   number   that   can   be  interpreted as either  an  instruction  or  data.  An  I/O  module  transfers  data  from  external devices to CPU and memory, and vice versa. It contains internal buffers  for temporarily hold­ ing these data until they can be sent on Having  looked  briefly  at  these  major  components,  we  now  turn  to  an  overview of how these components function together to execute programs    3.2 COMPUTER   FUNCTION The  basic  function  performed  by  a  computer  is  execution  of  a  program,  which  con­ sists of a set of instructions stored in memory. The processor does the actual  work by executing instructions specified in the program. This section provides an  overview of ... well under­ stood than other areas of computer system design in terms of  meeting performance demands. Chapter 7  examines the  mechanisms by  which an  I/O  module interacts with the  rest  of   the computer system,  ... With synchronous access, the DRAM moves data in and out under control  of the system  clock The  processor   or  other  master  issues  the  instruction  and  address information, which is latched by the DRAM. The DRAM then responds ... How many wait states do we have to insert per memory read operation if the ac­ cess time of the DRAMs is 150 ns? The memory of a particular microcomputer is built from 64K * 1 DRAMs. Accord­  ing to the data sheet, the cell array of the DRAM is organized into 256 rows. Each 

Ngày đăng: 30/01/2020, 00:41

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

Tài liệu liên quan