share: true
aliases:
  - Bez názvu
complete: true
author: Petr

Architektura počítače

BI-SPOL.21-29

Architektury číslicových systémů

Procesor se skládá z několika částí

Řadič
- Ovládá všechny části procesoru
- Generuje řídící signály
- Přijímá stavové signály
Výkonná část (ALU,FPU,...)
Paměť
- Nějaké registry
Harvardská
- Odděluje paměť pro instrukce a pro data
- Umožňuje číst data a instrukce najednou
Von Neumannova
- Propojuje paměť pro data i instrukce
- Jednodušší
- Nelze číst instrukci a zároveň data (pomalejší)

Popisuje jak dochází k vykonávání jednotlivých instrukcí
Běží pořád dokola
Dnešní procesory používají Pipeline, tedy najednou je dekódováno víc instrukcí, každý krok vždy dělá jednu instrukci ale dohromady se dekóduje třeba 5 instrukcí v jeden čas.
Obecně má tyto kroky (podle implementace se můžou lehce lišit)
- Instruction Fetch
  - Dochází ke čtení instrukce
- Instruction Decode
  - Dekódování řadič nastaví cestu pro data v procesoru
- Fetch Operand
  - Nahrání operandů do zvolené execution unit
- Execute (ALU,FPU)
  - Provedení samotné operace
- Memory Access /Write Back
  - Zápis výsledků (do registru/paměti)
- Kontrola jestli nenastalo přerušení

(ISA) Instruction Set Architekture
Určuje jaké operace umí procesor vykonávat
Je to rozhraní mezi SW a HW
- Instrukce říká s čím co udělat, kam to uložit, a kde pokračovat
- Instrukce nemusí data obsahovat přímo, umožňujeme deviace, různý počet operandů, operandy v paměti.
- Instrukce jsou ve strojovém kódu
  - Pro lepší čitelnost se píší v asembleru, a pak se překládají
Některé instrukce může provádět jen kernel
- přístup k filesystému
- Bezpečnostní důvody
- Implementují ringy
  - Ring 0 je kernel
  - Ring 3 je běžně aplikace
Aplikace přistupují k CPU přes
- Knihovní API
- Systémové volání
- Běžné instrukce

Akumulátorové
- Obsahuje jeden registr nad kterým se provádí operace
- Přičti 1 k akumulátoru...
- x86 využívá víc akumulačních registrů od 386 GPR
- Naráží na práci s pamětí (pomalé)
- Jednoduchý HW
Zásobníkové
- Registry jsou uložené jako zásobník
- Nelze náhodný přistup
- Je sekvenční
Registrové
- GPR mnoho registrů, které obsahují operandy
- Dnes nejpoužívanější
- Rychlé registry s náhodným přístupem
- Omezený počet registrů
- těžší překladač

RISC
- Redukovaná instrukční sada
- Instrukce se stejnou délkou
- Kratší a jednodušší instrukce
- Rychlé provádění
- Je malá(fyzicky menší dekodér)
- ARM, RISC-V
CISC
- kompletní instrukční sada
- má instrukce na všechno
- Memory to memory instrukce
- Různě dlouhé instrukce (délka i čas)
- I složité instrukce
- Je velká (velký dekodér)
- x86, spíš legacy support

Jedná se mechanismus, který upozorní CPU na nějaký spouštěč
- Dokončení výpočtu GPU, stisk klávesy, příchozí packet
- Něco co vyžaduje pozornost CPU
- Provádí se takzvaná obsluha přerušení
  - Procesor přeruší prováděný sled instrukcí
  - Uloží aktuální stav registrů na zásobník
  - Procesor načte příslušný vektor přerušení
  - Provede obsluhu
  - Načte zpět uložená data a pokračuje ve vykonávání instrukcí
Známe vnější a vnitřní přerušení
- Vnitřní jsou od procesoru, třeba dělení nulou
- Vnější jsou od periferií.

Procesor přistupuje k paměti po větších celcích, kvůli vyšší efektivitě (Bajt, 32, 64 bitů)
Každé takové místo v paměti má vlastní adresu
Paměťový prostor počítače dělíme na
- RAM (blízko procesoru, rychlé, drahé)
- Vnější úložiště (SSD,HDD, DVD,...) Levné velké

jedná se o řazení dle rychlosti i blízkosti k CPU, zároveň čím blíže k cpu tím dražší
Paměť je pro snížení ceny odstupňovaná
Platí cenový trojúhelník (cena, rychlost, kapacita)
Z programátorského hlediska se jedná o ucelený prostor
- Využívá se princip stránkování
  - Bloky, které se dle potřeby přesouvají mezi RAM a diskem
  - Programátor pracuje s virtuálním paměťovým prostorem
Registry
- Frekvence CPU, nulová latence
- 1kB
Cache
- Bývá rozdělená na datovou a instrukční
- uvnitř procesoru
- může držet často používaná data, nemusí se na ně čekat z RAM
- Z programátorského hlediska neexistuje
- SRAM
- KB - MB
RAM
- Operační paměť, jsou v ní všechna právě zpracovávaná data
- DRAM
- GB
Trvalá úložiště
- Při vypnutí neztrácí obsah
- jsou pomalá ale vzhledem k kapacitě levná

DRAM, SRAM
- SRAM rychlejší
- DRAM levnější
(E*)ROM
- Typy permanentních pamětí
Flash
- Umožňuje přepisování, elektronická paměť
HDD
- Magnetický záznam
Rozšíření čipové paměti
- Čipy paralelně -> širší slovo
- Pomocí MUX a práce s CS, OE, WE signály paměť "sériově"

Stojí mezi CPU a RAM
Využívá asociativní přistup ()
Obsahuje nejčastěji používaná data
SRAM
Při hledání dat se spouští proces z cache i z RAM
- při Cache HIT se RAM nedokončí
- při Cache MISS se data načtou z RAM a uloží do cache
Při zápisu se zapíše do cache pokud tam je
- Write Through -> zápis i do RAM
- Write Back -> jen do cache, do RAM až při uvolnění (příznak)
Stupně asociativity
- Plně asociativní paměť má stupeň asociativity roven její kapacitě (je na hovno)
- n-stupňová asociativita -> každá položka se může nacházet na n místech, určuje část adresy položky
- n = 1 nemůžu ukládat položky co se liší pouze v TAGu

Fyzická adresa se rozdělí na části
- Adresa řádku v adresáři RAM
- Adresa v bloku
- T-tag, část, která se asociativně srovná s obsahem adresáře
Data jsou uložena po blocích, část adresy je adresa bloku
Jeden stupeň asociativity (víc to jen dává paralelně)
- Víc stupňů asociativity přidává HW, který říká jakou položku přepsat (naposledy použitou)
n =4
Parametry
- velikost slova (téměř vždy 4 nebo 8 B)
- velikost bloku (počet slov, sloupečky tabulky)
- počet bloků (počet řádků v jedné tabulce)
- stupeň asociativity (počet tabulek)
Rozdělení adresy
- počet bitů na slovo (2 nebo 3 poslední bity)
- identifikace slova v bloku
- identifikace bloku (indexování v tabulce)
- zbytek adresy... zapsaný tag (komparátor)

Vytvořeno: 27. 5. 2026, 12:02
Poslední aktualizace: 9. 6. 2026, 12:19