Innhold
Von Neumann-arkitekturen
En datamaskin styres av programmer, det vil si sekvenser av instruksjoner som forteller hva den skal foreta seg. Det kan for eksempel være å addere to tall, flytte tall fra én plass til en annen, eller hoppe til en instruksjon på et annet sted.
De første datamaskinene inneholdt ikke programmer, men ble styrt av en mengde koplinger som måtte endres hver gang maskinen skulle utføre en ny oppgave, noe som kunne ta dagevis. Det var derfor en revolusjon da John von Neumann i 1946 foreslo at en datamaskin kunne styres av programmer som lagres i maskinen på samme måte som andre data. Dette ga opphav til den så kalte von Neumann-arkitekturen, som er det vanligste prinsippet i moderne datamaskiner, og enerådende i PC-er. Instruksjonene er lagret i internminnet, og behandles én for én av en prosessor.
 Von Neumann-arkitekturen. Programmene lagres på samme måte som data. |
Hovedkomponenter
Grovt sett kan en si at en PC består av komponentene prosessor (CPU), internminne (RAM), inn/ut-enheter (I/O), og en systembuss. Databehandlingen foregår i prosessoren. Den henter sine instruksjoner fra primærlageret, og data skyfles fram og tilbake mellom prosessoren, primærlageret og inn/ut-enhetene, alt via systembussen. Dette er illustrert i figuren under.
 Overordnet PC-arkitektur, med eksempler på vanlige I/O-enheter |
Prosessoren
Prosessoren er datamaskinens hjerne. I en PC består prosessoren av en enkelt integrert krets og kalles en mikroprosessor. Verdens første mikroprosessor ble lansert av Intel i 1971, og Intel har siden da forsynt markedet med stadig nye generasjoner mikroprosessorer.
Fra 1971 til 2025 har antallet transistorer i en mikroprosessor økt fra ca. 2300 til ca. 184 milliarder, det vil si at antallet er fordoblet om lag 26,25 ganger. Dette stemmer bra ifølge Moores lov, som sier at antall transistorer i en mikroprosessor vil fordobles annethvert år, altså (2025 – 1971) / 2 = 27 ganger i denne perioden.
Prosessorens hovedkomponenter
Figuren under viser et forenklet, skjematisk diagram av en mikroprosessor.
 De viktigste komponentene i en mikroprosessor |
ALU
ALU står for ′Arithmetic/Logic Unit′. Ved hjelp av logiske porter utfører ALU elementær aritmetikk, eller avgjør om en logisk betingelse er sann eller usann.
Registre
Registrene er små, lynraske minneceller. Verdiene som ALU opererer på ligger i registre, dit legges resultatene som ALU produserer, og ALU bruker dem til mellomlagringer. Instruksjonsregistret inneholder den instruksjonen som ALU for øyeblikket arbeider med, og instruksjonspekeren er et register som forteller hvor i internminnet neste instruksjon skal hentes.
Bussgrensesnitt
Bussgrensesnittet håndterer prosessorens kommunikasjon med omverdenen.
Instruksjonshenter
Instruksjonshenteren sørger for å, via bussgrensesnittet, hente neste instruksjon som skal utføres, og overlate den til instruksjonsdekoderen.
Instruksjonsdekoder
Instruksjonsdekoderen dekoder instruksjonen som ALU skal utføre, og plasserer resultatet i registre.
Prosessorens arbeidssyklus
I prinsippet gjennomføres en prosessors arbeidssyklus slik:
- Instruksjonshenteren sjekker instruksjonspekeren (programtelleren) for å finne ut hvilken adresse i internminnet neste instruksjon skal hentes fra, og kontakter bussgrensesnittet med denne informasjonen.
- Instruksjonen kommer inn via bussgrensesnittet.
- Instruksjonspekeren settes til å peke på neste instruksjon.
- Instruksjonen dekodes av instruksjonsdekoderen og resultatet lagres i registre.
- ALU utfører instruksjonen, og resulterende verdier plasseres i registre. Dersom instruksjonen er en hopp-instruksjon, oppdateres registret som inneholder instruksjonspekeren. (En hopp-instruksjon er en instruksjon som forteller at programutførelsen skal fortsette en ny plass)
I praksis er det hele mer komplekst, moderne prosessorer inneholder blant annet komponenter som hele tiden prøver å hente instruksjoner og data før det faktisk blir behov for dem.
Prosessorens arbeidssyklus styres av ei klokke. Selv om det kan variere hvor mange klokketikk en prosessor trenger for å utføre en oppgave, gir klokkehastigheten allikevel en pekepinn på prosessorens arbeidskapasitet.
Moderne prosessorer har flere kjerner, noe som gjør det mulig å behandle flere instruksjoner i parallell.
Innpakning
Moderne prosessorer leveres i flate, keramiske pakninger med tilkoplingspunktene i form av en benmatrise på undersiden. Dagens prosessorer produserer svært mye varme som må ledes bort, og er derfor påmontert kjølevifte. Tidligere utgaver arbeidet med lavere klokkefrekvens, og gikk ikke så varme. En kan derfor i eldre PC-er finne prosessorer med kjøleribber, eller uten noe kjølesystem i det hele tatt.
 |
 |
 |
|
Mikroprosessor sett fra oversiden og undersiden, samt kjølevifte
|
||
Internminnet
Internminnet er en lagringsplass for data og programmer, som prosessoren hyppig refererer til når den arbeider. Internminne kalles også gjerne primærminne eller RAM. RAM beskrives nærmere i artikkelen om datalagring.
Systembuss
Systembussen er PC-ens nervesystem, og frakter informasjon rundt mellom de forskjellige enhetene. Den består av tre hoveddeler: Databuss, adressebuss og kontrollbuss. Databussen frakter selve dataene. Adressebussen brukes for å fortelle hvor data skal skrives eller leses. Dette kan enten være et sted i RAM, eller på en I/O-enhet. Kontrollbussen brukes til å overføre forskjellige kontrollsignaler mellom enhetene.
I/O-enheter
Moderne PC-er er utstyrt med USB-porter, der en kan kople til eksterne enheter. USB står for ′Universal Serial Bus′, og er egentlig en egen buss som er koplet til PC-ens PCI-buss. Det meste av moderne utstyr beregnet på PC-tilknytning, kan koples til en USB-port. Minnepinner, digitalkameraer, skannere, skrivere, mus, tastatur, etc. De første USB-portene hadde begrenset kapasitet, med en overføringshastighet på 1,5 Mbits/s, altså 1,5 millioner informasjonsenheter (bits) per sekund. Senere kom en ny standard, USB 2, med en overføringshastighet på 480 Mbits/s, og denne er igjen blitt fulgt av USB 3, med en hastighet på opptil 20 Gbits/s.
Symbolet for en USB-tilkopling ser slik ut:
I en periode var busstandarden FireWire (IEEE 1394) et raskere alternativ enn USB, og PC-er ble levert med FireWire-kontakter. FireWire ble typisk brukt til utstyr som skulle overføre store mengder data, slik som digitale videokameraer. Men med nye superraske USB-standarder, er ikke FireWire lenger så mye i bruk.
Moderne datamaskiner kan også kommunisere med nettverk, enten trådløst eller via en nettverkskabel.
Cache
Sett i forhold til hastigheten en mikroprosessor arbeider med, kan det ta svært lang tid å hente data fra internminnet. En PC er derfor utstyrt med cache, som er et hurtig minne knyttet til prosessoren via en lynrask buss. Cache inneholder utdrag av det som finnes i internminnet, og egne styringskretser prøver å sørge for at utdraget til enhver tid er det som prosessoren skal arbeide med.
I tillegg til cache i form av en separat minnebrikke, har en moderne mikroprosessor også en egen cache plassert direkte på selve prosessorbrikken. Denne har svært liten lagringskapasitet, men er til gjengjeld ekstremt rask.
Kilder
-
- Jarle Aase, Clemet Thærie Bjorbæk: Maskinvare og operativsystemer. Fagbokforlaget 2004
- Deborah Morley, Charles S. Parker: Understanding Computers: Today and Tomorrow. Thomson Course Technology 2006
- Bård Kjos: Innføring i informasjonsteknologi. Tapir Akademisk forlag, Trondheim 2005
- Per A. Holst: Datateknologiens utvikling. Tapir Akademisk forlag, Trondheim 2001
- Cornelia Brodahl. Materiale fra INF 104, HiA 2005