Architektura systemów informatycznych

Transkrypt

1 Architektura systemów informatycznych

2 Agenda - o czym będzie - Rozwój komputerów. Rola firmy IBM. - Organizacja i struktura systemu komputerowego - Rozwój CPU. Prawo Moore a - Schemat budowy komputera - Płyta główna - Pamięć - Urządzenia wejścia-wyjścia - Karty graficzne - Monitory - Wydajność komputera - Tendencje w rozwoju architektury 2

3 Rozwój komputerów Konieć lat 70 XX wieku - Amiga, Atari, Comodore, Apple, IF (firma Oki), ZX... CP/M firmy Digital Research Brak standardu, kompatybilności w zakresie sprzętu powodował: - Ograniczenia w rozwoju oprogramowania; - Utrudnienie w przenoszeniu danych z jednej marki do drugiej; - Ograniczenia w rozwoju kart graficznych, kart dźwiękowych producenci byli zmuszeni produkować dla kaŝdej firmy osobny model 3

4 Rola firmy IBM Rola firmy IBM - opracowanie OTWARTEGO STANDARDU dla sprzętu mikrokomputerowego IBM PC. - Modulowa konstrukcja umoŝliwia dostosowanie i rozwój konfiguracji w zaleŝności od potrzeb uŝytkownika - Wymiana określonych modułów karty graficzne, karty dźwiękowe... - Dodanie nowych modułów dodatkowy twardy dysk - Rozszerzenie, dodanie dodatkowych modułów pamięci... Wprowadzenie systemu operacyjnego PC-DOS wersja systemu MS-DOS firmy Microsoft. 4

5 Rozwój Sprzętu Spirala rozwoju Informatyki Mainframes Dwurdzeniowe procesory 64 b. (Przetwarzanie centralne) Intel Pentium M Mini komputery Mikrokomputery (PC) (Decentralizacja Przetwarzania) SMP Symmetric Multiprocessing Desktop - grafika - Notebook - wiele równoległych zadań - Serwer - PDA Klaster Palmtopy 5

6 Organizacja i architektura systemu komputerowego Architektura systemu komputerowego obejmuje te jego elementy, które są istotne dla programisty (wpływają bezpośrednio na logiczne wykonywanie programu i tym samym sposób jego konstrukcji), np. lista instrukcji, typy danych, sposób adresowania pamięci itp. Organizacja systemu komputerowego obejmuje powiązania jednostek funkcjonalnych, które mogą wpływać na sposób wykonania instrukcji, ale nie mają bezpośredniego wpływu na logikę działania programu lub wynik jego działania, np. technologia wykonania, częstotliwość pracy procesora itp. 6

7 Definicja systemu System kompleks elementów znajdujących się we wzajemnej interakcji L. von Bertalanffy, General Systems Theory, A Critical Review, General Systems, 1962, vol. VIII System powiązany celowo zbiór elementów, Jerzy Kisielnicki, Metody systemowe, PWE, Warszawa 1986, p. 12 7

8 Składowe Systemu Komputerowego Sprzęt (ang. hardware) zapewnia dostęp do podstawowych zasobów systemu komputerowego: procesor (jednostka centralna) (ang. central processing unit CPU), pamięć, urządzenia wejścia - wyjścia System operacyjny nadzoruje i koordynuje dostęp do zasobów systemu przez róŝne programy aplikacyjne (uŝytkowe) (Ms DOS, Ms Windows, Unix, Linux) Programy aplikacyjne (programy biurowe, systemy baz danych, programy ERP, kompilatory) UŜytkownicy (ludzie, maszyny, inne komputery). 8

9 Schemat interakcji UŜytkownik - System Komputerowy UŜytkownik_1... UŜytkownik_N Programy UŜytkowe (Aplikacje) System Operacyjny Sprzęt Komputerowy 9

10 IBM-PC Konstrukcja mikrokomputera IBM-PC jest oparta na płycie głównej ang. motheboard). Na niej są umieszczone: procesor (ang. CPU), pamięć RAM, pamięć ROM, układ współpracy z klawiaturą... Tendencje w rozwoju płyt głównych umieszczanie na płycie głównej coraz więcej modułów: - karta graficzna; - karta dźwiękowa; - karta sieciowa - sterowniki RAID Zalety tańszy sprzęt Wady - uszkodzenie modułu (na przykład karty graficznej) moŝe wymagać wymiany całej płyty głównej. 10

11 Architektura komputera Pamięć operacyjna Sterownik pamięci operacyjnej Szyna systemowa (system bus) CPU - jednostka centralna Sterownik dysków Sterownik drukarki Karta Sieciowa Dysk Dysk 11

12 Działanie Systemu Komputerowego CPU i sterowniki urządzeń (device controllers) są połączone wspólną szyną systemową (system bus) CPU i sterowniki mogą działać współbieŝnie. KaŜdy sterownik odpowiada za określony typ urządzenia (np. napędy dysków, CD-ROM, USB, drukarki itd.). KaŜdy sterownik ma swój lokalny bufor. CPU przesyła dane między pamięcią operacyjną a lokalnymi buforami. Operacje WE/WY odbywają się między urządzeniami a lokalnymi buforami sterowników. Sterownik informuje CPU o zakończeniu swojej operacji za pomocą przerwania (interrupt). 12

13 Kontroler Kontroler urządzenia związany jest z konkretnym urządzeniem i rozporządza lokalnym buforem i zbiorem rejestrów o specjalnym przeznaczeniu. Odpowiada za przesyłanie danych między urządzeniem zewnętrznym, a własnym buforem. Kontrolerzy przerwań sprzętowych są stosowane w celu wykrycia i wyselekcjonowania Ŝądania obsługi przerwania zgłaszanego przez urządzenie. Selekcja zgłoszeń obejmuje analizę waŝności zgłoszeń która jest związana z numerem wejścia do którego dołączone jest urządzenie. 13

14 Płyta główna specyfikacja Obsługiwane procesory Chipset Ilość banków pamięci / pamięć maksymalna 4 x DDR / 4 GB Magistrala /FSB/ PCI, PCI-E, AGP, n x USB Opcje /karta graficzna, karta sieciowa, karta dźwiękowa, RAID.. Na co naleŝy zwracać uwagę przy wyborze płyty głównej - Opinie uŝytkowników forum z opiniami MoŜliwości / cena Producenci: ServerWorks, Tyan, HP, Intel... 14

15 Chipset Chipset: układy wspomagające, integrujące cały system, decydują o szybkości magistrali. W skład chipsetu wchodzą elementy takie elementy jak: kontrolery przerwań sprzętowych kontrolery kanałów DMA generator programowalny kontrolery magistral kontroler pamięci cache L2 kontroler dysku twardego EIDE. 15

16 Interfejsy szeregowe Typ Szybko ść Transfe ru [MB/s] Długoś ć kabla [m] Stosowany do podłączenia RS-232 0,115 USB USB Zewnętrzne twarde dyski, nagrywarki CD i DVD, aparaty cyfrowe, Pendrive do 127 urządzeń moŝna podłączyć do 1 interfejsu USB 2.0 IEEE ,5 Cyfrowe kamery wideo IEEE 1394b Na podstawie Tom Yager, Marcin Lejman, WjeŜdŜamy na autostradę, PC World Computer 2001, nr 11, p

17 Uniwersalna szyna szeregowa (USB, Universal Serial Bus) standard szyny zewnętrznej do podłączania do komputera do 127 urządzeń peryferyjnych (jeden IRQ) standard opracowany w 1995 r. wspólnie przez wiodących producentów sprzętu komputerowego i telekomunikacyjnego (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft...) szybkość: 12 Mb/s i 1.5 Mb/s (USB 1.1) oraz 480 Mb/s (USB 2.0) łatwość rozbudowy portów (koncentratory, USB hubs) USB łączy drukarki, skanery, kamery wideo, dyski, stacje dyskietek, klawiatury, myszy, joysticki, telefony, modemy, napędy CD-ROM, napędy taśmowe, urządzenia wideo MPEG-2 17

18 Rozwój CPU Rozwój Procesorów (CPU) Częstotliwość, Cache, długość instrukcji Itanium 2 1,5 Ghz, Cache 6 Mb Itanium AMD Opteron 64 Pentium 4 EE Pentium 4 AMD Athlon MP/XP 64 FX Celeron Pentium III Xeon AMD Athlon MP 256Kb Cahe L2 Pentium II NexGen (Nx686 ->K6) Pentium MMX / Pro Cyrix AMD (Advanced Micro Devices) Intel Szybkość Szyny (magistrali) Front Side Bus (FSB) (Mhz)

19 Prawo Moore'a (1965) Gordon Moore - załoŝyciel i wiceprezydent firmy Intel W 1965 roku Gordon Moore zauwaŝył, Ŝe wykres wzrostu wydajności obwodów scalonych pamięci komputerowych widać, Ŝe kaŝda nowa kość zawiera około dwa razy więcej elementów niŝ poprzednia a przerwa pomiędzy kolejnymi generacjami wynosi miesięcy. Wynika stąd eksponencjalny wzrost wydajności komputerów. Przez 26 lat liczba tranzystorów w obwodzie scalonym wzrosła 3,200 razy, od w Intel-4004 w 1971 do 7.5 miliona w Pentium II, a teraz do 40 mln w Pentium 4 i 170 mln w IBM Power4 19

20 Prawo Moore a 20

21 Symetryczne Wieloprocesowe wielordzeniowe systemy Zalety systemów: - większa przepustowość systemu; - odporność na obciąŝenia. Obszary zastosowań systemów z kilkoma procesorami - Bazy danych; - Rendering 3D; - CAD; - Systemy ekspertowe 21

22 Dwurdzeniowe procesory - dwa Model procesory w jednym korpusie Dwurdzeniowe 64 bitowe procesory AMD i Intel Intel Core Duo E6300/E6600/D945 Intel Pentium Extreme D840/D830/D820/D805 AMD Opteron x65/x70/x75 Athlon 64 X / 4600+/4400+/4200+ Częstotliwość 1,86 / 2,4 / 3,4 3,2 / 3.0 / 2,8 / 2,66 2,4 GHz / 2,2 GHz [Ghz] L2 Cache 2 x 2 MB 2 x 1 MB 2 x 1 MB / 2 x 512Kb chipset Intel 955, 945, 925, 915 lub 910 Express Dwurdzeniowy AMD

23 Dwurdzeniowe procesory - dwa procesory w jednym korpusie Dwurdzeniowe procesory - dwa procesory w jednym korpusie a licencjonowanie oprogramowania Bazy Danych Virtualizacja 23

24 Ewolucja własności procesorów i pamięci DRAM szybki rozwój pojemności pamięci i szybkości procesorów wolniejszy przyrost szybkości przesyłania danych pomiędzy procesorem i pamięcią Interfejs pomiędzy pamięcią główną a procesorem jest najbardziej krytycznym elementem całego komputera, poniewaŝ jest on odpowiedzialny za przepływ rozkazów i danych pomiędzy tymi układami. Jeśli dostęp do pamięci jest niewystarczający, to cykle procesora są marnowane (głodzenie procesora). 24

25 Rodzaje pamięci półprzewodnikowych RAM (Random Access Memory) pamięć o dostępie swobodnym - odczyt-zapis; ROM (Read-Only Memory) pamięć stała - tylko odczyt, zapisywanie w trakcie wytwarzania PROM (Programmable ROM) programowalna pamięć stała - tylko odczyt EPROM (Erasable and Programmable ROM) wymazywalna i programowalna pamięć stała - głównie odczyt CMOS-RAM - pamięć RAM o stosunkowo duŝym czasem dostępu, nie wymaga odświeŝania a jedynie stałego zasilania. W niej przechowywane są dane o konfiguracji sprzętowej komputera oraz kalendarz i zegar czasu rzeczywistego. 25

26 Sprzętowa pamięć podręczna Decydują o wydajności procesora Pamięć podręczna L1 (128Kb - Athlon XP) Pamięć podręczna L2 (256Kb - Athlon XP, 512Kb, 1Mb - AMD Opteron, 2MB - Pentium III Xeon) Pamięć podręczna L3 (2Mb - Pentium 4EE) Kontroler pamięci operacyjnej wbudowany w procesorze (AMD 64)* MoŜliwość pracy w systemach wieloprocesorowych. Penitum 4 jest przeznaczony dla systemów z jednym procesorem Pentium 4 Xeon jest przeznaczony dla wieloprocesorowych systemach. * Metzger, P.: Anatomia PC. Wydanie X, Helion, Gliwice, 2006 p, 1184,

27 Dostępne Rodzaje Dysków wg Interfejsu Dostępne Rodzaje Dysków wg Interfejsu Interfejs ATA Serial ATA Ultra SCSI Ultra SCSI IEEE USB Transfer rate Megabytes / seconds 27

28 Interfejsy dysków - (E)IDE, ATA, SATA Kontroler (sterownik) dysku decyduje często o jego szybkości. Kontroluje fizyczny sposób zapisu na nośniku magnetycznym. Zwykle na płycie głównej, czasami na karcie PCI. Przesyła dane do procesora przez magistralę za pomocą określonego interfejsu. (E)IDE ((Extended)Intelligent/Integrated Drive Electronics) właściwie ATA (AT Attachement) Szeregowy ATA (serial ATA) - moŝliwość podłączania wewnętrzych i zewnętrznych urządzeń Ograniczenie: kaŝdy kontroler IDE potrzebuje IRQ i moŝe obsłuŝyć 2 urządzenia wewnętrzne 28

29 Twardy Dysk Struktura logiczna i fizyczna dysku: jeden dysk fizyczny moŝna podzielić na kilka logicznych, kilka dysków fizycznych moŝna traktować jako jeden logiczny. Jednostki alokacji: zaleŝnie od systemu operacyjnego. Windows: zaleŝnie od wersji! System NTFS w W2K ma 0.5 KB, ale starsze mogą na dysku > 1GB mieć 32 kb jako najmniejszą jednostkę alokacji - znaczna część dysku zmarnowana. 29

30 Twardy Dysk - parametry dysków Pojemność dysku - 80 GB / 250 GB / 650 GB / 1000 GB Interfejs ATA, S-ATA, SCSI Szybkość obrotowa prędkość z jaką obracają się talerze pod głowicami 7200 obr/min IDE, ATA, S-ATA (15000 SCSI) Szybkość transferu danych (transfer rate): Szybkość odczytu danych szybkość z którą dane są transferowane z twardego dysku do pamięci Szybkość zapisu danych szybkość z którą dane są transferowane z pamięci do twardego dysku 30

31 Twardy Dysk - parametry dysków Średni czas dostępu średni czas wyszukiwania danych na talerzu 50 ms stare, obecnie 5-15 ms, superkontrolery < 1 ms [6 ms] Pamięć cache twardego dysku Pamięć RAM twardego dysku Poziom hałasu - db Koszt archiwizacji 1MB danych ceny dysku do jego pojemności MTBF (Mean Time Before Failure), czas między naprawami. 31

32 Macierze dyskowe (macierze RAID, Redundant Array of Inexpensive Disks) Bezpieczeństwo danych, róŝne poziomy RAID 0-5, od 0 - dyski lustrzane, do sprawdzania parzystości bitów zapisywanych na N dyskach. Transmisja z szybkością 100 do 200 MB/s bo odczyt i zapis równoległy, odbywa się na wielu dyskach jednocześnie. Sieć pamięci masowych SAN (Storage Area Network) - technologia rozproszonego przechowywania danych na stacjach pamięci masowych, do bardzo duŝych baz danych 32

33 Karty graficzne Standardy: Herkules, CGA, MDA, EGA - historyczne Dla IBM-PC: standard VGA 480 linii po 640 punktów. Kolu Typ Wierszy Uwagi mn QVGA urządzenia miniaturowe VGA minimum, monitory 14" SVGA monitor 15" XGA monitor 17" /notebooki SXGA monitor 19" lub więcej SXGA notebooki UXGA monitor 21" lub więcej SUXGA monitor 21" lub więcej WMV HD monitor 21" lub więcej 33

34 Karty Graficzne Kolor: 1 bit - monochromatyczne 4 bity - 16 kolorów 8 bitów kolorów z palety 16.7 milionów, pseudokolor 16 bitów - kolor pełny, 65 tysięcy barw (high color) 24 bity - kolor wierny, 16.7 milionów barw (true color) 32 bity - tylko w profesjonalnych zastosowaniach graficznych, 16.7 mln barw + przezroczystość Fotorealizm wymaga około 4000x4000 punktów i 16.7 mln kolorów 34

35 Wymagana pojemność pamięci wideo 16 kolorów 256 kolorów 16,7 mln. kolorów Rozdzielczość \ Kolor 4 bity 8 bitów 24 bity (true color) 640 x kb. 512 kb 2 MB 800 x kb 512 kb 2 MB 1024 x kb 1 MB 3 MB 1280 x MB 2 MB 6 MB 35

36 Monitory NajwaŜniejsze parametry monitorów Rozmiary ekranu (przekątna w calach): 14' - 24' i więcej. Wielkość pikseli ekranu wynosi mm. Rozdzielczość Jasność Kontrast Kąt widzenia Czas odświeŝania Technologia wykonania s-pva 36

37 Monitory - typy LCD - mniejsza masa, cienkie, mniejszy pobór mocy, brak migotania, dobra jakość, coraz niŝsza cena. TFT active (thin film transistor), porównywalne z dobrymi monitorami katodowymi. Gorszej jakości TFT passive. Plazmowe - kolorowe 20-40" i większe, produkowane przez wiele firm japońskich oraz Philips, równieŝ do TV. DLP (Digital Light Processing), będą wkrótce w telewizorach konkurować z katodowymi. Ekrany dotykowe - nakładki na zwykłe monitory lub na LCD, popularne Rzutniki LCD interesujące, ciekawa technologia, ceny w ostatnich latach spadły kilkukrotnie, choć nadal są dość wysokie. Coraz więcej rzutników poniŝej 2 kg, jasność lm, kontrast 200:1 do 1000:1 37

38 Zasilanie - Wzrost mocy spowodowany zwiększeniem liczby urządzeń 200W 250W 300W 350W 400W 450W 600W -. - UPS (sens wykorzystania) alternatywa notebook - Rola dobrego zasilania (zawieszenia się systemu) - SMP - Karty graficzne - Dyski twarde - CD, DVD - Urządzeń podłączonych do portu USB 38

39 Nowe kierunki Klaster VPN WĘZEŁ Grid, czyli siatka Serwer typu Blade 39

40 KLASTER Połączenie dwóch lub więcej komputerów tak, aby działały jak jeden. Klaster ma na celu połączenia mocy, dostępności, niezawodności komputerów (serwerów). Technologię klastrową stosuje się w przetwarzaniu równoległym, równowaŝeniu obciąŝenia i rozwiązaniach odpornych na uszkodzenia. Jest popularną strategią wdroŝenia przetwarzania równoległego, rozproszonego oraz siatek pozwala firmom wykorzystać dotychczasowe inwestycje w komputery. Ponadto, stosunkowo łatwo jest w tym przypadku dodać kolejne procesory. Wystarczy włączyć nowy komputer (serwer) do sieci. 40

41 Systemy Rozproszone (Distrubuted Systems) Obliczenia rozdzielone między wiele systemów (procesorów). Systemy luźno powiązane (loosely coupled) - kaŝdy procesor ma swoją własną pamięć operacyjną; Zalety rozwiązania: w róŝnych miejscach i czasie moŝna korzystać z róŝnych dostępnych zasobów; niezawodność systemu - w przypadku awarii danego serwera (komputera) on jest wyłączany z systemu. 41

42 Clusterix - cele projektu opracowanie narzędzi oraz mechanizmów umoŝliwiających wdroŝenie produkcyjnego środowiska typu Grid utworzonego z lokalnych klastrów PC, zlokalizowanych w wielu niezaleŝnych ośrodkach, geograficznie odległych. oprogramowanie zarządzające, obsługę dynamicznie zmieniającej się wielkości i konfiguracji infrastruktury sprzętowej (zmienna liczba węzłów, uŝytkowników, udostępnianych usług) integracja wszystkich istniejących juŝ klastrów PC (np. TASK- Gdańsk, Politechnika Częstochowska, ACK CYFRONET AGH, WCSS-Wrocław) w jedną, wyŝej zorganizowaną infrastrukturę. 42

43 Aplikacje do wykorzystania w sieci Grid modelowania zjawisk termomechanicznych w odlewach; projektowania zaawansowanych końcówek skrzydeł; symulacje wielkiej skali przepływu krwi w mikrokapilarach; wizualizacji złoŝonych struktur, wykorzystujące metody rozpoznawania obrazów; przewidywaniu struktury białek z sekwencji aminokwasowej oraz symulacji procesu zwijania białek; badanie właściwości molekularnych układów biologicznych o znaczeniu chemoterapeutycznym, autorstwa zespołu z Politechniki Gdańskiej 43

44 Rozwój technologii Przechowywania Danych Network storage focus Consolidation, Reducing Cost and Complexity of the Four Cs Continuity Security, Compliance NAS (Netwrok Attached Storage) Podłączone przez sieć urządzenie pamięci masowej (Network Attached Storage), czyli serwer dedykowany jedynie do współuŝytkowania plików. SAN (Storage Area Network) Sieć pamięci masowej jest częśćią sieci, składającą się ze współuŝytkowanych urządzeń pamięci masowych podłączonych do szybkiej sieci sieci o większej szybkości (FC Fibre Channel) 1 Gb/s (1000 MB/s). SAN udostępnia dyski dla wszystkich serwerów w LAN lub WAN. 44

45 Blade system jednopłytowy System komputerowy składający się z procesorów i pamięci znajdujących się ma jednej płycie, w którym inne zasoby (zasilanie, chłodzenie, dostęp do sieci i usługi pamięci masowej) są współuŝytkowane przez wiele płyt. Wyjmowanie i instalowanie systemów jednopłytowych jest łatwe, a poza tym są one mniejsze niŝ serwery montowane w stelaŝach (rack). 45

46 Wydajność systemów Jak mierzyć wydajność systemów Aplikacja - czas wykonywania typowych zadań Jakie czynniki decydują o wydajności / przy jakiego typu aplikacji? Pamięć operacyjna Operacje odczytu i zapisu na pamięciach masowych Karta grafiki Wydajność systemu - zaleŝy od wydajności najsłabszego ogniwa w systemie wąskiego gardła 46

47 Jak podchodzić do modernizacji systemu Mania rozbudowy Czy naprawdę potrzebujemy najwyŝszej wydajności? Do czego potrzebujemy, uŝywamy dany system? Modernizację systemu naleŝy przemyśleć. Wykrycie wąskiego gardła i jego eliminacja ma większy wpływ na wydajność systemu niŝ prosta zmiana procesora! Uwaga zasilanie! Jakie aplikacje uŝywamy na danym komputerze? Kiedy modernizacja poszczególnych elementów (modułów) systemu ma sens? Jaki jest sens zmiany modułu, ile zyskamy na wydajności - Szybszy procesor 50% /35% - Rozszerzenie pamięci - Wymiana karty graficznej Jaka jest cena rozbudowy systemu / wzrostu wydajności? 47

48 Idealny Komputer Wymagania Jakimi powinien sprostać idealny Komputer Wymagania Desktop Notebook Serwer Waga czynnika Pracować 24 godziny na dobę przez 7 X dni w tygodniu MoŜliwość wymiany podzespołów X podczas pracy, bez wyłączenia komputera Dysk HOT SWAP - Zasilacze - Karty sieciowe Moc, Ŝeby szybko i bezproblemowo X X X realizować Ŝądania uŝytkowników Pozwała w łatwy sposób wykonywać X X X kopię zapasową danych Cicha praca X X Oszczędzanie energii X Wydajne chłodzenie, zabezpieczenie X przed przegrzanie procesora(ów) przy naruszeniu pracy wentylatorów Uwagi 48

49 Literatura / Zasoby w Internecie Stallings, W.:Organizacja i architektura systemu komputerowego. Projektowanie systemu a jego wydajność, WNT, Warszawa 2003 Grand, J., Russell, R.:Rozbudowa komputerów PC, Helion, 2004 Metzger, P.: Anatomia PC, Helion, Gliwice, 2006 Analiza Skalowania Procesorów, Global grid Forum, koordynuje światowe pracy nad Gridami 49