Narzędzia informatyki

Transkrypt

1 Narzędzia informatyki dr inż. Anna Kobusińska Literatura Duch W., Fascynujący świat komputerów, Nakom, Poznań 1997 Skorupski P., Podstawy budowy i działania komputerów, WKiŁ, Warszawa 1997 Norton P., W sercu PC, Helion, Gliwice 1995 Rubin C., Podręcznik Microsoft: Excel 2000, Wyd. RM., Warszawa 1999 Dodge M., Stinson C., Podręcznik Microsoft: Word 2000, Wyd. RM, Warszawa 1999 Pfaffenberger B., Schafer S. M., White C., Karow B., HTML, XHTML i CSS. Biblia, Helion, Gliwice 2005 Naik D. C., Internet Standards and Protocols, Microsoft Press, Washington 1998 Null L., Lobur J., Struktura organizacyjna i architektura systemów komputerowych, Helion, 2004

2 Plan wykładu Budowa i zasada działania komputera Organizacja systemu komputerowego System operacyjny Informatyczne narzędzia biurowe: Microsoft Word Microsoft Excel Power Point Systemy rozproszone Sieci komputerowe usługi i protokoły Narzędzia informatyki Narzędzia informatyki Komputery Oprogramowanie

3 Komputer osobisty Urządzenia elektroniki użytkowej TECHNOLOGIA CYFROWA Wspólna platforma sprzętowa komputer telewizor cyfrowy sprzęt video sprzęt audio telekomunikacja fotografia cyfrowa inteligentny dom

4 Komputer: Komputer - trochę teorii elektroniczna maszyna licząca (ang. compute obliczać), urządzenie elektroniczne służące do automatycznego przetwarzania informacji (danych), przedstawionych cyfrowo (tzn. za pomocą odpowiednio zakodowanych liczb), wyposażone w możliwość wprowadzania, przechowywania i wyprowadzania danych Komputer - trochę teorii Słowo komputer pochodzi od łacińskiego computare (liczyć) i w XVII wieku przez francuskie compter zostało przejęte przez angielski [9]. Używane nazwy: - pomoc obliczeniowa, - aparat matematyczny, - mózg elektronowy, - maszyna matematyczna, - elektroniczna maszyna obliczeniowa, - elektroniczna maszyna cyfrowa - maszyna cyfrowa.

5 Komputery wczoraj i dziś Lampy elektronowe ( ) Komputery wczoraj i dziś Tranzystory ( ) Prototyp tranzystora Bell Labs, USA, 1947

6 Komputery wczoraj i dziś Układy scalone Układ scalony INTEL 4004, tranzystorów, pow. 3x4mm, 4 bity Komputery wczoraj i dziś Układy scalone PENTIUM, ,2 mln. tranzystorów, MHz

7 Komputery wczoraj i dziś Układy scalone Pentium 4, mln. tranzystorów, 3 GHz Komputery wczoraj i dziś Taśma perforowana Karta perforowana

8 Komputery wczoraj i dziś Eniac 1946 System komputerowy Osborne Komputery wczoraj i dziś Komputery współczesne

9 Teraźniejszość i przyszłość komputerów Palmtopy (handheld) Teraźniejszość i przyszłość komputerów Tablety

10 Ciekawostki Podział komputerów Ze względu na cenię i możliwości możemy podzielić komputery następująco: Komputery osobiste Superkomputery Wielkie komputery Desktop Klastry i gridy Notebook Minikomputer Palmtop Handheld Stacje robocze Barebone

11 Superkomputery komputer, który ma jedną z największych mocy obliczeniowych na świecie w danym momencie. Jest to pojęcie względne gdyż moc obliczeniowa komputerów rośnie nieustannie i dany superkomputer pozostaje w tej klasie zwykle tylko kilka lat. Za pierwszy superkomputer uznaje się CDC 6600 z 1963 roku(control Data Corporation. według projektu i pod ścisłym nadzorem Seymoura Craya maszyna wykonywała 3 miliony operacji na sekundę pierwszy komputer gdzie zastosowano tranzystory krzemowe technika chłodzenia podzespołów freonem Klastry komputerowe (ang. cluster) Grupa połączonych jednostek komputerowych, które współpracują ze sobą w celu udostępnienia zintegrowanego środowiska pracy. Komputery wchodzące w skład klastra (będące członkami klastra) nazywane są węzłami (ang. node).

12 Klastry komputerowe - podział Klastry wydajnościowe: pracujące jako komputer równoległy. Celem ich budowy jest zwiększenie mocy obliczeniowej. Wiele obecnych superkomputerów działa na tej zasadzie. Klastry niezawodnościowe: pracujące jako zespół komputerów dublujących nawzajem swoje funkcje. W razie awarii jednego z węzłów, następuje automatyczne przejęcie jego funkcji przez inne węzły. Grid (ang. grid) System przetwarzania danych, który integruje i zarządza zasobami będącymi pod kontrolą różnych domen (od instytucji po system operacyjny) połączony siecią komputerową, używa standardowych, otwartych protokołów i interfejsów ogólnego przeznaczenia (odkrywania i dostępu do zasobów, autoryzacji, uwierzytelniania) oraz dostarcza usług odpowiedniej jakości (QoS, oferuje usługi wyższego poziomu).

13 Grid Twórcą jest Ian Foster, profesor na Uniwersytecie w Chicago, naukowiec pracujący w ANL (ang. Argonne National Laboratory). Grid jest rozwinięciem idei klastra poza tradycyjne granice domeny. Pierwsze idee gridu: GIMPS (Great Internet Mersenne Prime Search) SETI@home (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) Stacja robocza Odmiana komputera osobistego wyposażona jednak CPU o dużej mocy obliczeniowej, monitor wysokiej klasy, dysk twardy o dużej pojemności oraz dużą ilość pamięci RAM.

14 Stacja robocza Stacje robocze są często wykorzystywane do tworzenia profesjonalnej grafiki i animacji telewizyjnych lub też do obliczeń numerycznych. Jedną z pierwszych takich stacji była 3Station firmy 3Com. Dzisiejsze stacje robocze wykorzystują interfejs SCSI lub światłowodowy do obsługi dysków twardych, wysokiej klasy akceleratory grafiki 3D, jeden lub więcej procesorów 64-bitowych i spore zasoby pamięci operacyjnej. Konieczne są też zaawansowane systemy chłodzenia. Mainframe komputer (ew. kilka) o dużej wydajności przetwarzania danych i większych możliwościach niż komputer domowy, którego celem jest świadczenie usług dużej liczbie użytkowników

15 Mainframe cechy W odróżnieniu od superkomputera Mainframe nie posiada dużej mocy obliczeniowej. Specjalizuje się w wydajnych operacjach I/O i bardzo wysokimi współczynnikami wielozadaniowości. Może obsługiwać dziesiątki tysięcy równolegle pracujących użytkowników zachowując równocześnie cały czas rozsądne czasy reakcji (poniżej 1 sekundy). Komputery klasy mainframe są ważnym elementem rynku biznesowego (ocenia się, że są odpowiedzialne za przetwarzanie prawie 90% krytycznych danych na tym rynku) ze względu na nieporównywalną z domowymi komputerami wydajność, łatwość zarządzania, możliwości rozbudowy i bezpieczeństwo. Serwer Komputer o dużej mocy przetwarzania udostępniający swoje usługi innym komputerom podłączonym do sieci. Wykorzystanie serwerów: serwery www serwery poczty serwery plików klastry obliczeniowe bazy danych firewalle serwer wydruku

16 Komputer osobisty i barebone Komputer osobisty komputer o stosunkowo niewielkiej mocy obliczeniowej, przeznaczony dla indywidualnego użytkownika. Barebone jest to rodzaj komputera osobistego, ale o bardzo małych wymiarach. Komputer taki ma zazwyczaj małe możliwości rozbudowy, ale zajmuje mało miejsca i może spełniać dodatkową rolę, np.: radia, odtwarzacza CD, bez konieczności uruchomienia systemu. Komputery przenośne Laptop Palmtop Tablet PC PDA

17 Przyszłość komputerów Komputer kwantowy Komputer kwantowy byłby urządzeniem, przy pomocy którego można by skutecznie symulować dowolny inny układ kwantowy w sposób niemożliwy dla klasycznych komputerów. Komputer optyczny Jego niewątpliwymi zaletami byłyby: odporność na zakłócenia elektromagnetyczne, szybkość (strumień fotonów porusza się znacznie szybciej niż elektrony i ma szersze pasmo) oraz to, że ten sam element może równolegle przetwarzać sygnały przenoszone przez światło o różnej długości fali. Komputer kwantowy Komputer kwantowy byłby urządzeniem, przy pomocy którego można by skutecznie symulować dowolny inny układ kwantowy w sposób niemożliwy dla klasycznych komputerów.

18 Architektura von Neumana Komputery różnią się wielkością, rozmiarem, ceną i wydajnością Przytłaczająca większość komputerów ogólnego przeznaczenia stanowi realizację modelu zaproponowanego przez Johna von Neumana i innych w 1946r. Architektura von Neumana W Elementy 1946 roku funkcjonalne John von Neumann w Princeton Institute for Advanced komputera: Studies zaprojektował komputer, który wykorzystywał program przechowywany w pamięci.

19 Architektura von Neumana Architektura von Neumanna rodzaj architektury komputera, przedstawionej po raz pierwszy w 1945 roku przez von Neumanna stworzonej wspólnie z Johnem W. Mauchly ym i Johnem Presper Eckertem. Inna spotykana nazwa: store-program computer (koncepcja przechowywanego programu) Architektura von Neumana Architektura von Neumanna zakłada podział komputera na trzy podstawowe części: procesor (w ramach którego wydzielona bywa część sterująca oraz arytmetyczno-logiczna) pamięć komputera (zawierająca dane i sam program) urządzenia wejścia/wyjścia

20 Architektura von Neumana Architektura von Neumana założenia Moduł kontrolny (jednostka sterująca; Control Unit): interpretuje rozkazy z pamięci i powoduje ich wykonanie Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU - Arithmetic Logic Unit): wykonuje działania na liczbach binarnych Pamięć (Memory): zawiera dane i program (instrukcje programu, rozkazy programu) Urządzenia wejścia-wyjścia (Input/Output): ich pracą kieruje jednostka sterująca Jednostka arytmetyczno-logiczna oraz sterująca tworzą obecnie procesor (CPU - Central Processing Unit)

21 Architektura von Neumana Charakterystyka systemu komputerowego zbudowanego w oparciu o architekturę von Neumanna: instrukcje tworzące program są przechowywane w pamięci w taki sam sposób, jak dane. pamięć składa się z pewnej liczby ponumerowanych komórek dostęp do pamięci następuje poprzez podanie przez procesor numeru komórki numer komórki nazywamy adresem Architektura von Neumana Z powyższych postulatów wynika w praktyce, że: zazwyczaj komputer będzie pobierał kolejne instrukcje programu z kolejnych komórek pamięci komórki te będą wybierane przez zwiększający się adres, który powinien być przechowywany i inkrementowany w procesorze adres ten jest przechowywany w specjalnym rejestrze - tzw. liczniku instrukcji (Program Counter- PC)

22 Architektura harwardzka Realizacja maszyny von Neumanna z oddzielnymi hierarchiami pamięci programu i danych Nazwa architektury pochodzi od nazwy komputera Harward Mark I, zaprojektowanego przez Howarda Aikena, w którym: pamięć instrukcji stanowiła taśma dziurkowana pamięć danych elektromechaniczne liczniki Architektura harwardzka

23 Architektura harwardzka Pamięci przeznaczone do przechowywania danych i instrukcji nie muszą być takie same, mogą różnić się technologią wykonania, strukturą adresowania, długością słowa Pamięć na instrukcje jest zazwyczaj większa niż pamięć na dane Pamięć instrukcji i danych zajmują inną przestrzeń adresową Procesor może w tym samym czasie czytać instrukcje oraz uzyskiwać dostęp do danych Architektura harwardzka Dzięki prostszej budowie oraz możliwości jednoczesnego odczytywania instrukcji i danych architektura harwardzka jest szybsza od architektury von Neumanna Architektura harwardzka jest stosowana w mikrokomputerach jednoukładowych, procesorach sygnałowych oraz przy dostępie procesora do pamięci cache

24 Architektura Princeton Wzorcowa realizacja maszyny von Neumanna ze wspólną hierarchią pamięci instrukcji i danych Wspólna hierarchia wyklucza równoczesne pobieranie instrukcji i operacje na danych (tzw. von Neumann bottleneck). Nieograniczone możliwości modyfikacji programu: obiekt zapisany przez procesor danych do hierarchii pamięci jako dana może być następnie pobrany przez procesor instrukcji jako instrukcja możliwość programowania - potrzebna w komputerach uniwersalnych program może sam siebie modyfikować (automodyfikacja) - nie zawsze jest to pożądana cecha Architektura Princeton

25 Różnice pomiędzy architekturą von Neumanna i harvardzką Pamięć instrukcji i pamięć danych zajmują różne przestrzenie adresowe Pamięć instrukcji i pamięć danych mają oddzielne szyny (magistrale) do procesora Pamięć instrukcji i pamięć danych są zaimplementowane w inny sposób Zmodyfikowana architektura harvardzka (mieszana) łączy w sobie cechy architektury harwardzkiej i architektury von Neumanna charakteryzuje się oddzieloną pamięcią danych i rozkazów, (pamięci te wykorzystują jednak wspólną magistralę danych i adresową) pozwala na dostęp do pamięci instrukcji tak jakby były to dane

26 Zmodyfikowana architektura harvardzka (mieszana) część pamięci instrukcji może zawierać stałe dane, np. łańcuchy znaków, które mogą być przesyłane bezpośrednio do procesora z pominięciem pamięci na dane - zapewnia to oszczędność pamięci na dane zazwyczaj w architekturze harwardzkiej pamięć instrukcji jest tylko do odczytu, a pamięć danych do odczytu i zapisu stwarza to problemy z inicjalizacją wartości w pamięci danych rozwiązaniem powyższego problemu jest właśnie dodanie odpowiednich połączeń i instrukcji umożliwiających przesyłanie danych z pamięci instrukcji do pamięci danych Architektura von Neumanna i harvardzka - podsumowanie W obecnie stosowanych procesorach występują elementy obu architektur: von Neumanna i harwardzkiej Pamięć operacyjna komputera jest to typowa architektura von Neumanna Pamięć cache jest podzielona na pamięć instrukcji i pamięć danych jeśli danych nie ma w pamięci cache to są ściągane z pamięci głównej

27 Architektura von Neumanna i harvardzka - podsumowanie Z punktu widzenia programisty posługujemy się architekturą von Neumana, zaś implementacje sprzętowe zawierają architekturę harwardzką Większość stosowanych obecnie mikrokontrolerow jest oparta na zmodyfikowanej architekturze harwardzkiej Struktura systemu komputerowego Przedstawienie struktury i zasady działania komputerów jest zagadnieniem skomplikowanym, ponieważ: istnieje ogromna różnorodność sprzętu komputerowego (od komputerów masywnie równoległych do zwykłych komputerów PC) technika komputerowa rozwija się bardzo szybko, ciągle pojawiają się nowe technologie, interfejsy, standardy komputer jest systemem złożonym z bardzo dużej liczby elementów

28 Struktura systemu komputerowego Z powyższych powodów zazwyczaj przedstawia się hierarchiczną strukturę systemu komputerowego system hierarchiczny jest to układ wzajemnie powiązanych podsystemów, z których każdy ma również strukturę hierarchiczną na każdym poziomie określana jest struktura składników systemu (sposób ich wzajemnego powiązania) oraz funkcje składników systemu (działanie poszczególnych składników jako części struktury) Hierarchiczna struktura przedstawiana jest od góry do dołu Architektura komputera odnosi się do atrybutów systemu, które są widzialne dla programisty i mają bezpośredni wpływ na logiczne wykonywanie programu do atrybutów architektury należą m.in. lista rozkazów, liczba bitów wykorzystywanych do prezentacji różnych typów danych, mechanizmy wejścia/wyjścia, metody adresowania pamięci

29 Organizacja komputera odnosi się do jednostek operacyjnych i ich połączeń, które stanowią realizację specyfikacji typu architektury atrybuty organizacyjne są to rozwiązania sprzętowe niewidzialne dla programisty, np. sygnały sterujące, interfejsy między komputerem a urządzeniami peryferyjnymi, wykorzystywana technologia pamięci Funkcjonowanie komputera Funkcje realizowane przez komputer: przetwarzanie danych przechowywanie danych (krótkotrwałe lub długotrwałe) przenoszenie danych (pomiędzy komputerem a światem zewnętrznym) urządzenia peryferyjne - proces wejścia/wyjścia duża odległość - transmisja danych sterowanie (trzema powyższymi funkcjami)

30 Struktura komputera Komputer składa się z czterech głównych składników: procesor (jednostka centralna, CPU) steruje działaniem komputera i realizuje funkcje przetwarzania danych pamięć główna przechowuje dane wejście-wyjście przenosi dane między komputerem a jego otoczeniem zewnętrznym magistrala systemowa - połączenia systemu; wszystkie mechanizmy zapewniające komunikację między jednostką centralną, pamięcią główną a wejściemwyjściem Wszystkie powyższe składniki mogą występować w komputerze pojedynczo lub w większej liczbie Architektura komputera z punktu widzenia poziomu maszynowego pamięć magistrala procesor DMA urządzenia wejścia-wyjścia sterownik przerwań

31 Architektura komputera Komputer złożony z pamięci, procesora i układów wejścia/wyjścia będzie prawidłowo funkcjonował, o ile coś nada mu rytm pracy tym elementem jest zegar systemowy. procesor układ elektroniczny realizujący przetwarzanie informacji pamięć przechowywanie informacji. układy wejścia/wyjścia (I/O) komunikacja z otoczeniem. Częstotliwość cyklu zegarowego Podstawowa szybkość w cyklach na sekundę, z jaką komputer wykonuje podstawowe operacje. Szybkość komputera mierzona jest w procesor następujących układ elektroniczny jednostkach: realizujący MIPS przetwarzanie (Milion Instructions informacji per Second) milionów rozkazów procesora wykonywanych przez pamięć sekundę przechowywanie informacji. Megaflop- jednostka szybkości działania układy komputera wejścia/wyjścia równa 1,048,576 (I/O) komunikacja operacji z zmiennoprzecinkowych na otoczeniem. sekundę

32 Jak działa komputer? Struktura procesora Główne składniki strukturalne procesora to: jednostka sterująca - steruje działaniem procesora i pośrednio całego komputera jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) - realizuje funkcję przetwarzania danych przez komputer rejestry - realizują wewnętrzne przechowywanie danych w procesorze połączenia procesora wszystkie mechanizmy zapewniające komunikację między jednostką sterującą, ALU i rejestrami

33 Klasyfikacja rejestrów procesora Rejestry ogólnego przeznaczenia (ang. general purpose registers) mogą przechowywać dowolne wartości (np. tymczasowe wyniki), a ich zawartość nie ma bezpośredniego wpływu na sposób przetwarzania lub wybór danych Rejestry specjalnego przeznaczenia (ang. special purpose registers) rejestry, które pełnią szczególną rolę w czasie wykonywania programu (np. licznik rozkazów, wskaźnik stosu) Rejestry ogólnego przeznaczenia ze specyficzną funkcjonalnością mogą na ogół przechowywać dowolne wartości, ale spełniają szczególną funkcję w czasie wykonywania niektórych instrukcji (np. licznik pętli, rejestr bazowy) Typowe rejestry procesora Akumulator przechowuje operand lub wynik operacji arytmetycznej Licznik rozkazów zawiera adres następnej instrukcji do wykonania Rejestr flagowy zawiera bity, które są ustawiane w celu zasygnalizowania specyficznego stanu przetwarzania (np. przeniesienie, przepełnienie, bit znaku, bit przerwania itp.)

34 Budowa procesora jednostka zarządzania pamięcią (MMU) magistrala systemowa PROCESOR jednostka adresowa jednostka arytmetycznologiczna (ALU) rejestry jednostka sterująca Zasada działania komputera Podstawowe zadanie komputera to wykonywanie programu Program składa się z zestawu rozkazów przechowywanych w pamięci Programy przekazują rozkazy do procesora Rozkazy są przetwarzane w dwu krokach:

35 Cykl pobrania (ang. fetch) odczytanie rozkazu z pamięci licznik programu (PC) pozwala na śledzenie, który rozkaz ma być pobrany jeśli procesor nie otrzyma innego polecenia, to powoduje inkrementację licznika PC po każdym pobraniu rozkazu i wykonuje następny rozkaz w ciągu Cykl wykonania (ang. execution) może zawierać kilka operacji, jest zależny od natury rozkazu pobrany rozkaz jest ładowany do rejestru w procesorze zwanego rejestrem rozkazu (IR) rozkaz ma formę kodu binarnego określającego działania, które ma podjąć procesor procesor interpretuje rozkaz i przeprowadza wymagane działania

36 Działanie komputera W celu przyspieszenia pracy systemu stosuje się tzw. wstępne pobranie instrukcji (ang. prefetching) Działanie komputera Działania procesora można podzielić na cztery grupy: procesor-pamięć -przesłanie danych z procesora do pamięci lub odwrotnie procesor-we/wy - przesłanie danych z procesora do modułu we/wy lub odwrotnie przetwarzanie danych - operacje arytmetyczne lub logiczne na danych sterowanie - np. zmiana sekwencji wykonywania programu, czyli pobranie innego rozkazu niż kolejny Wykonywanie rozkazów może zawierać kombinacje powyższych działań

37 Graf stanów cyklu wykonania rozkazu (3) - analizowanie rozkazu w celu określenia rodzaju operacji, która ma być wykonana oraz w celu określenia argumentu (jednego lub kilku) (8) - zapisanie wyniku w pamięci lub skierowanie go do urządzeń we/wy Graf stanów cyklu wykonania rozkazu Mogą wystąpić sytuacje, w których jeden rozkaz może określać operacje na wektorze liczb lub na szeregu znaków, co wymaga powtarzania operacji pobrania i/lub przechowywania

38 Podział rozkazów procesora Rozkazy transferu (kopiowania) danych wewnętrznie pomiędzy rejestrami pomiędzy rejestrami a pamięcią pomiędzy rejestrami a portami wejścia-wyjścia Rozkazy przetwarzania danych rozkazy arytmetyczne dodawanie, odejmowanie, mnożenie, dzielenie, inkrementacja itp. bitowe rozkazy logiczne AND, OR, XOR, NOT itp. Rozkazy porównania Rozkazy przekazywania sterowania rozkazy skoków i rozgałęzień warunkowych rozkazy wywołania podprogramu i powrotu z podprogramu Tryby adresowania Każdy rozkaz przechowywany jest w postaci binarnej, ma określony format i używa określonego trybu adresowania Format rozkazu jest to sposób rozmieszczenia informacji w kodzie rozkazu Rozkaz zawiera: kod operacji - rodzaj wykonywanej operacji operandy - argumenty lub adresy argumentów wykonywanych operacji kod operand Tryb adresowania - sposób uzyskiwania argumentów z pamięci

39 Tryby adresowania Jeśli argument można uzyskiwać na wiele sposobów, czyli procesor ma dużo trybów adresowania, to programowanie jest łatwiejsze i bardziej efektywne. Tryby adresowania: natychmiastowy bezpośredni rejestrowy pośredni rejestrowy pośredni Tryb natychmiastowy Operand znajduję się w pamięci wraz z kodem rozkazu (stanowi składową samego rozkazu) kod rozkaz operand

40 Tryb bezpośredni Operand znajduję się w pamięci pod adresem wskazanym bezpośrednio w rozkazie kod rozkaz adres pamięć operand Tryb pośredni Operand znajduje się w pamięci pod adresem przechowywanym w miejscu wskazanym w rozkazie. kod rozkaz adres pamięć adres operand

41 Tryb rejestrowy Operand znajduje się w jednym z rejestrów procesora, wskazanym odpowiednio w rozkazie kod rozkaz nr rejestru rejestry operand Tryb rejestrowy pośredni Operand znajduję się w pamięci pod adresem przechowywanym w jednym z rejestrów, wskazanym w rozkazie rejestry kod rozkaz nr rejestru pamięć adres operand

42 Tryb indeksowy Operand znajduje się w pamięci pod adresem przesuniętym o pewną wartość podaną w rozkazie w stosunku do adresu przechowywanego w jednym z rejestrów, również wskazanym w kodzie rozkazu (adres operandu jest sumą zawartości rejestru oraz przesunięcia) rozkaz rejestry kod nr rejestru adres indeks pamięć operand Przerwania a działanie komputera Wykonywanie kolejnych rozkazów przez procesor może być przerwane poprzez wystąpienie tzw. przerwania Przerwania zostały zaimplementowane w celu poprawienia efektywności przetwarzania Poprzez wykorzystanie przerwań procesor może wykonywać inne rozkazy, gdy jest realizowana operacja we/wy

43 Klasy przerwań Wyróżniane klasy przerwań: programowe - generowane po wystąpieniu błędu podczas wykonania rozkazu (np. przepełnienie arytmetyczne, dzielenie przez zero) zegarowe - generowane przez wewnętrzny zegar procesora we/wy - generowane przez sterownik we/wy w celu zasygnalizowania normalnego zakończenia operacji lub zasygnalizowania błędu uszkodzenie sprzętu - generowane przez uszkodzenie, np. defekt zasilania, błąd parzystości pamięci Cykl przerwania W celu realizacji przerwania do cyklu rozkazu jest dodawany cykl przerwania - po sygnale przerwania procesor: zawiesza wykonanie bieżącego programu i zachowuje jego kontekst ustawia licznik programu na początkowy adres programu obsługi przerwania wykonuje program obsługi przerwania wznawia wykonywanie programu użytkowego

44 Realizacja przerwania Przerwania wielokrotne Podczas obsługi jednego przerwania może pojawić się sygnał kolejnego przerwania Problem przerwań wielokrotnych rozwiązywany jest na dwa sposoby: Pomimo przetwarzania przerwania uniemożliwienie innych przerwań Określenie priorytetów przerwań - przerwanie o wyższym priorytecie powoduje przerwanie programu obsługi przerwania o niższym priorytecie

45 Pamięć podręczna Czas przetwarzania jednego rozkazu nie jest zwykle dłuższy od pojedynczego cyklu zegarowego (5ns przy częstotliwości 200 MHz). Czas oczekiwania na kolejna porcję danych z pamięci może być parokrotnie dłuższy. Rozwiązanie wprowadzenie pamięci cache Cache to podręczna pamięć procesora. Charakteryzuje się wyjątkowo krótkim czasem dostępu (poniżej 10 ns). Jest ona używana do przechowywania danych, które będą niedługim czasie przetwarzane. Pamięć podręczna pamięć podręczna zawiera kopię części zawartości pamięci głównej przed odczytaniem słowa z pamięci następuje sprawdzenie czy znajduje się ono w pamięci podręcznej jeśli tak, to jest przesyłane do procesora jeśli nie, to blok pamięci głównej (ustalona liczba słów) jest wczytywany do pamięci podręcznej, a następnie słowo jest przesyłane do procesora

46 Rodzaje pamięci podręcznej Rozróżniamy trzy rodzaje pamięci Cache: Pierwszego poziomu (Cache L1) Drugiego poziomu (Cache L2) Trzeciego poziomu (Cache L3) Pamięć podręczna L1 Pierwszego poziomu (Cache L1) zintegrowana z procesorem z którym porozumiewa się z częstotliwością równą częstotliwości wewnętrznej procesora Tego typu pamięć ma zwykle pojemność od 16 do 64 KB.

47 Pamięć podręczna L2 Drugiego poziomu (Cache L2) znajdująca się zwykle na płycie głównej gdzie z procesorem porozumiewa się z częstotliwością taktowania zewnętrznego. Od momentu pojawienia się Pentium II na stałe jest wbudowana w procesor. W nowoczesnych komputerach jej pojemność wynosi zwykle 512, a czasem nawet 1024 KB. Pamięć podręczna L3 Trzeciego poziomu (Cache L3) umieszczana jest najczęściej na płycie głównej komputera. Pamięć L3 to rozszerzenie pamięci L2 i stosuje się ją wtedy, gdy pamięć L2 jest zintegrowana z procesorem. Wielkość pamięci L3 wynosi od 512 kb do 2 MB.

48 Wydajność procesora Parametry wpływające na wydajność procesora (szybkość wykonywania operacji): szybkość (częstotliwość taktowania MHz) Wszystkie operacje wykonywane przez procesor synchronizowane są impulsami przychodzącymi z zegara. Jedna instrukcja jest wykonywana w czasie kilku taktów zegara. Dlatego, gdy jego częstotliwość jest większa, procesor pracuje szybciej. wielkość magistrali danych (liczba przesyłanych jednocześnie bitów), częstotliwość taktowania magistrali danych (szybkość przekazywania danych do urządzeń wejściowych i wyjściowych) wielkość pamięci CACHE: L1, L2 i L3 Prawo Moore a W 1965 roku Roger Moore, współzałożyciel firmy Intel, wyraził hipotezę dotyczącą rozwoju technologii produkcji układów elektronicznych. Główne założenia Moore'a: Podwojenie ilości tranzystorów w układzie scalonym co dwa lata Podwojenie mocy obliczeniowej procesora co 1,5 roku Czterokrotne zwiększenie ilości pamięci komputera co 3 lata Podwojenie wydajności pamięci operacyjnej co 10 lat Podwojenie wydajności kompletnego komputera w stosunku do jego ceny w okresie krótszym niż dwa lata

49 Prawo Moore a na wykresie Intel 4004 pierwszy mikroprocesor powstał w 1971 roku 4-bitowy 2300 tranzystorów częstotliwość : 740 khz 46 instrukcji najdroższy (!!!) procesor w chwili obecnej :)

50 F14 CADC F14A Central Air Data Computer (1970) ujawniony w bitowym układ z techniką potokową Przykłady procesorów June Mhz / 12 Mhz brak 29,000 3 µ Intel 8086 April MHz/ 2.2GHz 128KB / 256KB 7 500,000 milion 0.25, 0.18, 0.13 µ Intel Celeron February MHz / 25 MHz brak 134, µ Intel September MHz / 2.8GHz 256 Kb / 2 Mb L , , 0.18, 0.13 µ Intel Xeon March Mhz / 266Mhz 8Kb 3 100, , 0.35, 0.28, 0.25µ Intel Pentium June MHz / 1.3GHz 128KB L1, 64KB L , µ AMD Duron

51 Solo, Duo, Quadro January GHz / 2.5GHz 64K / 2048K ,000 0,065 µ June GHz / 2.93GHz 64K / 4048K ,000 0,065 µ Przyszłość

52 Czy istnieje granica szybkości? Częstotliwość x Liczba Wydajność instrukcji w cyklu Zużycie energii Pojemność dynamiczna x Napięcie 2 x Częstotliwość Precyzja wykonania procesora

53 Jak duży jest nanometr? Cleanroom

54 Lp Komputer Kraj Rok Procesory Moc [Tflop/s] BladeCenter QS22/LS21 Cluster, PowerXCell 8i USA DOE/NNSA/LANL / IBM 2 eserver Blue Gene Solution DOE/NNSA/LLNL / IBM USA Blue Gene/P Solution Argonne National Laboratory / IBM USA SunBlade x6420, Opteron Quad 2Ghz, Infiniband Texas Advanced Computing Center/Univ. of Texas / Sun Mic USA Cray XT4 QuadCore 2.1 GHz DOE/Oak Ridge National Laboratory / Cray Inc. USA RoadRunner Supercomputer

55 Klocki dla dużych dzieci? Trendy

56 Architektura procesorów Szybkość procesora zależy od szybkości zegara, ale też od architektury procesora, czyli wewnętrznej, sprzętowej implementacji danego modelu programowego, określającego sposób wykonywania operacji przez procesor, szczegółową budowę wewnętrzną procesora itd. Ze względu na architekturę procesory można wyróżnić trzy główne podejścia: CISC RISC VLIW EPIC CISC - Complex Instruction Set Computers duża liczba rozkazów (instrukcji) mała optymalizacja - niektóre rozkazy potrzebują dużej liczby cykli procesora do wykonania występowanie złożonych, specjalistycznych rozkazów duża liczba trybów adresowania do pamięci może się odwoływać bezpośrednio duża liczba rozkazów mniejsza od procesorów RISC częstotliwość taktowania procesora powolne działanie dekodera rozkazów

57 Procesory rodziny CISC Przykłady rodzin procesorów o architekturze CISC: AMD x86 M68000 RISC - Reduced Instruction Set Computers Zredukowana liczba rozkazów do niezbędnego minimum - upraszcza to znacznie konstrukcję procesora. Redukcja trybów adresowania - większość operacji wykonuje się wg schematu: rejestrc = rejestra operacja rejestrb. Ograniczenie komunikacji pomiędzy pamięcią a procesorem. Do przesyłania danych pomiędzy pamięcią a rejestrami służą instrukcje Load (załaduj z pamięci) oraz store (zapisz do pamięci); pozostałe instrukcje operują wyłącznie na rejestrach.

58 RISC - Reduced Instruction Set Computers Schemat działania załaduj daną z pamięci do rejestru, na zawartości rejestru wykonaj działanie, przepisz wynik z rejestru do pamięci. Zwiększenie liczby rejestrów (np. 32, 192, 256, x86 jest 8), co również ma wpływ na zmniejszenie liczby odwołań do pamięci RISC - Reduced Instruction Set Computers Podejście RISC wprowadzono na początku lat 80tych XX wieku (projekt IBM 801, architektury MIPS i Berkeley RISC). Ważniejsze współczesne architektury RISC: MIPS SPARC ARM