Plan wykladu. Architektura komputero w. Komputer. System komputerowy OPROGRAMOWANIE KOMPUTER KOMPUTER. Systemy komputerowe. Typy komputero w.

Transkrypt

1 1 Podstawowe pojecia Typy komputero w 2 Maszyna von Neumanna Organizacja pamieci w maszynie von Neumanna Klasyfikacja Flynna 3 Architektura pamieciocentryczna Architektury szynowe Architektury z polaczeniem punkt-punkt 4 Przeglad architektur Poznan rok akademicki 2009/2010 System komputerowy Komputer Co to jest? KOMPUTER + OPROGRAMOWANIE KOMPUTER Komputer (z ang. computer od lac. computare obliczac dawne nazwy: mo zg elektronowy elektroniczna maszyna cyfrowa maszyna matematyczna) - urzadzenie elektroniczne sluz ace do przetwarzania wszelkich informacji kto re da sie zapisac w formie ciagu cyfr albo sygnalu ciag lego.

2 Typy komputerów Superkomputer Superkomputery - stosowane w nauce (astronomia bioinformatyka). Duże komputery (ang. mainframe) - stosowane np. w bankowości. Minikomputery - stosowane jako serwery do obs lugi mniejszych firm sieci komputerowych. Mikrokomptery - przeznaczone dla pojedynczego użytkownika (PC) desktop laptop palmtop. Komputery wbudowane (ang. embedded) - komputery bed ace integralna cześci a obs lugiwanego przez nie sprzetu. Columbia - superkomputer NASA wykorzystujacy moc procesorów Intel R Itanium R 2. Superkomputer - komputer o bardzo wielkiej mocy obliczeniowej. Postep technologiczny w dziedzinie informatyki jest tak wielki że zaliczane jeszcze kilkanaście lat temu do klasy superkomputerów dziś ledwie moga pod wzgledem wydajności konkurować z komputerami osobistymi. Dla przykladu moc obliczeniowa jednego z najbardziej wydajnych superkomputerów lat osiemdziesiatych Craya-2 wynosi la okolo 4 gigaflopsów czyli jest porównywalna z moca stacji graficznej. Mainframe Minikomputer Honeywell-Bull DPS 7 mainframe Mainframe - komputery używane g lównie przez duże organizacje dla krytycznych aplikacji (np. finansowych statystycznych). duża wydajność przetwarzania danych wi eksze możliwości niż PC świadczenie us lug dużej liczbie użytkowników moc obliczeniowa mniejsza niż superkomputera specjalizuje si e w wydajnych operacjach I/O wysokie wspólczynniki wielozadaniowości może z powodzeniem obs lugiwać dziesiatki tysiecy równolegle pracujacych użytkowników zachowujac równocześnie ca ly czas rozsadne czasy reakcji (poniżej 1 sekundy). HP 9000 D230 - cz esto wykorzystywany jako serwer. Minikomputer to powsta ly pod koniec lat 50. odpowiednik komputera osobistego wykonany na tranzystorach lub uk ladach scalonych ma lej (SSI) i średniej (MSI) skali integracji. Cz esto by l wykonywany jako komputer specjalizowany np. automat obrachunkowy analizator widma. Poczatkowo jednostanowiskowy w miar e wzrostu mocy obliczeniowej przejmowa l rol e mniejszych maszyn mainframe. Aktualnie rzadko stosowany plasuje si e mi edzy komputerem osobistym a mainframe.

3 Mikrokomputer desktop palmtop Oparty jest na mikroprocesorze (lub mikrokontrolerze) zaprogramowanym do wykonywania ograniczonej liczby zadan (nawet do jednego). Moz e zawierac oprogramowanie dedykowane wylacznie temu urzadzeniu (firmware) lub system operacyjny wraz ze specjalizowanym oprogramowaniem. Ogo lna zasada jest iz im mniej zloz one i specjalizowane jest oprogramowanie tym bardziej system jest niezawodny oraz moz e szybciej reagowac na zdarzenia krytyczne. Za pierwszy komputer wbudowany uznaje sie ten kto ry sterowal amerykan skim statkiem kosmicznym Apollo. Mikrokomputer- komputer zbudowany na mikroprocesorze. Komputer osobisty (ang. Personal Computer stad skro t PC i powszechne polskie okres lenie pecet) nastepca minikomputera przeznaczony przede wszystkim do uz ytku osobistego domowego i biurowego moz e byc : laptop System wbudowany w pocisku balistycznym Minuteman I przenos ny (laptop tablet palmtop) Komputer (system) wbudowany (embedded) stacjonarny (desktop) tablet Maszyna von Neumanna Architektura maszyny von Neumanna Maszyna zaproponowana przez von Neumanna w 1946 r. posiada nastepuj ace cechy: wykorzystuje model obliczen zaproponowany przez Turinga dane i rozkazy wykonuje obliczenia zgodnie z programem Pamiec pamiec sklada sie z pewnej liczby ponumerowanych komo rek glo wna dostep nastepuje poprzez podanie numeru do pamieci komo rki czyli adresu adres jest przechowywany i inkrementowany w specjalnym rejestrze procesora zwanym liczniku instrukcji (PC - Program Counter). Urzadzenia Jednostka arytmetyczno wejs cia -wyjs cia -logiczna program jest przechowywany w pamieci razem z danymi rozkazy sygnaly sterujace Programowa adresy jednostka sterujaca Procesor

4 Architektura wspó lczesnego komputera Organizacja pami eci w maszynie von Neumanna szyna sterujaca szyna adresowa szyna danych Dwa warianty architektury von Neumanna różnia sie sposobem przechowywania instrukcji i danych: Architektura Harvard - oddzielne hierarchie pami eci danych i rozkazów Architektura Princeton - wspólna hierarchia pami eci danych i rozkazów. Pami eć Procesor I/O Architektura harwardzka charakteryzuje sie oddzieleniem pamieci danych od pamieci rozkazów z tego wzgledu czasami jest uważana za niezgodna z koncepcja von Neumanna jest szybsza od klasycznej architektury von Neumanna bo można równocześnie pobierać dane i rozkazy nie ma możliwości programowania bo nie ma możliwości zapisu instrukcji do pamieci instrukcji - komputer jest dostarczany ze sta lym programem by la podstawowa architektura komputerów zerowej generacji i w poczatkach pierwszej generacji jest wykorzystywana w procesorach sygna lowych oraz mikrokomputerach jednouk ladowych (pojedynczy uk lad scalony). Architektura Princeton charakteryzuje sie wspólna pamieci a danych i rozkazów jest wzorcowa realizacja koncepcji von Neumanna nie można równocześnie pobierać danych i rozkazów - von Neumann bottleneck nieograniczone możliwości modyfikacji programu obiekt zapisany jako dana może być pobrany jako instrukcja wykorzystywana w komputerach uniwersalnych.

5 Za lożenia Klasyfikacja zaproponowana przez Michaela J. Flynna ok r. zak lada że komputer jest urzadzeniem przetwarzajacym strumienie danych na podstawie strumieni instrukcji klasyfikuje komputery ze wzgl edu na liczb e strumieni instrukcji i danych liczba strumieni może wynosić 1 lub n (wi ecej niż 1). Liczba strumieni danych 1 n SISD SIMD 1 Single Instruction stream Single Instruction stream Liczba Single Data stream Multiple Data streams strumieni MISD MIMD instrukcji n Multiple Instruction stream Multiple Instruction stream Single Data stream Multiple Data streams Opis architektur Flynna Architektura pami eciocentryczna (lata 1960) SISD pojedynczy strumień danych i instrukcji klasyczny komputer von Neumanna najbardziej rozpowszechniony typ architektury. SIMD pojedynczy strumień instrukcji i wiele strumieni danych jedna instrukcja powoduje wykonanie tej samej operacji na wielu kompletach danych np. procesor wektorowy lub macierzowy. MISD pojedynczy strumień danych ale wiele instrukcji nie bardzo wiadomo co to jest (procesor potokowy). MIMD wiele strumieni danych i instrukcji np. wieloprocesor wielokomputer.

6 Architektura pami eciocentryczna Architektura szynowa (lata 1970) centrum komputera stanowi pamieć wyposażona w kilka portów umożliwiajacych po l aczenie jej z kilkoma urzadzeniami do pamieci sa do l aczone: procesor kana ly wejścia-wyjścia (specjalizowane procesory transmitujace dane pomiadzy urzadzeniami zewnetrznymi i pamieci a komputera) każde z urzadzeń mia lo wówczas rozmiar pokaźnej szafy szybka wymiana danych z urzadzeniami zewnetrznymi (bezpośredni dostep do pamieci) ma la elastyczność konfiguracji wynikajaca z liczby interfejsów pamieci wysoki koszt Architektura szynowa Architektura szynowa - w lasności wprowadzona na szeroka skale w mikrokomputerach (PDP-9 PDP-11) podstawowym elementem komputera jest szyna czyli zespó l przewodów po l aczonych gniazdami komputer sk lada sie z modu lów do l aczonych do szyny: jednego lub kilku procesorów bloków pamieci i sterowników wejścia-wyjścia pamieci i sterowniki urzadzeń sa widziane przez procesor w podobny sposób jako lokacje w przestrzeni adresowej komputer ma postać kasety lub szafy z wymiennymi modu lami - szufladami latwa rekonfiguracja i rozbudowa komputera stosunkowo niska cena sterowniki urzadzeń wejścia-wyjścia widziane widziane przez procesor tak samo jak pamieć wygodny model logiczny niezależnie od fizycznej implementacji - wszystkie wspó lczesne komputery maja model logiczny bazujacy na modelu szynowym jest typowa dla mikrokomputerów i systemów mikroprocesorowych (w komputerach osobistych by la stosowana do ok r.)

7 Architektura szynowa - problemy Architektura dwuszynowa (lata ) d lugość i struktura po l aczeń ogranicza szybkość transmisji (zjawiska falowe indukcja) dysproporcja wydajności procesora i pamieci jest poglebiana przez wolna transmisje danych na szynie krytyczna jest szybkość dostepu procesora do pamieci - komunikacja z urzadzeniami wejścia - wyjścia zachodzi dużo rzadziej może być stosowana przy czestotliwościach transmisji nie przekraczajacych kilku - kilkunastu MHz d lugość szyny wynika z konieczności do l aczenia wielu urzadzeń Architektura dwuszynowa Architektura trójszynowa (lata ) szybka krótka szyna o dużej wydajności l aczy procesor (lub procesory) z pamieci a (i ew. kieszenia) do d luższej wolniejszej szyny sa do l aczone sterowniki urzadzeń wejścia - wyjścia obie szyny sa po l aczone uk ladem tzw. mostu logicznie obie szyny sa widziane przez procesor jak jedna szyna (różnia sie parametrami elektrycznymi i wydajnościa) architektura stosowana w komputerach typu PC w latach problem: niektóre urzadzenia wejścia - wyjścia wymagaja bardzo szybkiej transmisji

8 Architektura trójszynowa trzy szyny: pamieci i procesora szybkich urzadzeń zewnetrznych (PCI) wolnych urzadzeń zewnetrznych (ISA) Architektura trójszynowa stosowana w komputerach typu PC w latach problemy: szybka szyna zbyt wolna dla podsystemu graficznego wobec rosnacej integracji wolna szyna staje sie zbedna Gniazda: Peripheral Component Interconnect Industry Standard Architecture dwa mosty: pó lnocny - l aczy szyne procesora z szyna szybkich urzadzeń po ludniowy - l aczy szyne szybkich urzadzeń z szyna wolnych urzadzeń Architektura komputera PC (2004) Architektura z po l aczeniem punkt-punkt nie ma szyny wolnych urzadzeń wejścia-wyjścia cześć po l aczeń szynowych zastapiono po l aczeniami typu punkt-punkt o dużo wiekszej przepustowości most pó lnocny zawiera sterownik pami eci uk lad nazywany mostem po ludniowym nie pe lni roli mostu pomiedzy szynami lecz zawiera sterowniki wiekszości niezbednych w komputerze PC urzadzeń zewnetrznych Accelerated Graphics Port (AGP czasem nazywany Advanced Graphics Port) to rodzaj zmodyfikowanej magistrali PCI opracowanej przez firme Intel. Jest to 32-bitowa magistrala PCI zoptymalizowana do szybkiego przesy lania dużych ilości danych pomiedzy pamieci a operacyjna a karta graficzna. Rysunek przedstawia po lożenie AGP na p lycie g lównej PC.

9 Architektura komputera PC (2006) Architektura z polaczeniem punkt-punkt wzrost wydajnos ci procesora wymusza zwiekszenie szybkos ci wymiany danych z pamieci a sterownik pamieci umieszczony jest w procesorze most po lnocny jest wyposaz ony w indywidualne lacza dla sterowniko w urzadzen zewn etrznych zrealizowane w standardzie PCI express PCI-s (PCIe PCI-E) znana ro wniez jako 3GlO (od 3rd Generation I/O) jest pionowa magistrala sluz ac urzadzen do plyty glo wnej. a do podlaczania Przepustowos c jednej linii wynosi 250 MB/s. Wystepuje kilka warianto w tej magistrali - z lub 32 liniami Gniazdo 1x ma 18 pino w z kaz dej strony gniazdo x4-32 gniazdo x8-49 zas gniazdo x16-82 piny z kaz dej strony. Architektura z polaczeniem punkt-punkt most poludniowy jest zintegrowanym sterownikiem urzadzen zewnetrznych wszystkie polaczenia sa realizowane jako punkt-punkt szyna PCI zostala zachowana w celu umoz liwienia podlaczenia starszych sterowniko w urzadzen jest ona przeznaczona do usuniecia. 1 Omo wic typy komputero w. 2 Narysowac i omo wic architekture von Neumanna. 3 Czym sie ro z ni architektura Harvard od architektury Princeton? 4 Objas nic klasyfikacje Flynna. 5 Narysowac i omo wic architekture szynowa i jej warianty. 6 Co to jest kanal wejs cia-wyjs cia? 7 Co to jest AGP? 8 Co to jest PCI express?