Klasyfikacja systemów komputerowych. Architektura von Neumanna i architektura harwardzka Budowa komputera: dr inż. Jarosław Forenc

Transkrypt

1 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 2/51 Plan wykładu nr 4 Informatyka 1 Politechnika Białostocka - Wydział Elektryczny Elektrotechnika, semestr II, studia niestacjonarne I stopnia Rok akademicki 2015/2016 Klasyfikacja systemów komputerowych (Flynna) SISD, SIMD, MISD, MIMD Architektura von Neumanna i architektura harwardzka Budowa komputera: zestaw komputerowy, jednostka centralna, płyta główna procesory Intel (LGA 1156, LGA 1155, LGA 1150, LGA 1151, LGA 2011) i AMD (Socket AM2/AM2+, Socket AM3/AM3+, Socket FM1, Socket FM2/FM2+) Wykład nr 4 ( ) Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 3/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 4/51 Klasyfikacja systemów komputerowych Taksonomia Flynna Taksonomia Flynna - pierwsza, najbardziej ogólna klasyfikacja architektur komputerowych (1972): Flynn M.J.: Some Computer Organizations and Their Effectiveness, IEEE Transactions on Computers, Vol. C-21, No 9, Opiera się na liczbie przetwarzanych strumieni rozkazów i strumieni danych: strumień rozkazów (Instruction Stream) - odpowiednik licznika rozkazów; system złożony z n procesorów posiada n liczników rozkazów, a więc n strumieni rozkazów strumień danych (Data Stream) - zbiór operandów, np. system rejestrujący temperaturę mierzoną przez n czujników posiada n strumieni danych SI - Single instruction MI - Multiple Instruction SD - Single Data MD - Multiple Data SM - Shared Memory DM - Distributed Memory

2 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 5/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 6/51 SISD (Single Instruction, Single Data) SISD (Single Instruction, Single Data) Jeden wykonywany program przetwarza jeden strumień danych Komputer IBM PC/AT Komputer PC Klasyczne komputery zbudowane według architektury von Neumanna Zawierają: jeden procesor jeden blok pamięci operacyjnej zawierający wykonywany program. SISD - instrukcje -dane -wyniki Komputer PC Laptop Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 7/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 8/51 SIMD (Single Instruction, Multiple Data) SM-SIMD SIMD - Komputery wektorowe Jeden wykonywany program przetwarza wiele strumieni danych CDC Cyber 205 (1981) Cray-1 (1976) Te same operacje wykonywane są na różnych danych SIMD Podział: SM-SIMD (Shared Memory SIMD): - komputery wektorowe - rozszerzenia strumieniowe procesorów (MMX, 3DNow!, SSE, SSE2, SSE3, AVX, ) - instrukcje -dane -wyniki Cray-2 (1985) Hitachi S3600 (1994) DM-SIMD (Distributed Memory SIMD): - tablice procesorów - procesory kart graficznych (GPGPU)

3 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 9/51 DM DM--SIMD - Tablice procesorów Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 10/51 DM DM--SIMD - Procesory graficzne (GPU) Illiac IV MasPar MP MP--1/MP 1/MP--2 (1976) GeForce GTX Titan X Tesla K80 (1990) Thinking Machines CM CM--2 (1987) Tesla D870 Illiac IV (1976) Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 Tesla S2050 MISD (Multiple (Multiple Instruction Instruction,, Single Data) 11/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 MIMD (Multiple (Multiple Instruction Instruction,, Multiple Data) Wiele równolegle wykonywanych programów przetwarza jednocześnie jeden wspólny strumień danych Równolegle wykonywanych jest wiele programów, z których każdy przetwarza własne strumienie danych Systemy tego typu nie są spotykane Podział: SM-MIMD (Shared Memory): - wieloprocesory DM-MIMD (Distributed Memory): - wielokomputery - klastry - gridy 12/51

4 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 13/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 14/51 SM-MIMDMIMD - Wieloprocesory SM-MIMD MIMD - Wieloprocesory Systemy z niezbyt dużą liczbą działających niezależnie procesorów Cray YM-P (1988) Cray J90 (1994) Każdy procesor ma dostęp do wspólnej przestrzeni adresowej pamięci Komunikacja procesorów poprzez uzgodniony obszar wspólnej pamięci Do SM-MIMD należą komputery z procesorami wielordzeniowymi Podział: Cray CS6400 (1993) UMA (Uniform Memory Access) NUMA (NonUniform Memory Access) COMA (Cache Only Memory Architecture) Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 15/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 16/51 DM-MIMDMIMD - Wielokomputery DM-MIMD MIMD - Wielokomputery Każdy procesor wyposażony jest we własną pamięć operacyjną, niedostępną dla innych procesorów Komunikacja między procesorami odbywa się za pomocą sieci poprzez przesyłanie komunikatów Biblioteki komunikacyjne: MPI (Message Passing Interface) PVM (Parallel Virtual Machine) Cray T3E (1995) ncube 2s Thinking Machines CM-5 (1991) (1993) Meiko CS-2 (1993)

5 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 17/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 18/51 DM-MIMDMIMD - Klastry DM-MIMDMIMD - Klastry Klaster (cluster): równoległy lub rozproszonego system składający się z komputerów komputery połączone są siecią używany jest jako pojedynczy, zintegrowany zespół obliczeniowy Miejsce instalacji: Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny KETiM Rok instalacji: Węzeł (node) - pojedynczy komputer przyłączony do klastra i wykonujący zadania obliczeniowe Typ klastra: homogeniczny dedykowany Liczba węzłów: 7 źródło: KVM - Keyboard, Video, Mouse Sieć komputerowa: Gigabit Ethernet Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 19/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 20/51 DM-MIMDMIMD - Klastry DM-MIMDMIMD - Klastry Klastry Beowulf budowane były ze zwykłych komputerów PC Klastry Beowulf budowane były ze zwykłych komputerów PC Odin II Beowulf Cluster Layout, University of Chicago, USA NASA 128-processor Beowulf cluster: A cluster built from 64 ordinary PC's

6 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 21/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 22/51 DM-MIMDMIMD - Klastry Architektura von Neumanna Early Aspen Systems Beowulf Cluster With RAID Rodzaj architektury komputera, opisanej w 1945 roku przez matematyka Johna von Neumanna Inne spotykane nazwy: architektura z Princeton, store-program computer (koncepcja przechowywanego programu) Zakłada podział komputera na kilka części: jednostka sterująca (CU - Control Unit) jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU - Arithmetic Logic Unit) pamięć główna (memory) urządzenia wejścia-wyjścia (input/output) Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 23/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 24/51 Architektura von Neumanna - podstawowe cechy Architektura harwardzka Informacje przechowywane są w komórkach pamięci (cell) o jednakowym rozmiarze, każda komórka ma numer - adres Architektura komputera, w której pamięć danych jest oddzielona od pamięci instrukcji Dane oraz instrukcje programu (rozkazy) zakodowane są za pomocą liczb i przechowywane w tej samej pamięci Praca komputera to sekwencyjne odczytywanie instrukcji z pamięci komputera i ich wykonywanie w procesorze Wykonanie rozkazu: pobranie z pamięci słowa będącego kodem instrukcji pobranie z pamięci danych wykonanie instrukcji zapisanie wyników do pamięci Dane i instrukcje czytane są przy wykorzystaniu tej samej magistrali Nazwa architektury pochodzi komputera Harward Mark I: zaprojektowany przez Howarda Aikena pamięć instrukcji - taśma dziurkowana, pamięć danych - elektromechaniczne liczniki

7 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 25/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 26/51 Architektura harwardzka Architektura harwardzka i von Neumanna Pamięci danych i instrukcji mogą różnić się: technologią wykonania strukturą adresowania długością słowa W architekturze harwardzkiej pamięć instrukcji i pamięć danych: zajmują różne przestrzenie adresowe mają oddzielne szyny (magistrale) do procesora zaimplementowane są w inny sposób Przykład: ATmega16-16 kb Flash, 1 kb SRAM, 512 B EEPROM Procesor Procesor może w tym samym czasie czytać instrukcje oraz uzyskiwać dostęp do danych Magistrala instrukcji Pamięć programu (instrukcje programu) Magistrala danych Pamięć danych (dane programu) Architektura von Neumanna Architektura harwardzka Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 27/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 28/51 Zmodyfikowana architektura harwardzka Zestaw komputerowy Łączy w sobie cechy architektury harwardzkiej i von Neumanna Monitor Oddzielone pamięci danych i rozkazów, lecz wykorzystujące wspólną magistralę (linie danych i adresów) Jednostka centralna Pendrive Mikrofon, słuchawki W procesorach stosowanych w komputerach PC występują elementy obu architektur: pamięć operacyjna (RAM) komputera jest to typowa architektura von Neumanna pamięć podręczna (cache) podzielona jest na pamięć instrukcji i pamięć danych Dysk zewnętrzny Klawiatura Myszka Kamera internetowa Drukarka Skaner UPS Głośniki

8 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 29/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 30/51 Jednostka centralna Płyta główna (motherboard) - przykłady Zasilacz Procesor Pamięć RAM Płyta główna Karta graficzna Napęd DVD Stacja dyskietek Dysk twardy Model Gigabyte GA-7N400-L Gigabyte GA-X58A-UD5 Gigabyte G1-Assassin 2 Rok Gniazdo Socket A Socket 1366 Socket 2011 Procesor AMD Athlon, Athlon XP Intel Core i7 Intel Core i7 Northbridge nvidia nforce 2 Ultra 400 Intel X58 Express Chipset Southbridge nvidia nforce 2 MCP Intel ICH10R Pamięć 4 x 184-pin DDR DIMM sockets, max. 3 GB 6 x 1.5V DDR3 DIMM sockets, max. 24 GB Intel X79 4 x 1.5V DDR3 DIMM sockets, max. 32 GB Format ATX ATX ATX Inne AGP, 5 PCI, 2 IDE, FDD, LPT, 2 COM, 6 USB, IrDA, RJ45, 2 PS/2 4 PCIe x16, 2 PCIe x1, PCI, 8 SATA II 3 Gb/s, 2 SATA II 6 Gb/s, 2 esata, IDE, FDD, 2 RJ45, 10 USB 2.0, 2 USB 3.0, 2 PS/2 3 PCIe x16, 2 PCIe x1, PCI, 4 SATA II 3 Gb/s, 4 SATA III 6 Gb/s, 2 esata, RJ45, 9 USB 2.0, 3 USB 3.0, PS/2 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 31/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 32/51 Gigabyte GA-7N400 7N400-L BIOS SIO Audio LAN Gigabyte GA-7N400-L PCI AGP Socket A NorthBridge CMOS battery SouthBridge DIMM socket źródło: IDE FDD Power źródło: GA-7N400 Pro2 / GA-7N400 / GA-7N400-L AMD Socket A Processor Motherboard User s Manual

9 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 33/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 34/51 Gigabyte GA-7N400 7N400-L Gigabyte GA-X58A-UD5 SIO BIOS LAN PCIe x1 NorthBridge Intel X58(IOH) 8-Pin Power PCI FDD LGA1366 PCIe x16 SouthBridge Intel ICH10R DDR3 socket IDE źródło: GA-7N400 Pro2 / GA-7N400 / GA-7N400-L AMD Socket A Processor Motherboard User s Manual CMOS battery SATA 3 Gb/s 24-Pin Power Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 35/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 36/51 Gigabyte GA-X58A X58A-UD5 Gigabyte G1-Assassin 2 Audio PCIe x16 PCIe x1 LAN PCI CMOS battery DDR3 socket LGA2011 źródło: GA-X58A-UD5 LGA1366 socket motherboard for Intel Core i7 processor family User's Manual I/O Controller Intel X79 8-Pin Power DDR3 socket SATA 24-Pin Power

10 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 37/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 38/51 Gigabyte G1-Assassin 2 Gigabyte GA-7N400-L i GA-X58A-UD5 PS/2 Mouse PS/2 Keyboard 2 x USB LPT LAN Gigabyte GA-7N400-L Clear CMOS COM IEEE 1394a LAN 2 x USB Audio źródło: Gigabyte G1.Assassin 2, User's Manual, Rev PS/2 Mouse PS/2 Keyboard Gigabyte GA-X58A-UD5 SPDIF esata 6 x USB Audio Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 39/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 40/51 Płyty główne - standardy Płyty główne - standardy Standard AT Baby-AT ATX Rok 1984 (IBM) 1985 (IBM) 1996 (Intel) Micro-ATX 1996 Mini-ITX Nano-ITX źródło: (VIA) 2003 (VIA) Wymiary in mm in mm in mm in mm in mm max in mm Pico-ITX 2007 (VIA) mm max.

11 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 41/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 42/51 Procesory Intel - LGA 1156 (Socket H, H1) LGA (Land Grid Array) - na procesorze złocone, miedziane, płaskie styki, dociskane do pinów w gnieździe na płycie głównej 2009 rok, liczba pinów: 1156 procesory Lynnfield i Clarkdale: Core i3, Core i5, Core i7, Xeon chipsety: Intel H55, H57, P55, Q57, P57 Procesory Intel - LGA 1155 (Socket H2) początek 2011 roku, liczba pinów: 1155 procesory: Sandy Bridge (32 nm): Celeron, Pentium, Core i3, Core i5, Core i7, Xeon Ivy Bridge (22 nm): Core i3, Core i5, Core i7 chipsety: Sandy Bridge: B65, H61, Q67, H67, P67, Z68 Ivy Bridge: B75, Q75, Q77, H77, Z75, Z77 brak wstecznej kompatybilności z LGA 1156 LGA 1156 Intel Core i3-530 Clarkdale - nazwa kodowa określająca mikroarchitekturę procesora LGA 1155 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 43/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 44/51 Procesory Intel - LGA 1150 (Socket H3) czerwiec 2013 roku, liczba pinów: 1150 procesory: Haswell (22 nm): Celeron, Pentium, Core i3 / i5 / i7 Broadwell (14 nm): Core M, (Celeron, Pentium, Core i3 / i5 / i7) chipsety: Haswell: H81, B85, Q85, Q87, H87, Z87 Broadwell: Z97, H97 brak wstecznej kompatybilności z LGA 1155 i LGA 1156 Procesory Intel - LGA 1151 (Socket H4) sierpień 2015 roku, liczba pinów: 1151 procesory Skylake (14 nm): Celeron, Pentium, Core i3 / i5 / i7 wsparcie dla pamięci RAM: DDR4, DDR3(L) chipsety: Z170, H170 LGA 1150 Core i7-6700k LGA 1151

12 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 45/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 46/51 Procesory Intel - LGA 2011 (Socket R) listopad 2011 roku, liczba pinów: 2011 procesory: Sandy Bridge-E/EP (22 nm): Core i7, Xeon Ivy Bridge-E/EP (14 nm): Core i7, Xeon Haswell-E (22 nm): Core i7 chipsety: Intel X79, X99 4-kanałowy kontroler pamięci PCI Express 3.0 inne wersje: LGA (luty 2014) LGA 2011-v3 (sierpień 2014) Procesory AMD - Socket AM2/AM2+ (M2) PGA-ZIF - nóżki znajdują się na procesorze 2006 rok (AM2), 2007 rok (AM2+), liczba kontaktów: 940 napięcie zasilania: 0,8-1,55 V FSB: 800, 1000 MHz procesory: Athlon 64, Athlon 64 X2, Sempron, Opteron, Phenom LGA 2011 Socket AM2 AMD Athlon 64 X2 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 47/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 48/51 Procesory AMD - Socket AM rok, liczba kontaktów: 941 obsługa pamięci RAM DDR3 procesory: Phenom II, Athlon II, Sempron, Opteron Procesory AMD - Socket AM rok, liczba kontaktów: 942 mikroarchitektura Bulldozer procesory: Athlon II, Phenom II, FX większa średnica otworów na nóżki procesora Socket AM3 AMD Phenom II Socket AM3+

13 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 49/51 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 50/51 Procesory AMD - Socket FM1 Procesory AMD - Socket FM2/FM2+ czerwiec 2011, liczba kontaktów: 905 przeznaczenie: APU (Accelerated Processing Unit) pierwszej generacji APU - połączenie tradycyjnego procesora x86 z proc. graficznym AMD Fusion FM2: wrzesień 2012, liczba kontaktów: 904, AMD Trinity FM2+: 2013, liczba kontaktów: 906, AMD Kaveri przeznaczenie: APU (Accelerated Processing Unit) drugiej generacji AMD Fusion Socket FM1 Rok akademicki 2015/2016, Wykład nr 4 51/51 Koniec wykładu nr 4 Dziękuję za uwagę!