Technologie informacyjne wykład 2 wer. 1.2

Transkrypt

1 Technologie informacyjne wykład 2 wer. 1.2 Wojciech Myszka 24 października

2 Część I Elementy systemu komputerowego. Czynniki wpływające na wydajność.

3 Elementy systemu komputerowego. Czynniki wpływające na wydajność. wer. 1.3 Wojciech Myszka 10 października 2010

4 Co to jest komputer? (1) No właśnie, co?

5 Co to jest komputer? (1)

6 Co to jest komputer? (1)

7 Co to jest komputer? (1)

8 Co to jest komputer? (1)

9 Co to jest komputer? (1)

10 Co to jest komputer? (1)

11 Co to jest komputer? (1) Hmmm...

12 John von Neumann John von Neumann (ur. 28 grudnia 1903 w Budapeszcie, zm. 8 lutego 1957 w Waszyngtonie), inżynier chemik, fizyk, matematyk i informatyk. Wniósł znaczący wkład do wielu dziedzin matematyki, szczególnie teorii gier i uporządkował formalizm matematyczny mechaniki kwantowej. Uczestniczył w projekcie Manhattan. Przyczynił się do rozwoju numerycznych prognoz pogody.

13 Architektura von Neumanna 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. Polega na ścisłym podziale komputera na trzy podstawowe części: procesor (w ramach którego wydzielona bywa część sterująca oraz część arytmetyczno-logiczna) pamięć komputera (zawierająca dane i sam program) urządzenia wejścia/wyjścia

14 Architektura von Neumanna

15 Architektura von Neumanna System komputerowy zbudowany w oparciu o architekturę von Neumanna powinien: mieć skończoną i funkcjonalnie pełną listę rozkazów mieć możliwość wprowadzenia programu do systemu komputerowego poprzez urządzenia zewnętrzne i jego przechowywanie w pamięci w sposób identyczny jak danych dane i instrukcje w takim systemie powinny być jednakowo dostępne dla procesora informacja jest tam przetwarzana dzięki sekwencyjnemu odczytywaniu instrukcji z pamięci komputera i wykonywaniu tych instrukcji w procesorze.

16 Architektura von Neumanna Podane warunki pozwalają przełączać system komputerowy z wykonania jednego zadania (programu) na inne bez fizycznej ingerencji w strukturę systemu, a tym samym gwarantują jego uniwersalność. System komputerowy von Neumanna nie posiada oddzielnych pamięci do przechowywania danych i instrukcji. Instrukcje jak i dane są zakodowane w postaci liczb. Bez analizy programu trudno jest określić czy dany obszar pamięci zawiera dane czy instrukcje. Wykonywany program może się sam modyfikować traktując obszar instrukcji jako dane, a po przetworzeniu tych instrukcji danych zacząć je wykonywać.

17 Schemat komputera

18 Schemat komputera Procesor

19 Schemat komputera Procesor Pamięć

20 Schemat komputera Procesor Pamięć Układy we/wy

21 Schemat komputera Procesor Pamięć Szyna Układy we/wy

22 Schemat komputera Procesor Pamięć Sterowanie Szyna Układy we/wy

23 Schemat komputera I W modelu tym wyróżniamy: Procesor. Pamięć (i pod tym pojęciem rozumiemy wszystkie rodzaje pamięci: Cache, RAM, ROM, dyski, dyskietki, dyski wymienne zapisywalne i nie). Urządzenie wejścia/wyjścia (wszystkie urządzenia pozwalające na kontakt ze światem zewnętrznym : klawiatura, mysz, karta graficzna, drukarka, czytniki różnego rodzaju).

24 Schemat komputera II Sterowanie (wszystkie układy elektroniczne zapewniające właściwą komunikację wszystkich wymienionych wyżej urządzeń ze sobą i zapewniający uporządkowany przepływ informacji po szynie/szynach). Magistrala (szyna) to wszystkie drogi łączące wymienione wyżej urządzenia.

25 Procesor Operacje logiczne Iloczyn Y = A B A B Y Różnica symetryczna Y = A B A B Y Suma Y = A B A B Y

26 Procesor Jak procesor dodaje? 1. Półsumator 2. Suma dwu bitów (Y = X 1 + X 2 ) 3. Przeniesienie (C out ) 4. Tabela prawdy X 1 X 2 Y C out Y = X 1 X 2 C out = X 1 X 2

27 Procesor Jak procesor dodaje sumator C in X 1 X 2 Y C out Y = C in (X 1 X 2 ) C out = (X 1 X 2 ) (C in (X 1 X 2 ))

28 Operacje logiczne Zastosowanie XOR Znak Kursor Wynik

29 Operacje logiczne Zastosowanie XOR Znak Kursor Wynik

30 Operacje logiczne Zastosowanie XOR Znak Kursor Wynik

31 Operacje logiczne Zastosowanie XOR Znak Kursor Wynik

32 Operacje logiczne Zastosowanie XOR Znak Kursor Wynik

33 Operacje logiczne Zastosowanie XOR Znak Kursor Wynik

34 Operacje logiczne Zastosowanie XOR Znak Kursor Wynik

35 Operacje logiczne Zastosowanie XOR Znak Kursor Wynik

36 Operacje logiczne Zastosowanie XOR Znak Kursor Wynik

37 Operacje logiczne Zastosowanie XOR Znak Kursor Wynik

38 XOR Patent nonsense Method for dynamically viewing image elements stored in a random access Patent number: Filing date: Jan 19, 1978 Issue date: Apr 8, 1980 Inventors: Josef S. Sukonick, Greg J. Tilden Assignees: NuGraphics, Inc. Primary Examiner: Thomas M. Heckler

39 Procesor Interfejs pamięci Dekoder i licznik rozkazów Rejestry (Akumulator) Jedna (lub więcej) jednostka arytmetyczna. Rejestry stanu (wskazują jaki był wynik ostatniej operacji).

40 Od czego zależy szybkość? 1. Zegar procesora 2. Czas dostępu pamięci 3. Liczba jednostek arytmetycznych

41 A jak to działa? Pipeline IF pobieranie instrukcji, ID dekodowanie instrukcji, EX wykonanie, MEM zapis wyników (cache), WB zapis do pamięci

42 A jak to działa? Pipeline IF pobieranie instrukcji, ID dekodowanie instrukcji, EX wykonanie, MEM zapis wyników (cache), WB zapis do pamięci

43 IF pobieranie instrukcji, ID dekodowanie instrukcji, EX wykonanie, MEM zapis wyników (cache), WB zapis do pamięci A jak to działa? Pipeline + dwa procesory

44 Od czego zależy jeszcze szybkość? Inne metody 1. Zakres liczb całkowitych ( bitowość ) 2. Zestaw realizowanych przez procesor poleceń 3. Wieloprogramowość 4. Wielowątkowość 5. Równoczesne operacje na wielu danych (vector processor)

45 Od czego zależy jeszcze szybkość? Procesory wektorowe 1. Procesor wektorowy (tablicowy) to CPU skonstruowane w taki sposób, że zawiera polecenia wykonania operacji matematycznej na wielu elementach danych. 2. SIMD Single Instruction, Multiple Data 3. Podstawa superkomputerów z lat 80 i W roku 2000 IBM, Toshiba i Sony współpracowały nad stworzeniem procesora Cell zawierającego jeden procesor skalarny (odwrotność procesora wektorowego) i osiem procesorów wektorowych, który znalazł zastosowanie (między innymi) w PlayStation 3.

46 Szybkość wiele procesorów Batch processing (przetwarzanie wsadowe) wiele zadań, wiele komputerów (połaczonych), zadania zapisywane są do kolejki (kolejek), zadania przekazywane sa do wykonania na poszczególnych komputerach zgodnie z przyjetą polityką. Symmetric Multi-Processing (SMP) jeden komputer (wspólna pamięć) i kilka procesorów jeden komputer (wspólna pamięć) i procesor kilkurdzeniowy (multicore)

47 Wiele procesorów Wiele programów. Wiele wątków: program napisany w ten sposób, że zadania, które może realizować zaprogramowane są w taki sposób, że wykonanie jednego zadania może się odbywać niezależnie od innego zadania (zadanie nie mają na siebie żadnego wpływu). Programowanie współbieżne : program napisany w ten sposób, ze niektóre (lub wszystkie) czynności dzielone są na fragmenty mogące być wykonywane niezaleznie.

48 Część II Procesor i jego architektura (CISC, RISC, 32/64 bity).systemy wieloprocesorowe.

49 Procesor i jego architektura (CISC, RISC, 32/64 bity). Systemy wieloprocesorowe. wer. 1.1 Wojciech Myszka 25 pa«zdziernika 2009

50 CISC I Complex Instruction Set Computers nazwa architektury mikroprocesorów o następujących cechach: 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 RISC-ów częstotliwość taktowania procesora powolne działanie dekodera rozkazów

51 CISC II Przykłady rodzin procesorów o architekturze CISC to między innymi: AMD x86 M68000

52 RISC I Reduced Instruction Set Computers Zredukowana liczba rozkazów do niezbędnego minimum. Ich liczba wynosi kilkadziesiąt (setki w procesorach). Upraszcza to znacznie konstrukcję procesora. Redukcja trybów adresowania większość operacji wykonuje się wg schematu: rejestr C = rejestr A operacja rejestr B.

53 RISC II Ograniczenie komunikacji pomiędzy pamięcią, a procesorem. Do przesyłania danych pomiędzy pamięcią, a rejestrami służą instrukcje, które nazywają się load (załaduj z pamięci), oraz store (zapisz do pamięci); pozostałe instrukcje operują wyłącznie na rejestrach. 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.

54 RISC III Przetwarzanie potokowe (ang. pipelining): wszystkie rozkazy wykonują się w jednym cyklu maszynowym, (znaczne uproszczenie bloku wykonawczego), a zastosowanie superskalarności umożliwia równoległe wykonywanie rozkazów. Superskalarność (ang. Superscalar) możliwość ukończenia kilku instrukcji w pojedynczym cyklu zegara. Jest to możliwe dzięki zwielokrotnieniu jednostek wykonawczych. Pierwszym procesorem Intela z rodziny x86 wykorzystującym superskalarność był procesor Pentium. Większość procesorów superskalarnych nie ma w pełni zduplikowanej jednostki wykonywania kodu mogą mieć wiele ALU, jednostek

55 RISC IV zmiennopozycyjnych i tak dalej, wobec czego pewne instrukcje będą wykonywane bardzo szybko, a inne nie.

56 VLIW Very Long Instruction Word uproszczenie jednostki sterującej, zwiększanie liczby jednostek wykonawczych, technika wcześniejszego wykonania instrukcji (Out-of-Order Execution), sterowanie pracą procesora zostało przerzucone na kompilator (to on decyduje o sposobie działania procesora). Kompilator (ang. compiler) to program służący do automatycznego tłumaczenia kodu napisanego w jednym języku (języku źródłowym) na równoważny kod w innym języku (języku wynikowym)

57 ZISC Zero Instruction Set Computer Jeden z pierwszych procesorów ZISC zawierał 36 niezależnych komórek (uważane są za neurony lub równoległe procesory). Każda z nich może porównać wektor wejściowy (64 bajty) z podobnym wektorem przechowywanym w komórkach pamięci. Jeśli wektor wejściowy odpowiada wektorowi w komórce pamięci to komórka ta wypala. Sygnał wyjściowy zawiera komórki, która miała dopasowanie, oraz znacznik mówiący, że nie wystąpiło dopasowanie.

58 Schemat procesora Rejestr (akumulator) Arytmometr Wskazniki Pamiec (RAM)

59 Podstawowe operacje Instrukcje arytmetyczne Ładuj <adres pamięci> przepisuje zawartość pamięci o wskazanym adresie do rejestru. Zapisz <adres pamięci> przepisuje zawartość akumulatora do pamięci Ładuj <liczba> zapisuje liczbę do rejestru Dodaj <adres pamięci> do zawartości akumulatora dodaje zawartość komórki o wskazanym adresie (możemy tez założyć, że w podobny sposób potrafi policzyć różnicę, iloczyn i iloraz, choć, w rzeczywistości, nie musi to być prawdą). Wykonanie każdej operacji zmieniającej zawartość rejestru powoduje ustawienie wskaźników (zero, przepełnienie, ujemne).

60 Podstawowe operacje Instrukcje na bitach Neguj zmienia znak liczby w akumulatorze And <adres pamięci> iloczyn logiczny (bit po bicie dwu słów) Or <adres pamięci> Xor <adres pamięci> różnica symetryczna Przesun_w_lewo Przesun_w_prawo Przesun_cyklicznie_w_lewo Przesun_cyklicznie_w_prawo

61 Podstawowe operacje Instrukcje sterujące Skocz <adres pamięci> bezwarunkowe przekazanie sterowanie do adresu Skocz_jezeli_zero <adres pamięci> Skocz_jezeli_ujemne <adres pamięci> Skocz_jesli_nadmiar <adres pamięci> Skocz_do_podprogramu <adres pamięci> bardzo podobne do instrukcji zwykłego skoku, ale dodatkowo zapisuje aktualny stan procesora w specjalnie do tego przeznaczonej pamięci

62 Asembler Bardzo proste działanie: A=B+C

63 Asembler Bardzo proste działanie: A=B+C W komórce o adresie A ma być umieszczony wynik dodawania zawartości komórek o adresie B i C.

64 Asembler Bardzo proste działanie: A=B+C W komórce o adresie A ma być umieszczony wynik dodawania zawartości komórek o adresie B i C. Realizacja komputerowa: Ładuj B Dodaj C Zapisz A

65 MARIE MARIE A Machine Architecture that is Really Intuitive and Easy notacja dwójkowa, zapis w kodzie dopełnieniowym przechowywanie programu, stała długość słowa adresowanie słowne 4K pamięci głównej (12 bitów na każdy adres) 16-bitowe dane (16-bitowe słowa) 16-bitowe rozkazy (4-bitowy kod operacji + 12-bitowy adres) 16-bitowy akumulator (AC) 16-bitowy rejestr rozkazów (IR) 16-bitowy rejestr bufora pamięci (MBR) 12-bitowy licznik rozkazów (PC) 12-bitowy rejestr adresów pamięci (MAR) 8-o bitowy rejestr wejściowy (InREG) 8-o bitowy rejestr wyjściowy (OutREG)

66 Symulator MARIE

67 Asembler Bardziej skomplikowany przykład Z = [(A + B)(C + D)] W

68 Asembler Bardziej skomplikowany przykład Z = [(A + B)(C + D)] W T1 = A + B

69 Asembler Bardziej skomplikowany przykład Z = [(A + B)(C + D)] W T1 = A + B T2 = C + D

70 Asembler Bardziej skomplikowany przykład Z = [(A + B)(C + D)] W T1 = A + B T2 = C + D T3 = T1 T2

71 Asembler Bardziej skomplikowany przykład Z = [(A + B)(C + D)] W T1 = A + B T2 = C + D T3 = T1 T2 Z = T3/W

72 Odwrotna Notacja Polska Popatrzmy na działanie: Ile wynosi wynik?

73 Odwrotna Notacja Polska Popatrzmy na działanie: Ile wynosi wynik? 50 czy 38?

74 Odwrotna Notacja Polska Popatrzmy na działanie: Ile wynosi wynik? 50 czy 38? A który jest poprawny?

75 Odwrotna Notacja Polska Popatrzmy na działanie: Ile wynosi wynik? 50 czy 38? A który jest poprawny? Czemu tak łatwo znaleźć kalkulator który liczy źle?

76 Ważność działań arytmetycznych 1. potęgowanie 2. mnożenie i dzielenie 3. dodawanie i odejmowanie Nawiasy mogą ją zmieniać!

77 Ważność działań arytmetycznych 1. potęgowanie 2. mnożenie i dzielenie 3. dodawanie i odejmowanie Nawiasy mogą ją zmieniać! A gdzie jest zmiana znaku?

78 Czy jest możliwy zapis jednoznaczny? Polski logik, Łukasiewicz, wprowadził notację przedrostkową. Zamiast z = x + y zaproponował zapis: +xy

79 Czy jest możliwy zapis jednoznaczny? Polski logik, Łukasiewicz, wprowadził notację przedrostkową. Zamiast z = x + y zaproponował zapis: +xy Zwracam uwagę że jest on bardzo podobny do zapisu funkcji dwu zmiennych: z = f(x, y) Funkcja suma jest też dwuargumentowa: z = +(x, y)

80 Zapis polski Działanie oznaczające 3 + (7 5) zapisujemy: }{{} 3 }{{}

81 odwrotny zapis polski Utarło się używanie innego zapisu: najpierw podaje się argumenty działania, później samo działanie: xy+ Stąd nazwa: Odwrotna notacja polska. Nasze działanie zapisujemy tak: a to bardziej skomplikowane tak: A B + C D + W /

82 Odwrotna Notacja Polska stos Praktyczna realizacja działania A B + C D + W / wymaga stosu. I dodatkowych operacji w języku wewnętrznym: Zapisz_na_stos przepisuje zawartość akumulatora na stos. Pobierz_ze_stosu pobiera ze stosu wartość i przepisuje ją do akumulatora

83 Stos

84 Stos

85 Prosty kalkulator Praktyczna realizacja działania A B + C D + W / A = 1, B = 2, C = 3, D = 4, W = 5