Technologie Informacyjne Wykład 2

Transkrypt

1 Technologie Informacyjne Wykład 2 Elementy systemu komputerowego Wojciech Myszka Jakub Słowiński Katedra Mechaniki i Inżynierii Materiałowej Wydział Mechaniczny Politechnika Wrocławska 15 października 2014 (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

2 Co to jest komputer? Co to jest komputer? No właśnie, co? (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

3 Co to jest komputer? Co to jest komputer? (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

10 Co to jest komputer? Co to jest komputer? Hmmm... (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

11 Część I von Neumann i organizacja komputera (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

12 John von Neumann 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. (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

13 John von Neumann 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 (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

14 John von Neumann Architektura von Neumanna (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

15 John von Neumann 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. (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

16 John von Neumann 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. (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

17 John von Neumann Schemat komputera (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

18 John von Neumann Schemat komputera Procesor (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

19 John von Neumann Schemat komputera Procesor Pamięć (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

20 John von Neumann Schemat komputera Procesor Pamięć Układy we/wy (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

21 John von Neumann Schemat komputera Procesor Pamięć Szyna Układy we/wy (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

22 John von Neumann Schemat komputera Procesor Pamięć Sterowanie Szyna Układy we/wy (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

23 Schemat komputera 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). 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. (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

24 Generacje komputerów Generacja Okres Technologia Szybkość lampa próżniowa tranzystor mała i średnia skala integracji wielka skala integracji bardzo wielka skala integracji (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

25 Generacje komputerów Generacja Okres Technologia Szybkość lampa próżniowa tranzystor mała i średnia skala integracji wielka skala integracji bardzo wielka skala integracji Mikroukłady - mikroelektronika (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

26 Generacje komputerów Generacja Okres Technologia Szybkość lampa próżniowa tranzystor mała i średnia skala integracji wielka skala integracji bardzo wielka skala integracji Mikroukłady - mikroelektronika 1 Koszt mikroukładu pozostaje w zasadzie niezmieniony w przedstawionym okresie szybkiego wzrostu gęstości upakowania. (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

27 Generacje komputerów Generacja Okres Technologia Szybkość lampa próżniowa tranzystor mała i średnia skala integracji wielka skala integracji bardzo wielka skala integracji Mikroukłady - mikroelektronika 1 Koszt mikroukładu pozostaje w zasadzie niezmieniony w przedstawionym okresie szybkiego wzrostu gęstości upakowania. 2 Ponieważ elementy logiczne i pamięciowe są umieszczane coraz bliżej w coraz gęściej upakowywanych mikroukładach, wzrasta szybkość działania. (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

28 Generacje komputerów Generacja Okres Technologia Szybkość lampa próżniowa tranzystor mała i średnia skala integracji wielka skala integracji bardzo wielka skala integracji Mikroukłady - mikroelektronika 1 Koszt mikroukładu pozostaje w zasadzie niezmieniony w przedstawionym okresie szybkiego wzrostu gęstości upakowania. 2 Ponieważ elementy logiczne i pamięciowe są umieszczane coraz bliżej w coraz gęściej upakowywanych mikroukładach, wzrasta szybkość działania. 3 Komputer staje się mniejszy, co umożliwia umieszczanie go w najróżniejszym otoczeniu. (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

29 Generacje komputerów Generacja Okres Technologia Szybkość lampa próżniowa tranzystor mała i średnia skala integracji wielka skala integracji bardzo wielka skala integracji Mikroukłady - mikroelektronika 1 Koszt mikroukładu pozostaje w zasadzie niezmieniony w przedstawionym okresie szybkiego wzrostu gęstości upakowania. 2 Ponieważ elementy logiczne i pamięciowe są umieszczane coraz bliżej w coraz gęściej upakowywanych mikroukładach, wzrasta szybkość działania. 3 Komputer staje się mniejszy, co umożliwia umieszczanie go w najróżniejszym otoczeniu. 4 Maleją wymagania dotyczące mocy i chłodzenia. (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

30 Generacje komputerów Generacja Okres Technologia Szybkość lampa próżniowa tranzystor mała i średnia skala integracji wielka skala integracji bardzo wielka skala integracji Mikroukłady - mikroelektronika 1 Koszt mikroukładu pozostaje w zasadzie niezmieniony w przedstawionym okresie szybkiego wzrostu gęstości upakowania. 2 Ponieważ elementy logiczne i pamięciowe są umieszczane coraz bliżej w coraz gęściej upakowywanych mikroukładach, wzrasta szybkość działania. 3 Komputer staje się mniejszy, co umożliwia umieszczanie go w najróżniejszym otoczeniu. 4 Maleją wymagania dotyczące mocy i chłodzenia. 5 Połączenia wewnątrz układu scalonego są o wiele bardziej niezawodne niż połączenia lutowane. (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

31 Procesor 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 (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

32 Procesor Procesor Jak procesor dodaje? 1 Półsumator 2 Suma dwu bitów (Y = X 1 + X 2 ) 3 Przeniesienie (Cout) 4 Tabela prawdy X 1 X 2 Y Cout Y = X 1 X 2 Cout = X 1 X 2 (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

33 Procesor Operacje logiczne Zastosowanie XOR Znak Kursor Wynik (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

43 Procesor 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 (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

44 Procesor Procesor Interfejs pamięci Dekoder i licznik rozkazów Rejestry (Akumulator) Jedna (lub więcej) jednostka arytmetyczna. Rejestry stanu (wskazują jaki był wynik ostatniej operacji). (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

45 Szybkość Od czego zależy szybkość? 1 Zegar procesora 2 Czas dostępu pamięci 3 Liczba jednostek arytmetycznych (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

46 A jak to działa? A jak to działa? Pipeline IF pobieranie instrukcji, ID dekodowanie instrukcji, EX wykonanie, MEM zapis wyników (cache), WB zapis do pamięci (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

47 A jak to działa? A jak to działa? Pipeline IF pobieranie instrukcji, ID dekodowanie instrukcji, EX wykonanie, MEM zapis wyników (cache), WB zapis do pamięci (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

48 A jak to działa? A jak to działa? Pipeline + dwa procesory IF pobieranie instrukcji, ID dekodowanie instrukcji, EX wykonanie, MEM zapis wyników (cache), WB zapis do pamięci (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

49 Szybkość 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) (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

50 Szybkość 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. (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

51 Szybkość 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) (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20

52 Szybkość 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. (IMMT PWr) TI-W01 15 października / 20