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 (02.04.2016) 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, 1972. 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
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)
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
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)
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: 2004-2006 Węzeł (node) - pojedynczy komputer przyłączony do klastra i wykonujący zadania obliczeniowe Typ klastra: homogeniczny dedykowany Liczba węzłów: 7 źródło: http://leda.elfak.ni.ac.rs/projects/seegrid/see_grid.htm 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
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
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
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 2003 2009 2011 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: http://www.3cvillage.com IDE FDD Power źródło: GA-7N400 Pro2 / GA-7N400 / GA-7N400-L AMD Socket A Processor Motherboard User s Manual
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
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. 1001 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: http://en.wikipedia.org 2001 (VIA) 2003 (VIA) Wymiary 12 11 13 in 305 279 330 mm 8.5 10 13 in 216 254 330 mm 12 9.6 in 305 244 mm 9.6 9.6 in 244 244 mm 6.7 6.7 in 170 170 mm max. 4.7 4.7 in 120 120 mm Pico-ITX 2007 (VIA) 100 72 mm max.
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
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 2011-1 (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 AM3 2009 rok, liczba kontaktów: 941 obsługa pamięci RAM DDR3 procesory: Phenom II, Athlon II, Sempron, Opteron Procesory AMD - Socket AM3+ 2011 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+
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!