Architektura komputerów

Architektura komputerów Andrzej PIECZYŃSKI, Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Wydział Elektrotechniki, Informatyki i Telekomunikacji Uniwersytet Zielonogórski

Architektura komputerów I 1 45 Plan wykładów 1. Wprowadzenie, podział komputerów. Budowa. Istota pracy komputera. Cykle komputera. Magistrale i ich funkcje. Komunikacja w systemie procesor - pamięć. Zasada przetwarzania informacji w zestawie procesor - pamięć. 2. Pamięć komputera, jej rodzaje i własności. Wydajność kolejnych generacji pamięci dynamicznych. Pamięć podręczna, jej funkcje i zasada współpracy z pamięcia operacyjna. Pamięć podręczna asocjacyjna. Pamięć podręczna odwzorowana bezpośrednio. 3. Pamięć podręczna ze zbiorowym odwzorowaniem asocjacyjnym. Algorytmy wymiany zawartości pamięci podręcznej. Spójność pamięci podręcznej. Tryby adresowania pamięci, adresowanie indeksowe.

Architektura komputerów I 2 45 Plan wykładów 4. Operacje wejścia - wyjścia w systemie komputerowym. Operacje bezwarunkowe, z testowaniem, z przerwaniem. Operacje z pośrednim sterowaniem. Mikroprocesor, budowa, typy procesorów i ich podstawowe parametry. Procesory CISC i RISC. 5. Elementy architektury procesorów od 6 generacji odpowiedzialne za wzrost wydajności. Metryczki procesorów. Trendy i porównania procesorów. Złacza procesorów. Procesory SPARC i MIPS. 6. Architektury równoległe komputerów. Klasyfikacja Flynna. Procesory wektorowe SIMD. Systemy MIMD. Systemy z pamięcia wspólna. Magistrala z podziałem czasu. Architektura z przełacznikiem krzyżowym. Pamięć wieloportowa. Skalowanie systemów z pamięcia wspólna / dzielona. Systemy MIMD z pamięcia rozproszona. Systemy z rozproszona pamięcia wspólna. Prawo Amdala.

Architektura komputerów I 3 45 Plan wykładów 7. Płyty główne. Podstawowe elementy płyty: chipset, magistrale. Szybkość procesorów a przepustowość magistral. Płyty zintegrowane. Pomiar parametrów podzespołów płyty. Wydajności płyt głównych. Zasada wyznaczania wskaźników Power i Econo. Przykłady płyt. Pamięci masowe w komputerze. Dyski twarde i ich sterowniki. Pamięć optyczna. System Plików w pamięciach masowych. 8. Kolokwium.

Architektura komputerów I 4 45 Literatura [1 ]. Chalk B.S.: Organizacja i architektura komputera, WNT, Warszawa, 1998. [2 ]. Metzger P.: Anatomia PC, Kompendium wiedzy o architekturze komputerów PC, wydanie IX, Helion, 2004. [3 ]. Metzger P.: Diagnostyka i optymalizacja komputerów PC, Helion, 2001. [4 ]. Mueller S.: Rozbudowa i naprawa komputerów PC, Helion, 2001. [5 ]. Mueller S., Soper M. E.: Rozbudowa i naprawa komputerów PC, kompendium, Helion, 2001

Architektura komputerów I 5 45 Generacje komputera Generacje komputerów to umowny podział komputerów cyfrowych, zależnie od zastosowanej technologii 0 generacja - przed pojawieniem się uniwersalnych, elektronicznych maszyn cyfrowych, np. przekaźnikowy Z3, 1 generacja - budowane na lampach elektronowych, np. XYZ, 2 generacja - budowane na tranzystorach, np. ZAM 41, 3 generacja - budowane na układach scalonych małej i średniej skali integracji, np. Odra 1305, 4 generacja - budowane na układach scalonych wielkiej skali integracji, np. komputer osobisty (PC), 5 generacja - projekty o niekonwencjonalnych rozwiazaniach, np. komputer optyczny, biologiczny, kwantowy.

Architektura komputerów I 6 45 Komputery 0 generacji Komputery zerowej generacji to maszyny konstruowane przed pojawieniem się uniwersalnych, elektronicznych maszyn cyfrowych, o możliwościach dzisiejszych prostych i średnich kalkulatorów programowanych.

Architektura komputerów I 7 45 Komputery 1 generacji Przedstawicielem tej genercji jest ENIAC, posiada prymitywna organizację, ale zbudowany głównie na lampach, Komputery zerowej i pierwszej generacji, o organizacji odmiennej od współczesnych, nazywamy wczesnymi komputerami.

Architektura komputerów I 8 45 Komputery 2 i 3 generacji

Architektura komputerów I 9 45 Podział komputerów według zastosowań Komputery osobiste, Komputer domowy, Mainframe, Superkomputer, Systemy wbudowane.

Architektura komputerów I 10 45 Komputery osobiste PC Idea komputerów osobistych zrodziła się na poczatku lat 70.

Architektura komputerów I 11 45 Komputery osobiste PC Nie do końca jest jasne, który z komputerów można uznać za pierwsza tego typu maszynę. O palmę pierwszeństwa kłóca się tu Xerox, Hewlett-Packard oraz IBM. Jest tu polski akcent, zapomniany podobnie jak niegdyś enigma. Maszyna o nazwie K-202 stworzona przez Jacka Karpińskiego. Powstało pierwszych 30 komputerów wielkości małej walizki i mieszczacych się na biurku. Jednakże wydaje się, iż pierwszym komputerem osobistym (PC) powszechnie uznanym przez "świat zachodni" była konstrukcja firmy MITS nazwana ALTAIR 8800 - zaprezentowana przez Eda Robertsa i Billa Gatesa w styczniowym wydaniu Popular Electronics Magazine (1975). Niewatpliwym faktem jest natomiast to, że pierwszym masowo produkowanym tego rodzaju komputerem, który faktycznie dotarł "pod strzechy" był Apple I. 8 marca 1983 masowo produkowany komputer osobisty IBM PC/XT, od którego wywodzi się cała rodzina komputerów klasy PC.

Architektura komputerów I 12 45 Komputer domowy to mikrokomputer przewidziany do zastosowań domowych (gry komputerowe, multimedia, rozrywka), zazwyczaj o uproszczonej konstrukcji w stosunku do typowego komputera osobistego, ale z dobrymi możliwościami multimedialnymi. Typowe ich cechy to: mikroprocesor niższej klasy niż w typowych ówczesnych komputerach osobistych, uboższa pamięć masowa: w komputerach 8-bitowych zwykle brak pamięci dyskowej w standardowej konfiguracji, zamiast niej stosowano magnetofon kasetowy lub cartridge; w komputerach nowszych generacji była już wbudowana stacja dyskietek, ale w standardowej konfiguracji wciaż brakowało dysku twardego, klawiatura zintegrowana w jednej obudowie z jednostka centralna, możliwość podłaczenia takiego komputera do zwykłego telewizora zamiast do specjalnego monitora. Przykłady: Amiga 500 i Atari ST, Amiga 1200 i Atari Falcon.

Architektura komputerów I 13 45 Mainframe (ang. main - główny, frame - struktura) Sa systemami o dużej wydajności przetwarzania danych. Termin mainframe pochodzi od wczesnych maszyn tego typu, ze względu na ich rozmiary i fakt, że kompletny system komputerowy składał się z wielu oddzielonych od siebie jednostek (szaf, obudów) - main frame to była główna jednostka przetwarzajaca dane, Produkcja komputerów mainframe zaczęła się pod koniec roku 1950, poczatek seria IBM 360, RAID, ODRA, URAL, STRELA mainframe y stosuje się gdy potrzebna jest wysoka wydajność I/O, niezawodność oraz jednoczesna obsługa różnorodnych procesów biznesowych.

Architektura komputerów I 14 45 Superkomputery - komputer o wielkiej mocy obliczeniowej Za pierwszy superkomputer uznaje się CDC 6600, który powstał w 1963 roku. Superkomputery rzadko pracuja w pojedynkę. Zwykle spina się je w wielkie układy połaczone sieciami o olbrzymich przepustowościach, które tworza klastry, Trzy pierwsze miejsca w rankingu zajmuje firma IBM, jedna z wersji superkomputera BlueGene/L, osiaga wydajność ponad 600 teraflopsów., Najszybszym nierozproszonym geograficznie superkomputerem w Polsce jest Galera z Centrum Informatycznego TASK w Politechnice Gdańskiej, Maszyna zarzadzana przez system GNU/Linux, której teoretyczna moc obliczeniowa sięga 50 TFLOPS jest wykorzystywana do obliczeń naukowych. Kolejnym pod względem mocy obliczeniowej superkomputerem jest Nautilus zlokalizowany w warszawskim ICM. Na liście najbardziej ekologicznych superkomputerów świata z czerwca 2009 zajmował on pierwsze miejsce.

Architektura komputerów I 15 45 System wbudowany (ang. Embedded system) system komputerowy specjalnego przeznaczenia, który staje się integralna częścia obsługiwanego przez niego sprzętu. Każdy system wbudowany oparty jest na mikroprocesorze (lub mikrokontrolerze), zaprogramowanym do wykonywania ograniczonej ilości zadań lub nawet tylko do jednego, Za pierwszy komputer wbudowany uznaje się ten, który sterował amerykańskim statkiem kosmicznym Apollo,

Architektura komputerów I 16 45 Typy architektur komputera) Von Neumana, Harvardzka.

Architektura komputerów I 17 45 Budowa komputera PC)

Architektura komputerów I 22 45 Istota działania komputera

Architektura komputerów I 23 45 Cykle komputera Sekwencyjne 1 n 2 1 n+1 2 Z prepobieraniem 1 n 2 3 Legenda: 1 - faza pobierania 2 - faza wykonania 3 - faza bezczynnoœci 1 n+1 2

Architektura komputerów I 24 45 Magistrale bitowo szeregowe bitowo równoleg³e clear Bufor out in I/O clk

Architektura komputerów I 25 45 Komunikacja Procesor magistrala adresowa Pamiêæ MAR Adres Zawartoœæ IR Jednostka steruj¹ca PC +1 0 1 2 move add 5 store 3 stop 4 1 MBR 5 2 magistrala danych magistrala steruj¹ca

Architektura komputerów I 26 45 Odczyt Procesor magistrala adresowa Pamiêæ IR Jednostka steruj¹ca 0 MAR 10 PC +1 Adres 0 1 2 Zawartoœæ move add 5 store 3 stop 4 1 move MBR 4 MBR 5 2 magistrala danych magistrala steruj¹ca odczyt

Architektura komputerów I 27 45 Dekodowanie Procesor magistrala adresowa Pamiêæ 0 MAR Adres Zawartoœæ IR move IR 4 Jednostka steruj¹ca 1 PC +1 0 1 2 move add 5 store syg. steruj¹ce 3 stop 4 1 move 4 MBR 5 2 zegar magistrala danych magistrala steruj¹ca

Wykład, semestr I, rok akademicki 2010/2011 Architektura komputerów I 28 45 Wykonywanie rozkazów Rozkaz move 4 magistrala adresowa Procesor 0 4 1 add 4 54 IR move Jednostka steruj¹ca syg. steruj¹ce MAR PC 21 PC 1 +1 1D0 D0 ALU move add 1 54 MBR Pamiêæ Adres Zawartoœæ 0 move 1 add 5 2 store 3 stop 44 11 5 2 magistrala danych zegar magistrala steruj¹ca c Andrzej PIECZYN SKI odczyt

Architektura komputerów I 29 45 Rozkaz add 5 IR add 5 Jednostka steruj¹ca 1 3 D0 ALU + 3 2 MBR 23 MBR z CCR

Architektura komputerów I 30 45 Rozkaz store 5 Procesor magistrala adresowa Pamiêæ IR store 2 5 5 Jednostka steruj¹ca syg. steruj¹ce 3 2 3 store 5 MAR +1 PC 3 D0 ALU 0 MBR Adres 0 1 2 3 4 5 Zawartoœæ move add 5 store stop 1 3 2 zegar magistrala danych magistrala steruj¹ca odczyt zapis

Architektura komputerów I 31 45 Pamiêæ komputera wiêksza szybkoœæ Rejestry pamiêæ podrêczna wiêkszy czas dostêpu wewnêtrzna zewnêtrzna pamiêæ operacyjna pamiêæ dodatkowa wiêkszy koszt wiêksza pojemnoœæ

Architektura komputerów I 32 45 Pamiêæ komputera - wspó³praca CPU rejestry pamiêæ podrêczna sterownik p³yty pamiêæ operacyjna interfejsy I/O 3 pamiêæ dodatkowa

Architektura komputerów I 33 45 Zale noœci czasowe sygna³ów na magistrali synchronicznej Cykl odczytu Cykl zapisu zegar Magistrala adresowa R/W 1 0 1 0 Magistrala danych R/W 1 0 Magistrala danych adres Czas dostêpu do pamiêci Dane wy czas Dane we

Architektura komputerów I 34 45 Pamięć podręczna Cechy charakterystyczne: Szybka, Poprawia komunikację między CPU i pamięcia główna, Korzysta z zasady lokalności (ang. Principle of locality), Pamięć półprzewodnikowa, Bufor między CPU i pamięcia główna, Niewielka pojemność (obniżka kosztów). Zasada lokalności: Lokalność tymczasowa (danych), Lokalność przestrzenna.

Architektura komputerów I 35 45 Zasada dzia³ania pamiêci podrêcznej chybienie CPU obszar Pamiêæ podrêczna blok Pamiêæ operacyjna

Architektura komputerów I 36 45 Zasada dzia³ania pamiêci podrêcznej trafienie kopie CPU obszar Pamiêæ podrêczna blok Pamiêæ operacyjna

Architektura komputerów I 37 45 Pamiêæ podrêczna asocjacyjna Adres pamiêci etykieta s³owo 00002 A Adres szesnastkowy Pamiêæ operacyjna blok 0 blok 1 blok 2 blok N-1 Pamiêæ podrêczna etykieta blok - 00002 blok 2

Architektura komputerów I 38 45 Przeszukiwanie pamiêci podrêcznej Adres z CPU 00002 A poszukiwanie równoleg³e trafienie Bajt do CPU Pamiêæ podrêczna etykieta etykieta etykieta 00002 blok 2 Wybranie bajtu Obszar pamiêci podrêcznej 16 bajtów

Architektura komputerów I 39 45 Pamiêæ podrêczna odwzorowana bezpoœrednio - (ang. direct mapped cache) Adres pamiêci etykieta obszar s³owo 000 00 FFF Pamiêæ operacyjna blok 0 : blok 4095 Pamiêæ podrêczna 01 000 FFF blok 0 : blok 4095 etykieta blok 01 blok 0 obszar 000 001 00 blok 4095 FF 000 FFF blok 0 blok 4095

Architektura komputerów I 40 45 Dostêp do pamiêci - odwzorowanie bezpoœrednie Adres z CPU 0F 008 5 wybór Numer obszaru obszaru 000 : 008 : FFF porównanie etykiet bajt do CPU Pamiêæ podrêczna etykieta blok wybór bajtu 0F trafienie chybienie

Architektura komputerów I 41 45 Pamiêæ podrêczna ze zbiorowym odwzorowaniem asocjacyjnym (ang. set-associative cache) adres z CPU etykieta zbiór s³owo 0F 008 5 wybór zbiór zbioru 000 : 008 : FFF chybienie Pamiêæ podrêczna wybór bajtu etykieta blok etykieta blok 09 0F etykieta blok etykieta blok trafienie bajt do CPU porównanie etykiet

Architektura komputerów I 42 45 Współpraca pamięci podręcznej z pamięcia operacyjna Algorytmy wymiany zawartości pamięci podręcznej Najdawniej używany (ang. least recently used LRU), FIFO (ang. first-in-first-out). Spójność pamięci podręcznej (ang. unified cache) Zapis przez (ang. write throught), Zapis z opóźnieniem (ang. write back). Średni czas dostępu do pamięci: t av = h t c + (1 h) t m (1) gdzie: h - wskaźnik trafień, t c - czas dostępu dla pamięci podręcznej, t m - czas dostępu do pamięci operacyjnej.

Architektura komputerów I 43 45 Tryby adresowania 1 Bezpośrednie adresowanie rejestru Tryb adresowania w rozkazie w rejestrze w pamiêci Bezpoœrednie adresowanie rejestru Rejestr danych n miêdzy 0 a 7 D n Argument Rejestr adresowy n miêdzy 0 a 7 An Argument

Architektura komputerów I 44 45 Tryby adresowania 2 Adresowanie natychmiastowe Tryb adresowania w rozkazie w rejestrze w pamiêci Adresowanie natychmiastowe Argument

Architektura komputerów I 45 45 Tryby adresowania 3 Adresowanie bezwzględne Tryb adresowania w rozkazie w rejestrze w pamiêci Adresowanie bezwzglêdne Adres Argument

Architektura komputerów I 46 45 Tryby adresowania 4 Adresowanie pośrednie zawartościa rejestru adresowego Tryb adresowania w rozkazie w rejestrze w pamiêci Adresowanie poœrednie An Adres Argument zawartoœci¹ rejestru adresowego

Architektura komputerów I 47 45 Tryby adresowania 5 Adresowanie pośrednie zawartościa rejestru adresowego z postinkrementacja Tryb adresowania w rozkazie w rejestrze w pamiêci Adresowanie poœrednie An zawartoœci¹ rozmiar rejestru adresowego z postinkrementacj¹ Adres Adres + rozmiar Argument

Architektura komputerów I 48 45 Tryby adresowania 6 Adresowanie pośrednie zawartościa rejestru adresowego z predekrementacja Tryb adresowania w rozkazie w rejestrze w pamiêci Adresowanie poœrednie An zawartoœci¹ rozmiar rejestru adresowego z predekrementacj¹ Adres Adres - rozmiar Argument