Arhitektura raunarskog sistema dr Bojan Milosavljevi mr Miodrag

Arhitektura računarskog sistema dr Bojan Milosavljević mr Miodrag Nikolić dr Bratislav Blagojević 1

Funkcija računarskog sistema l l Računar je sistem koji se sastoji od više uređaja, međusobno povezanih u funkcionalnu celinu Opšta funkcija računarskog sistema jeste obrada podataka Korisnik saopštava podatke računaru i dobija ih obrađene, u obliku koji može iskoristiti Podaci koji imaju značaj za korisnika i mogu ga podstaći na određenu akciju, postaju informacije 2

Glavne komponente računarskog sistema l l hardware (hardver) – hardware (hardver) fizičke komponente, digitalna elektronska kola i elektronski uređaji – mašina software (softver) – software (softver) ugrađena (razna) programska logika za funkcionisanje (jedne) fizičke mašine 3

Funkcionalne komponente računarskog hardvera l l l snaga računarskog sistema ne proističe samo iz njegove složenosti, . . . već i sposobnosti da izvršava jednostavne operacije velikom brzinom kombinovanjem različitih jednostavnih operacija, računar je u stanju da izvrši komplikovane zahteve korisnikâ memorija ulaz obrada izlaz 4

Funkcionalne komponente računarskog hardvera (2) l l Računar prima ulazne podatke i komande preko različitih ulaznih uređaja Primeri ulaznih uređaja: l l l tastatura, pokazivački uređaji: miš, ulaz prsti šake na ekranu = touchscreen, ili na podlozi = touchpad osetljivim na dodir, elektronska olovka. . . , skener, digitalni foto aparat, video kamera, mikrofon, čitač linijskog (engl. bar) kôda memorija obrada izlaz 5

Primeri ulaznih uređaja l tastatura (engl. keyboard) l l l za unos tekstualnih znakova (character, string), prvu i osnovnu potrebu računarskih sistema od njihovog nastanka tastaturu čini skup tastera koji se izrađuju kao mehanički ili membranski prekidači, predviđeni za 20 miliona pritisaka pritiskom na taster uneće se u radnu memoriju računara određena kombinacija brojeva (nula i jedinica), koja odgovara jednom znaku koji se može dobiti u tekstu kodovi: koja kombinacija 0 i 1 za kodovi koji znak → ASCII, unicode značenje tastera i o kodovima biće na vežbama 6

Primeri ulaznih uređaja l pokazivački uređaji (engl. pointing devices) l za ostvarivanje komunikacije pomoću grafičkih predstava između računarskog sistema i korisnika (grafičke predstave prikazuju se na nekom izlaznom uređaju, najčešće monitoru ili ekranu osetljivom na dodir) 7

Primeri ulaznih uređaja (2) l skener l l za prenos u računar podataka o vizuelnim informacijama radi na principu registrovanja koeficijenta refleksije određene boje slike (koja se pri skeniranju osvetljava) podaci o slici se obrađuju u grafičkim aplikacijama podaci o tekstu obrađuju se u programima za prepoznavanje teksta – OCR (Optical Character Recognition) 8

Primeri ulaznih uređaja (3) l digitalni foto aparat i kamera l za dobijanje grafičke slike (fotografija/video) u prihvatljivom obliku za računar l imaju sopstvenu memoriju i mogućnost ugradnje dodatne memorijske kartice l mogućnost povezivanja na računar, prenosa i obrade snimljenih fotografija i video zapisa 9

Primeri ulaznih uređaja (4) l čitač linijskog (bar) kôda l l l za automatsku katalogizaciju (označavanje) primeraka u mnoštvu u trgovini i industrijskim skladištima prelaskom laserskog snopa po linijama bar kôda, očitavaju se podaci i prenose u računar 10

Funkcionalne komponente računarskog hardvera l l Na osnovu zadatih komandi obrađuju se primljeni podaci memorija Obradu podataka vrši centralna procesorska jedinica ili procesor (engl. onaj koji obrađuje) obrada ulaz CPU (Central Processing Unit) od elementarnih aritmetičkih (+, -, * i /) i logičkih operacija (I, ILI, NE. . . ) sastoji se i najsloženija obrada podataka u procesoru izlaz 11

Funkcionalne komponente računarskog hardvera (2) l l l međurezultati i krajnji rezultati radna i spoljna obrade pamte se (memorišu) privremeno (samo do isključenja memorija računara, u toku izvršavanja programa) u unutrašnjoj (radnoj, programa operativnoj) memoriji, obrada ulaz izlaz a trajno u spoljnoj (jer je izvan procesa samog radna = primarna izvršavanja programa obrade) obrade (neophodna u procesu obrade) trajna = masovna memorija spoljna = sekundarna l l najveća količina trajno sačuvanih (nije neophodna za obradu) podataka 12 najčešće magnetni diskovi – hard disk

Funkcionalne komponente računarskog hardvera (3) l l Za prikaz podataka rezultata obrade u upotrebljivoj formi za korisnike koriste se izlazni uređaji Primeri izlaznih uređaja: l l l ulaz monitor, štampač, ploter, zvučnik, . . . celokupni fabrički pogoni i laboratorije memorija obrada izlaz 13

Primeri izlaznih uređaja l Monitor l l l za vizuelni prikaz rezultata obrade sa katodnom cevi CRT (Cathode Ray Tube) – stara tehnologija sa tečnim kristalom LCD (Liquid Crystal Display) parametri: dužina dijagonale, rezolucija (broj elementarnih tačaka – piksela po dužini i širini ekrana), brzina izmene boje, frekvencija osvežavanja slike (refresh rate), ugao gledanja LCD TFT – svaki piksel tranzistori za 3 boje: crvena, zelena, plava (RGB = red, green, blue) TFT – Thin Film Transistors tranzistori na tankom filmu 14

Primeri izlaznih uređaja (2) l Štampač (laserski, ink-jet, matrični) l l l za dobijanje otiska na materijalu, najčešće papiru, ali i ciradi, plastici, tekstilu rezolucija štampe, koja se iskazuje kao broj odštampanih tačaka po inču (engl. dpi = dots per inch) 600, 720. . . 4200 dpi; brzina štampe, koja se izražava kao broj stranica koji se može odštampati u minutu 20 ppm (pages per minute); kapacitet resursa za ostavljanje otiska (zavisno od tehnologije formiranja otiska), izražava se kao broj strana sa tekstom (prosečne potrošnje mastila) koje je moguće odštampati jednim resursom – i do 10000; mogućnost štampanja na više različitih podloga; kapacitet memorije štampača za čuvanje podataka za štampu 15

Primeri izlaznih uređaja (3) l Celokupni pogoni i laboratorije l u modernoj tehnologiji teži se da svi tehnički uređaji mogu biti upravljani računarom l predstavljaju izlazne uređaje sa stanovišta računarskog sistema l CNC bušilice, mašine za vez, fabrike štampanih kola. . . lmašina za vez: prema zabeleženim podacima u računaru o mustri koju treba izvesti, računar upravlja koračnim ("step") motorima za potrebno pomeranje podloge Iznad podloge nalazi se valjak sa iglama na kojima su konci različitih boja Igla sa izabranom bojom je aktivna i odrađuje vez na istom mestu po podlozi koja se pomera. Ceo pogon (u kome može biti 12 i više ovakvih radnih mesta) posmatra 16 se kao jedan izlazni uređaj sa stanovišta upravljačkog računarskog sistema.

l U hemijskoj laboratoriji Kinetički sistem za prelaznu absorpciju reda pikosekundi Izmena kapilarne cevi na kompjuterski upravljanom Perkin-Elmer gasnom hromatografu za analizu strukture gasa Primeri izlaznih uređaja (4) 17

Primeri izlaznih uređaja (5) l U hemijskoj laboratoriji Oxford Ionfab 300 plus sistem upravljan računarom za raspršivanje i nagrizanje pomoću plazme jona argona 18

Funkcionalne komponente računarskog hardvera (4) l Komunikacioni hardver za međusobno povezivanje računara (računarsku komunikaciju) memorija obrada ulaz memorija c ika n u m ko ulaz obrada izlaz ver d r a h ioni o računarskoj komunikaciji govorićemo posebno 19

Funkcionalne komponente računarskog hardvera (5) l l Memorije i komunikacioni hardver često se svrstavaju u tzv. memorija ulazno-izlazne uređaje podaci i ulaze i izlaze u/iz računara ili memorijskih komponenti obrada ulaz memorija c ika n u m ko ulaz obrada izlaz ver d r a h ioni 20

Centralna jedinica računarskog sistema l l l Centralna jedinica računara smešta se u kućište U kućištu računara obezbeđuje se napajanje električnom energijom i povezivanje u celinu funkcionalnih komponenti računarskog sistema Postoje različiti dizajni i ustaljeni formati kućišta savremenih računarskih sistema 21

Centralna jedinica računarskog sistema l Tipovi dizajna (kućišta) modernih računara tablet stoni računar (desktop) formati kućišta stonog računara (prema formatu matičnih ploča): ATX, mini. ATX, BTX, LPX, NLX. . . prenosivi računar (notebook, laptop) 22 “pametni” telefon (smart phone)

Centralna jedinica računarskog sistema l Tipovi dizajna (kućišta) modernih računara “pametna” tabla (smart board) 23

Centralna jedinica računarskog sistema l Tipovi dizajna (kućišta) modernih računara 24

Centralna jedinica računarskog sistema l Unutrašnjost kućišta računara 25

Blok dijagram PC-a i periferija 26

Centralna jedinica računarskog sistema l Matična ploča računara (motherboard/mainboard) l l višeslojna štampana ploča, veliki broj elektronskih i elektromehaničkih elemenata, zalemljenih tehnikom SMB el. kola, veze, priključci i prespojnici (džamperi) za povezivanje i podešavanje funkcionalnih komponenti računara i napajanja BIOS (Basic Input Output System) l instrukcije za početak rada računara - ROM, upisane fabrički na čipu CMOS baterija l čuvanje podešavanja BIOS-a i sata BIOS CMOS baterija 27

Centralna jedinica računarskog sistema (2) l Matična ploča računara (motherboard/mainboard) l štampane linije ili površine od bakra su veze, magistrale (bus) l priključci (konektori) slot socket l slotovi (memorijski, za kartice PCI, PCI express i AGP za grafičku el. karticu) l soket (podnožje za procesor) l prespojnici (džamperi) l l za podešavanja režima rada el. kola na čipu (chipset) prenos i generisanje signala za usklađivanje i povezivanje komponenti sa procesorom l severni most upravlja komunikacijom sa memorijom i AGP slotom (najbrža i mora blizu) l južni most (south bridge), sa ulaznim i izlaznim jed. (sporije) zato može biti dalje od procesora 28

Centralna jedinica računarskog sistema (3) l Matična ploča računara (motherboard/mainboard) socket džamperi 29 priključci napajanja

Centralna jedinica računarskog sistema (4) l Matična ploča računara (motherboard/mainboard) paralelni ATA = IDE kabl 2 IDE konektora na ploči, sa po dva paralelna uređaja na svakom kablu zato jedan master=glavni, a drugi slave=podčinjeni povezuju sa IDE kontrolerom ATA (Advanced Technology Attachment) na novijim računarima, za brži prenos do 6 Gbit/sec i napredna povezivanja diskova 30 serijski ATA = SATA

Centralna jedinica računarskog sistema (5) l Matična ploča računara (motherboard/mainboard) l zadnja strana, izvodi kroz otvor na kućištu za priključenje periferijskih uređaja (koji su izvan kućišta računara) 31

Memorija l El. struja koja predstavlja podatak pretvara se. . . 1. u memorijskoj glavi u fizičku veličinu koja ostavlja trajni glavi trag na memorijskom materijalu (mediju) spoljne memorije ili 2. u napon na izlazu memorijskog elektronskog kola radne memorije (koji se gubi isključenjem napajanja) l 1. 2. 3. vrste memorija prema fizičkom efektu memorisanja: magnetne (hard disk, nekadašnje diskete) optičke (CD, DVD – 0, 1 ili više puta upisivi, blu-ray) električne (efekat el. polja - flash) 32

Memorija (2) najmanja količina informacija (1 bit) se zapamti 1 bit na jednom mestu dejstva memorijske glave l l l pouzdano se razlikuje samo da li ima ili nema efekta primenjene fizičke veličine na materijalu (ne može se pouzdano zabeležiti više od dva različita stanja) u primeni se tome pridružuje značenje zabeleženih brojeva 0 (nema) ili 1 (ima efekta mem. glave) 33

Memorija (3) l 8 bit = 1 B (Bajt, Byte) – najmanja adresibilna jedinica memorije (najmanja količina podataka koja se preuzme ili zapamti u jednom pristupu memoriji), može se zabeležiti jedan znak(od 28 = 256 različitih) 34

Memorija (4) veće jedinice: l l l 1 k. B = 1. 024 B; 1 MB = 1. 024 k. B 1 GB = 1. 024 MB 1 TB = 1. 024 GB svaka lokacija u memoriji od 1 B se adresira, takođe pomoću binarnih brojeva 35

Memorija (5) vrste memorija po načinu pristupa: l l memorije sa sekvencijalnim pristupom l l l do lokacije se dolazi tek posle pristupa susednim, pa je različito vreme pristupa različitim lokacijama npr. magnetne trake (kasete) memorije sa slučajnim pristupom - RAM (Random Access Memory) l l signali koji predstavljaju zadatu adresu automatski aktiviraju ciljnu lokaciju u memoriji preko el. kola dekodera adrese – isto vreme pristupa svakoj lokaciji u memoriji, bez obzira kojoj se prethodno pristupalo 36 koriste se za radnu memoriju

Memorija (6) vrste memorija po mogućnosti upisa: l l memorije samo za čitanje – ROM (Read Only Memory). l l l fabrički ugrađen sadržaj – ne može se više menjati, ali ostaje i posle isključenja napajanja samo za čitanje kada se ugradi u računarski sistem primer: BIOS čip ili moguć upis pomoću programatora - EPROM 1 ili više puta upisive električnim putem – EEPROM = flash memorije za upis i čitanje l primer: RAM (aktuelna DDR III – Double Data Rate) 37

Memorija (7) u slot DDR memorija 38

Keš memorija l l RAM ipak ne radi brzo kao procesor (700 MHz prema nekoliko GHz), pa se između njih u razmeni podataka koristi keš memorija, koja je na čipu mikroprocesora prilikom upisa u memoriju, mikroprocesor mnogo brže preda podatke keš memoriji nego da ih predaje direktno radnoj memoriji memorijski kontroler u severnom mostu na ma-tičnoj ploči predviđa koji će podaci biti potrebni mikroprocesoru i šalje ih unapred u keš L 1 – manji, u jezgru proc. , za instrukcije i podatke, a keš L 2 – veći, u I/O delu procesora 39

Hard disk l l keš memorija kontrolera uspostavlja ravnotežu između spore mehanike i brze elektronike optimalna organizacija podataka na disku osovina diskovi staza 40

Hard disk (2) l priključivanje IDE hard diska 41

Procesor l l 1. 2. osnovni element u kom se obavlja obrada pod. dve funkcionalne celine: aritmetičko-logička jedinica (ALU, U=Unit), u kojoj se obavljaju sve elementarne operacije iz kojih se sastoji i najsloženija obrada podataka, elektronska kola za sabiranje i dr. upravljačka jedinica (CU = Control Unit), koja generiše signale za upravljanje (aktiviranje) ostalih hardverskih komponenti, ali i delova samog procesora 42

Procesor (2) Osnovna struktura mikroprocesora 43

Procesor (3) detaljnija funkcionalna šema: l l Adresna jedinica upravlja pristupom memoriji i njenom zaštitom, npr. proverava da li je dozvoljen pristup određenoj zoni memorije 44

Procesor (4) detaljnija funkcionalna šema: l l l Jedinica magistrala ili ulazno izlazna jedinica (BUS Unit) predstavlja mesto preko koga se mikroprocesor povezuje sa spoljašnjim svetom to jest prima i šalje podatke Ova jedinica takođe pristupa instrukcijama koje se nalaze u memoriji 45

Procesor (5) l detaljnija funkcionalna šema: l Instrukcijska jedinica (Instruction Unit) prihvata instrukcije koje dolaze iz jedinice magistrala i dekodira ih (prepoznaje), pa ih u odgovarajućem formatu šalje u izvršnu jedinicu 46

Procesor (6) detaljnija funkcionalna šema – izvršna jedinica: l l Aritmetička i logička jedinica l l l obavljaju se operacije koje su zadate instrukcijom sadrži koprocesor za rad sa decimalnim br. Skup registara čuvaju podatke koji su potrebni da bi se obavila zadata inst. l broj, vrsta i veličina registara se razlikuju kod tipova pr. 47 l 32 -bitni, jer je dužina registra 32 bita, iako je magistrala širine 64 bita

Procesor (7) detaljnija funkcionalna šema – izvršna jedinica: l l l Mikrokod elektronski blok koji upravlja i određuje rad samog mikroprocesora 48

Procesor (8) detaljnija funkcionalna šema – magistrale: l l l Adresna magistrala, definiše memorijsku lokaciju kojoj procesor treba da pristupi Magistrala podataka se koristi za predaju i prijem podataka (za očitavanje sadržaja memorije ili za upisivanje rezultata operacije) 49

Procesor (9) detaljnija funkcionalna šema – magistrale: l l Kontrolna magistrala l l definiše vrstu pristupa i smer prenosa podataka R/W očitavanje/upis omogućava periferijskim uređajima da komuniciraju sa mikroprocesorom Koristeći kontrolnu magistralu, periferijski uređaji mogu da prekinu trenutni posao mikroprocesora i da ga angažuju za svoje potrebe 50 da li procesor pristupa memoriji ili ul. /izl. uređ. (M)/(I/O)

Procesor (10) l parametri mikroprocesora: 1. brzina radnog takta (u GHz) 2. skup (svih elementarnih) instrukcija procesora (koje se mogu koristiti u programima obrade podataka) 3. dužina procesorske reči (širina magistrale i registara=najkvalitetnije memorije za rad instrukcija) 4. broj instrukcija u sekundi, MIPS – miliona instr. u sec. zavisi od svih navedenih parametara 51

Procesor (11) l Hlađenje mikroprocesora 52

Arhitektura računara l l Kreiranje modela i izbora hardverskih komponenti i načina njihovog povezivanja u računarski sistem koji ispunjava zadate ciljeve u pogledu funkcionalnosti, učinka i troškova. Aspekti arhitekture računara: l l l arhitektura skupa instrukcija (ISA) l (koje čine skup, načini adresiranja, formati i dužine tipova podataka) mikroarhitektura (organizacija računara) l opis putanja podataka, elemenata obrade i čuvanja podataka i kako sprovesti u praksi elektronska kola za arhitekturu skupa instrukcija radi postizanja učinka koji se očekuje projektovanje računarskog sistema (ostalih komponenti sis. ) l npr. putanje podataka = magistrale, kontroleri memorije, 53 obrada podataka izvan CPU, recimo direktan pristup memoriji

Fon-Nojmanova arhitektura računara l l osnova savremenih računara fon-Nojman postavio još 1945. 1. binarni brojni sistem za predstavljanje podataka 2. jedinstveni prostor radne memorije za program (instrukcije) i podatke 54

Fon-Nojmanova arhitektura računara l l osnova savremenih računara fon-Nojman postavio još 1945. 1. binarni brojni sistem za predstavljanje podataka 2. jedinstveni prostor radne memorije za program (instrukcije) i podatke 55

Harvard arhitektura računara Posebnim magistralama odvojeni memorijski prostori za program i podatke 56

Arhitekture računara Fon-Nojman Harvard 57