Osnove arhitekture raunalnikih sistemov Predavatelj Milan Ojsterek Asistenta

Osnove arhitekture računalniških sistemov Predavatelj: Milan Ojsteršek Asistenta: Aleksander Kvas, Milan Zorman

Vsebina predmeta: n Uvod: n n n Lastnosti računalniških sistemov Zgodovina Klasifikacija računalniških arhitektur Zmogljivost računalniških sistemov Mikroprogramirani nivo n n n Osnove zbirnega jezika Horizontalna organizacija Vertikalna organizacija

Vsebina predmeta nadaljevanje n Nivo strojnega jezika n n n n Vodila Von Neumanova in Harvardska arhitektura Cevljenje CISC - RISC Predstavitev podatkov v računalniku Vrste in format ukazov Vrste registrov Vrste naslavljanj

Vsebina predmeta nadaljevanje n Hierarhija pomnilnikov n n n n Lokalnost dostopov Verjetnost zadetka in zgrešitve Predpomnilnik Navidezni pomnilnik Vhodno-izhodne enote Nivo operacijskega sistema Paralelni računalniški sistemi

Literatura n n n D. Kodek: Arhitektura računalniških sistemov. BITIM, Ljubljana 2000. D. A. Patterson, J. L. Hennessy: Computer Architecture A Quantitative Approach. Morgan Kaufman Publishers, INC. , San Mateo, California 1998. W. Stallings: Computer Organization and Architecture, Fifth edition, Prentice Hall 2000. R. J. Baron in L. Higbie: Computer Architecture. Adisson Wesley, Wokingham 1992. A. S. Tanenbaum: Structured Computer Organization. Third Edition, Prentice-Hall, Inc. , Englewood Cliffs 1999.

Pomembno !!! n Obveznosti študentov n n Najmanj 80 % udeležba na vajah Opravljene vaje Ustni izpit Materiali na internetu: n http: //chp. uni-mb. si/oars

Arhitektura in organizacija 1 n Z računalniško arhitekturo definiramo lastnosti računalniškega sistema, kot jih vidi programer če programira na njegovem strojnem nivoju: n n Nabor ukazov, predstavitev podatkovnih tipov na strojnem nivoju, načini naslavljanja ukazov. Z organizacijo računalniškega sistema definiramo lastnosti, ki so nevidne za programerja na strojnem nivoju računalniškega sistema in so odvisne od tehnologije, ki je uporabljena za implementacijo: n Nadzorni signali, vmesniki, seštevalniki, množilniki, pomnilniki ….

Arhitektura in organizacija 2 n n Vsi tipi računalnikov Intel x 86 iz družine imajo isto računalniško arhitekturo. Podobno velja za IBM System/370 družino računalnikov. Kompatibilnost programskega koda ( navzdolna (bacwards), navzgorna (forward) Organizacija je različna za posamezne tipe računalnikov (npr. med Intel 486 in Pentium ali Pentium II)

Kaj vpliva na uspeh in preživetje računalniške arhitekture? n n n n Veliki proizvajalci Baza uporabnikov Obstoječa programska oprema Enostavnost uporabe Konkurenčna cena Arhitektura, ki je neodvisna od tehnologije (razširljivost, prilagodljivost) Odprtost (proizvajalci publicirajo njene specifikacije) Zmogljivost

Struktura in funkcija računalniškega sistema n n S strukturo računalniškega sistema definiramo način kako so komponente računalniškega sistema med seboj povezane S funkcijo računalniškega sistema definiramo posamezne operacije, ki jih izvajajo posamezne komponente računalniškega sistema

Funkcije n Poznamo naslednje funkcije komponent računalnikega sistema: n n Procesiranje podatkov Shranjevanje podatkov Prenos podatkov Nadzor nad operacijami

Pogled na funkcije računalniškega sistema Shranjevanje podatkov Prenos podatkov Nadzorni mehanizem Procesiranje podatkov

Operacije (1) n Prenos podatkov (npr. tipkovnica ali zaslon) Shranjevanje podatkov Prenos podatkov Nadzorni mehanizem Procesiranje podatkov

Operacije (2) n Shranjevanje podatkov (npr. prenos podatkov iz interneta na disk) Shranjevanje podatkov Prenos podatkov Nadzorni mehanizem Procesiranje podatkov

Operacije (3) n Procesiranje podatkov iz pomnilnika (npr. pripis obresti bančnemu računu) Shranjevanje podatkov Prenos podatkov Nadzorni mehanizem Procesiranje podatkov

Operacije (4) n Procesiranje iz pomnilnika v vhodno-izhodne enote (npr. tiskanje podatkov o transakcijah Shranjena bančnem računu) vanje podatkov Prenos podatkov Nadzorni mehanizem Procesiranje podatkov

Struktura računalniškega sistema – najvišji nivo abstrakcije Vhodno-izhodne enote Računalnik Centralna procesna enota Računalnik Glavni pomnilnik Sistemske komunikacijske povezave Vhod/ izhod Zunanje komunikacije

Struktura računalniškega sistema – centralna procesna enota CPE Računalnik V/I Sistemsko CPE vodilo Pomnilnik Registri Aritmetično Logična Enota Povezave Znotraj CPE Kontrolna Enota

Struktura računalniškega sistema – Kontrolna enota CPE ALE Kontrolnal Notranje Enota Vodilo Registri Sekvenčna logika Registri, Multiplekserji in Dekoderji Nadzorni Pomnilnik

Zgodovina računskih strojev n n n Abakus Antiktere (stara Grčija) Obdobje mehanike (uporaba zobnikov) n n Leibnitz Babbage n Analitični stroj Mlin Ukazi Ukazne kartice Podatki Pomnilnik Podatki Podatkovne kartice Tiskalnik in luknjalnik kartic

Zgodovina računskih strojev nadaljevanje n Obdobje elektromehanike n n Holerith – ustanovitelj IBM 1924 Zuse – Z 3 - 1941 n n n n Numerični prikaz – žarnice Pomnilnik – 64 22 bitnih besed Ukazi na luknjanem traku Binarna in desetiška aritmetika Plavajoča vejica 2600 relejev Mark 1 – Aiken – Harvardska arhitektura 1943 n Ukazi A 1, A 2 OP

Zgodovina računskih strojev – elektronski računalniki n n n n ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer Eckert and Mauchly Univerza v Pensilvaniji Izračun poti balističnih istrelkov Začetek 1943 Konec 1946 Uporabljal se je do 1955

ENIAC - podrobnosti n n n n Desetiška števila 20 akomulatorjev za 10 cifer Programiral se je z nastavljanjem 6000 stikal 18 000 elektronk 30 ton 140 k. W porabe električne energije 5000 seštevanj na sekundo Programska enota Stikala Ukazi Podatki Čitalec kartic Centralna procesna enota Tiskalnik Pomnilnik Podatki Luknjalnik kartic

Von Neumannov in Turingov koncept n n n Glavni pomnilnik hrani program in podatke ALE izvaja operacije nad binarnimi števili Nadzorna enota vzame ukaz iz pomnilnika, ga dekodira in izvede Delovanje vhodno – izhodnih enot nadzoruje kontrolna enota Prvi računalnik takšnega tipa so naredili na Princeton Institute for Advanced Studies n n IAS Končan je bil 1952

Struktura Von Neumannovega računalnika Aritmetična in logična enota Vhodno – izhodna enota Glavni pomnilnik Kontrolna enota

IAS - podrobnosti n 1000 x 40 bitne besede n n n Bnarna števila 2 x 20 bitni ukazi v eni pomnilniški besedi – vsak ukaz ima operacijsko kodo in naslov v pomnilniku Registri v CPE n n n n Pomnilniški podatkovni register (Memory Buffer Register - MBR) Pomnilniški naslovni register (Memory Address Register - MAR) Ukazni register (Instruction Register – IR) Ukazni vmesni register (Instruction Buffer Register – IBR) Programski števec (Program Counter – PC) Akomulator (Accumulator – AC) Multiplier Quotient

Struktura IAS - podrobnosti Centralna procesna enota Aritmetična in logična enota Akomulator MQ Vezja ALE MBR Vhodno Izhodna enota Ukazi in podatki IBR PC MAR IR Krmilna enota Vezja KE Naslov Glavni pomnilnik

Poslovni računalniki n n 1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation UNIVAC I (Universal Automatic Computer) US Bureau of Census 1950 calculations Konec 1950 - UNIVAC II n n Hitrejši Več pomnilnika

IBM n 1953 - model 701 n n n Prvi IBM-ov računalnik s shranjenim programom Namenjen znanstvenim izračunom 1955 - model 702 n Namenjen poslovnim aplikacijam

Tranzistorji n n n Zamenjajo elektronk Manjši Cenejši Manj se grejejo in porabijo manj energije Narejeni iz silicija Iznašli so ga v Bellovih Laboratorijih William Shockley

Računalniki, ki so uporabili trazistorsko tehnologijo n n n Druga generacija računalnikov IBM 7000 DEC - 1957 n Proizvedli so PDP-1

Generacije računalnikov n n Prva generacija - Elektronke - 1946 -1957 Druga generacija - Tranzistorji - 1958 -1964 Tretja generacija - Small scale integration (SSI) - 1965 do 100 tranzistorjev na čip Tretja genracija - Medium scale integration (MSI) do 1971 n n Četrta generacija - Large scale integration (LSI) - 1971 -1977 n n 3000 - 100000 tranzistorjev na čip Četrta generacija - Very large scale integration (VLSI)- 1978 do danes n n 100 -3000 tranzistorjev na čip 100 000 – 100 000 tranzistorjev na ćip Ultra large scale integration (ULSI) n Več kot 100 000 tranzistorjev na čip

Prva računalniška generacija n n n n 1946 -1957 Primeri ENIAC, EDVAC, IAS Aritmetika s fiksno vejico Releji in elektronke Strojni in zbirni jezik Čitalci in luknjalci kartic Magnetni boben

Druga računalniška generacija • • • 1958 -1964 Tranzistorji Magnetni diski Feritni pomnilniki Visoki programski jeziki (FORTRAN, COBOL) Primeri IBM 7094, CDC 6600 Paketna obdelava (batch processing) Aritmetika s plavajočo vejico V/I procesorji

Tretja računalniška generacija n n n 1964 – 1978 SSI in MSI integracija Polprevodniški pomnilniki Predpomnilnik Navidezni pomnilnik Mikroprogramiranje Multiprocesiranje Cevljenje Vektorski računalniki (TI-ASC) SIMD računalniki (ILIAC 4) MIMD računalniki (CMMP)

Četrta računalniška generacija n n n 1979 – LSI, VLSI, ULSI RISC Časovno dodeljevanje (time sharing) Paralelno procesiranje (podatkovno vodeni računalniki, sistolična polja, rekonfigurabilni Masovni paralelizem (Connection machine)

Peta računalniška generacija n n n n 1980 – Procesiranje znanja Direktno izvajanje logičnih jezikov (npr. PROLOG – strojni jezik) Inteligentni sistemi Ekpertni sistemi Nevronske mreže Multimedia

Šesta računalniška generacija n n 1980 – Molekularni računalniki Optični računalniki Fotonika

Moore – ov Zakon Law n n n Gordon Moore - soustanovitelj Intel-a Rekel je, da se bo število tranzistorjev na čip podvojilo vsako drugo leto Od 1970 naprej se število tranzistorjev na čip podvoji vsakih 18 mesecev Cena čipov ostaja enaka Večja gostota na cm 2 pomeni krajše električne povezave, kar pomeni večjo zmogljivost. Zmanjševati moramo napajalno napetost, da ne pride do prebojev, povečujemo lahko frekvenco Manj povezav med čipi pomeni večjo zanesljivost

Rast števila tranzistorjev na čip

Grosch – ev zakon Zmogljivot = konstanta * cena 2 Nakup računalnikov iz zgornjega nižjega razreda je bolj ekonomičen, kot nakup računalnikov iz spodnjega višjega razreda.

IBM 360 družina računalnikov n n n 1964 Zamenja serijo 7000 in ni kompatibilna z njenimi izvedenkami Prva planirana “družina” računalnikov n n Enak ali identičen nabor ukazov Enak ali identičen operacijski sistem Iz generacije v generacijo se povečuje zmogljivost (možno število priključenih terminalov, večji pomnilnik, večje število izvedenih ukazov na sekundo) in cena Stikalna povezava med enotami

DEC PDP-8 n n n 1964 Prvi miniračunalnik $16, 000 n n $100 k+ za IBM 360 Uporaba vodil

DEC - PDP-8 vodilna struktura Console Controller CPU Glavni pomnilnik OMNIBUS V/I Modul

Intel n 1971 - 4004 n n 1972 8008 n n Prvi mikroračunalnik Vse CPE komponente na enem čipu 4 bitna arhitektura 8 bitna arhitektura 1974 - 8080 n Prvi splošno namenski mikroračunalnik

Povečevanje zmogljivosti n n n n Cevljenje Povečanje števila registrov in izravnalnikov Vektorsko izvajanje Predpomnilnik (cache) na matični plošči L 1 in L 2 predpomilnik na marični plošči Predvidevanje vejitev (branch prediction) Data flow analiza Spekulativno izvajanje ukazov

Zmogljivost n n n Hitrost procesorjev se povečuje Kapaciteta pomnilnikov se povečuje Hitrost dostopov do pomnilnikov se povečuje počasneje, kot se povečuje hitrost procesorjev

Lastnosti DRAM pomnilnikov in procesorjev skozi čas

Trendi pri uporabi DRAM pomnilnikov

Rešitve n Povečevanje prenosa večjega števila bitov istočasno iz pomnilnika v procesor n n Spremeniti vmesnik do DRAM-a n n Predpomnilnik Zmanjšati frekvenco dostopov do glavnega pomnilnika n n Narediti DRAM “daljši” ne “globlji” Boljši predpomnilnik ali več predpomnilnika direktno na čipu, kjer je CPE Povečati pasovno širino komunikacijske strukture n n Hitrejša vodila Hierarhično organizirana vodila

Flinova klasifikacija računalniških sistemov n n Single instruction, single data stream - SISD Single instruction, multiple data stream SIMD Multiple instruction, single data stream MISD Multiple instruction, multiple data stream. MIMD

Single Instruction, Single Data Stream - SISD n n n En sam procesor En sam tok ukazov Podatki so shranjeni v enem pomnilniku

SISD

Multiple Instruction, Single Data Stream - MISD n n Zaporedje podatkov Pošljejo se množici procesorjev Vsak procesor izvaja druge ukaze nad istim podatkom Model nikoli ni bil implementiran

Single Instruction, Multiple Data Stream - SIMD n n En sam strojni ukaz Nadzorna enota nadzira izvajanje ukaza nad večimi instancami podatkov Več procesnih elementov Vektorski in poljski (array) procesorji čas p 1 p 2 p 3 p 4 p 5 p 6 i 1 i 1 i 1 i 2 i 3 i 2 i 3

SIMD

Multiple Instruction, Multiple Data Stream- MIMD n n Množica procesorjev Sočasno izvršujejo vsak svoje ukaze Vsak ukaz uporablja svoje podatke SMP (Symetric Multiprocessors), grozdi (clusters) in NUMA (Non Uniform Memory Access) sistemi

MIMD – močno sklopljeni rač. Sistem (Tightly coupled)

Močno sklopljeni - SMP n n n Procesorji si delijo skupni pomnilnik Preko skupnega pomnilnika komunicirajo Symmetric Multiprocessor (SMP) n n n Delijo si en sam pomnilnik ali množico pomnilnikov (pool) Delijo si skupno vodilo, preko katerega prihajajo do pomnilnika Čas dostopa do pomnilnika je enak za vse procesorje (UMA – Uniform Memory Access)

Močnosklopljeni rač. sistemi NUMA n n Nonuniform memory access Časi dostopa se razlikujejo glede na del pomnilnika do katerega dostopa procesor

MIMD – šibko sklopljeni rač. Sistem (Loosely Coupled)

Šibko sklopljeni – Grozdi (Clusters) n n n Kolekcija neodvisnih enoprocesorskih sistemov ali SMP-jev Združeni so v grozd Komunicirajo prek skupne komunikacijske povezave (npr. Crossbar) ali računalniške mreže

Delitev računalniških sistemov

Kaj lahko merimo v rač. sistemih? n n n Čas izvajanja programa (execution time) Zakasnilni čas (latency time) - komunikacije Čas odziva (response time) Propustnost (število obdelanih poslov na sekundo – troughtput) Pasovna širina (število dostavljenih podatkov na sekundo bandwith) – pomnilnik, V/I enote, komunikacije

Zmogljivost zmogljivost = 1/čas izvajanja. Y/čas izvajanja. X =1 + n/100 = zmogljivostx/zmogljivost. Y n = 100 *((zmogljivostx – zmogljivost. Y)/zmogljivost. Y) n = ((čas izvajanja. Y/čas izvajanjax)- 1) 100

Pospešek - speedup Pr - zmogljivost z uporabo razširitev Pc – zmogljivost brez uporabe razširitev Sr – Povečanje hitrosti z uporabo razširitev Sr = Pr/Pc

Amhdalov zakon n Izboljšanje zmogljivosti, če uporabljamo izboljšave v računalniku, je omejeno z delom časa, v katerem lahko to izboljšavo izkoristimo.

Amhdalov zakon n n Fr – del časa, ko lahko uporabimo izboljšave Sr – pospešek pri uporabi izboljšave Sc- pospešek sistema Ts – čas izvajanja brez uporabe izboljšave Tn – čas izvajanja z uporabo izboljšave Tn = Ts (1 -Fr+(Fr/Sr)) Sc= Ts/Tn = (1/ (1 -Fr+(Fr/Sr))

Enote za merjenje zmogljivosti n n n n n Dryston Whetston MIPS (Milion Instructions per Second) VUP (VAX MIPS) IBM MIPS MFLOP (Milion Floating Point Instructions per Second) SPECINT, SPECFP TPS (Transactins per Second) MBS (Megabytes per Second)

Zmogljivostni testi n n n n n Drystone Whetstone Linpack Livermore Loops Specmark (12 programov) Transaction Processing Test Debit/credit test Perfect Club Suite Več na http: //www. netlib. org/