Racunarstvo i informatika III

1
Racunarstvo i informatika III

• Lekcija 2 - Pravci razvoja kompjuterskih
  arhitektura

2
Šta cemo uciti

• Arhitektura, konfiguracija, organizacija
• Familije racunara
• Mikroracunarski sistemi
• Tehnološki trendovi
• Kako napraviti bolji kompjuter

3
RACUNARSKI SISTEMI

• Šta podrazumevamo pod racunarskim sistemom?
• Konfiguracija
• sastav hardvera komponenete, OD CEGA je
  napravljen
• Arhitektura
• osobine znacajne za programiranje (mašinski
  jezik, broj i namena registara u procesoru,
  komunikacija procesora sa drugim uredajima
  sistema,...) - ŠTA može sistem da radi
• Organizacija
• KAKO su mogucnosti realizovane
• Familiju racunara cine racunari iste arhitekture,
  a razlicite organizacije, konfiguracije. Iza
  oznake familije racunara obicno se nalazi oznaka
  modela racunara. Modelracunar iste arhitekture i
  organizacije, npr. IBM 360/44, PC AT,

4
Familija racunara - ista arhitektura, razlicita
organizacija

• IBM S/360 ? S/370 ? S/390
• Intel 80x86
• 16-bitni
• P1 8086, 8088 P2 80286
• 32-bitni
• P3 80386 P4 80486 P5 Pentium, Pentium MMX
• P6 Pentium Pro, Pentium II, Celeron, Pentium II
  XEON, Pentium III, Pentium III XEON
• P7 Pentium IV
• Power PC (Performance Optimization With Enhanced
  RISC)
• IBM RISC System/6000 - POWER1 ? ? POWER4

5
Familije mikroprocesora
INTEL
MOTOROLA
DEC
INTERNI BUS 4 bitni 8 bitni 16 bitni 24
bitni 32 bitni 64 bitni
4004
6502 Commodore PET TRS 80, Atari Apple II, GS
6800 6809
8008, 8080 CP/M
8086 IBM PC MS-DOS 8088 (8 bit I/O) -
XT 80186
DEC LSI 11
TI 99/4
80286 IBM PC-AT
386 Windows 486 586 Pentium Pentium
Pro Pentium II, III, 4
68000... Macintosh Amiga
PowerPC 601.. 620
Plus projekti IBM Control Data Burroughs/Unisys H
ewlett Packard Sun...
DEC ALPHA
Itanium
6
Klase racunarskih sistema

• Personalni kompjuteri
• Desktop
• Laptop
• Serveri
• Istorijski minikompjuteri, mainframe,
  superkompjuteri
• Donja granica je napredna desktop konfiguracija
• Gornja granica je superkompjuter (preko 100
  procesora, terabajti memorije, petabajti
  informacija na izmenjivim medijima - storage)
• Integrisani Embedded kompjuteri
• Veš mašina
• Mobilni telefon
• PDA
• Video game

7
Prodaja procesora po klasama rašunarskih sistema

8
Klase racunarskih sistema

• Zajednicko za sve vrste - zasnovani na istim
  principima projektovanja, teoretskom modelu
  kompjutera koji se naziva Fon Nojmanova
  (Von-Neumann) arhitektura (1946)
• Razlike - brzina, kapacitet, ulaz/izlaz i sl.

9
Karakteristike Fon Nojmanove arhitekture

• 1. Kompjuter se sastoji od 4 osnovna podsistema
• 1.1 Memorije
• 1.2 Ulaza-izlaza
• 1.3 Aritmeticko-logickog organa (ALU)
• 1.4 Upravljackog organa (Control Unit - CU)
• 2. Koncept unutrašnjeg programa
• Instrukcije se zapisuju binarnim brojevima i
  cuvaju u memoriji
• 3. Sekvencijalno izvršavanje instrukcija
• Instrukcije se donose jedna po jedna iz OM u CU,
  gde se dekodiraju i zatim izvršavaju

10
Šta je mikroracunarski sistem?

• Mikroracunarski sistem (MRS) Racunarski sistem
  zasnovan na mikroprocesoru
• Mikroprocesor CPU izveden u jednom cipu ili
  cipsetu
• Cipset (chipset) - skup cipova projektovan da
  tesno saraduju i funkcionišu kao celina pri
  izvršavanju nekog zadatka, npr. skup integrisanih
  kola kao što je programski kontroler signala
  prekida koji podržavaju CPU, zajedno sa samim CPU
• Svi današnji kompjuteri imaju CPU izveden u
  jednom cipu
• Pošto se van cipa sporije radi, što više posla
  treba obavljati u samom cipu
• 2.26 GHz P4
• Van CPU se radi na 500 MHz
• 2 nivoa keš memorije u samom cipu

11
Vrste mikroracunarskih sistema

• Integrisani mikrokompjuteri
• Single board computer - SBC
• Obicno kompjuter ugraden u sam proizvod
• Osobine Specijalizovani za jedan fiksni zadatak,
  minimum hardvera za podršku zadatka
• Minimizovani cena, napajanje, težina, velicina
• Primeri PostScript printer, mikrotalasna
  pecnica, mobilni telefon
• Mikrokontroleri
• Cela ploca je svedena na jedan cip - najcešca
  vrsta mikrokompjutera
• CPU, memorija, I/O
• Primeri 68HC11 (memorijski kontroler 815
  cipseta), 8051
• Modularni mikroracunari
• Moduli povezani sistemskom magistralom (busom)
• Obicno kompjuteri opšte namene
• Osobine
• Koriste se za rešavanje širokog spektra problema
• fleksibilan hardver za podršku razlicitih
  aplikacija
• Primeri personalni kompjuteri, fabricki
  kontroleri

12
Trendovi u razvoju mikroprocesora

• Stalni zahtev za povecanje brzine mikroprocesora
• Debljina silicijumskih ploca ima tehnološka
  ogranicenja (ispod odredene debljine,
  silicijumske ploce postaju krte i neupotrebljive)
• Inace, poluprovodnicki cipovi se ne koriste SAMO
  za izgradnju procesora, vec se koriste i u
  telekomunikacionim uredajima, perifernim
  uredajima racunara, poluprovodnickim
  memorijama,...

13
Primer - Osnovne karakteristike Intelovih
mikroprocesora
14
Primer - Osnovne karakteristike Pentium 4
mikroprocesora
15
Primer Detaljnije karakteristike nekih Pentium
4 mikroprocesora
16
Broj tranzistora ugradenih u CPU
Tehnološki trendovi
Alpha 21264 15 miliona Pentium Pro 5.5
miliona PowerPC 620 6.9 miliona Alpha 21164 9.3
miliona Sparc Ultra 5.2 miliona
Moores Law
Murov zakon 2x tranzistora/cipu svakih 1.5
godina
17
Kapacitet DRAM memorije
Tehnološki trendovi
godina kapacitet (MB) 1980 0.0625 1983 0
.25 1986 1 1989 4 1992 16 1996 64 1999 256 20
00 1024 1.55x/godišnje, ili
udvostrucavanje svakih 1.6 godina
18
Komjuterska tehnologija se dramaticno menja!
(podaci iz 2003. god)

• Procesori
• 2x više komponenti u cipu svake 3 godine
• 2x brži svakih 1.5 godina 1000x performanse u
  poslednjoj dekadi
• Memorije
• Kapacitet DRAM 4x za 3 god 1000x kapacitet u
  poslednjoj dekadi
• Cena po bitu Smanjuje se oko 25 godišnje
• Brzina 1.4x za 10 godina.
• Diskovi
• Kapacitet 2x veci svake 3 god 200x kapacitet
  u poslednjoj dekadi
• Cena po bitu smanjuje se oko 60 godišnje
• Brzina 1.4x za 10 godina
• Šta vec postaje standard?
• Takt procesora 8 GHz
• Kapacitet memorije 1 GB
• Kapacitet diska 1 TB
• Nove mere! Mega -gt Giga, Giga -gt Tera, Šta dolazi
  posle Tera?

19
Kompjuteri brzine i kapaciteti

• Vreme
• sekunda s 1 nalaženje sloga na traci
• milisec ms 10-3 vreme pristupa disku
• microsec ?s 10-6
• nanosec ns 10-9 vreme pristupa OM
• picosec ps 10-12

• Kapacitet
• byte B 8 bitova jedan karakter
• kilobyte KB 103 B vrlo mali
  fajl poruka 1 stranica
• megabyte MB 106 B OM
  tipican fajl 1 slika
• gigabyte GB 109 B hard
  drive CD
• terabyte TB 1012 B neke
  velike baze podataka
• petabyte PB 1015 B

20
Kompjuteri sa boljim performansama
Bolji kompjuteri

• Brži
• Poboljšanja
• Tehnologije (komponenti)
• Organizacije
• Arhitekture
• Sa više memorije, specijalno sa vecim kapacitetom
  OM
• Za sisteme postoje ogranicenja kapaciteta OM
• Velicina adresnog registra (MAR), Širina adresne
  magistrale, Cena
• Alternativne memorije - Disk, Trake, CDROM,
• Jeftinije, Znatno sporije
• Virtualna memorija
• Iluzija da raspolažemo memorijom veceg kapaciteta
  od onog koji ima OM
• Kod sistema koji nemaju VM sve informacije koje
  ce biti potrebne CPU pune se unapred u OM
  (staticki)
• Sistem sa VM može da donese CPU i informacije
  koje se nalaze na spoljašnjim memorijama, pa se u
  OM unapred puni samo deo potrebnih informacija, a
  ostale se donose na zahtev (dinamicki)
• Prijateljski nastrojeni
• User-Friendly
• Lako korišcenje mašinskog jezika i omogucavanje
  korišcenja VPJ jezika
• Compiler-Friendly
• Omogucavanje kompajlerima da lako generišu kod u
  mašinskom jeziku

21
Poboljšanja tehnologije
Brži kompjuteri

• Manje je brže
• Vreme ON/OFF je krace i kašnjenja signala su
  manja
• Postoje fizicka ogranicenje smanjivanja dimenzija
  i povecanja gustine komponenti cipova
• Proizvodnja cipova
• Pakovanje
• Brzina elektronskih kola ogranicena je brzinom
  elektrona
• Opticki uredaji
• Biocipovi

22
Poboljšanje organizacije
Brži kompjuteri

• Hardverske implementacije diktirane su
  arhitekturom
• Manje je brže
• Jednostavnost zahteva uniformnost
• Najcešce operacije su najbrže
• Dobar dizajn zahteva dobre kompromise
• Procesor (CU - ALU)
• Brži algoritam sabiranja
• Brži algoritmi za množenje i deljenje
• Nacin povezivanja i širina internih busova
• Vrste registara
• Glavna memorija (OM)
• Brža OM
• Više memorijskih banki
• Keš
• Ulaz/Izlaz (I/O)

23
Poboljšanja arhitekture
Brži kompjuteri

• Balansiranje sistema za postizanje boljih
  performansi
• Sistemski parametri
• Procesor
• Memorijski sistem
• Ulazno/Izlazni sistem

24
Sistemski parametri

• CPU
• Brzina izvršavanja instrukcija - MIPS/MFLOPS
• Broj MIPS-ova može da dovede do zabune
• 8-bit 1 MIPS 32-bit 1 MIPS
• Operativna memorija
• Nivo transfera ciklus/sec x byte/pristup
• Za dato vreme ciklusa, dupliranje nivoa transfera
  postiže se udvostrucavanjem širine memorijske
  reci
• Spoljašnja memorija
• Velicina bloka, broj blokova
• Brzina prenošenja podataka (Data Rate - B) ne
  reprezentuje u potpunosti performanse uredaja
  (Brzina obrtaja, Latencija, Vreme traženja)

25
Od cega zavisi uspešnost racunara?

• Usaglašenost osobina njegovih komponenti
• Osobine izvršavanog programa (proracuni,
  interakcija)
• Operativni sistem
• Kompajler

• Najbolji su oni koji se najviše koriste!

26
Procesor
Brži kompjuteri

• Glavni faktori koji ogranicavaju brzinu procesora
• 1. Potreba za interakcijom sa OM koja je
  višestruko sporija od procesora
• Instrukcije programa i podaci cuvaju se u OM
• Instrukcije i podatke treba donositi u procesor
  (registre) onim redom kojim se se izvršavaju i
  koriste
• Obicno procesori nemaju dovoljno registara i zato
  se ne može izbeci veliki memorijski saobracaj
• 2. Nedostatak hardverskih resursa u samom
  procesoru
• Nedostatak procesorskih registara prouzrokuje
  veliki memorijski saobracaj
• Nedostatak veza medu komponentama procesora
  (zasebnih busova) ogranicava njegovu brzinu
• Nedostatak funkcionalnih blokova i njihovih veza
  ogranicava brzinu

27
Pitanja i zadaci

1. Šta podrazumevamo pod mikroracunarskim sistemom?
2. Definišite konfiguraciju, arhitekturu i
   organizaciju racunarskog sistema.
3. Šta je familija racunara?
4. Koje komponenete imaju Fon Nojmanove mašine?
5. Šta je tipicno za arhitekturu mikroracunarskog
   sistema (MRS)?
6. Navedite vrste mikroracunarskih sistema.
7. Kakvi trendovi važe u razvoju kompjuterskih
   tehnologija?
8. Kako se mogu unaprediti performanse kompjutera?
9. U kom pravcu se vrše poboljšanja tehnologije
   proizvodnje kompjuterskih komponenti i kakva
   ogranicenja postoje?
10. Kako se može unaprediti organizacija racunarskih
    sistema?
11. Šta podrazumevamo pod balansiranjem racunarskih
    sistema za postizanje boljih performansi?

28
Pitanja i zadaci

1. Navedite osnovne sistemske parametre
2. Kakve relacije važe izmedu sistemskih parametara?
3. Koji faktori ogranicavaju brzinu procesora?
4. Kako se može izvršiti ubrzavanje procesora?
5. Kako se difiniše nivo transfera (Throughput)?

29
(No Transcript)