Osnove arhitekture racunalni

1
Osnove arhitekture racunalniških sistemov

• PredavateljMilan Ojsteršek
• Asistenta Aleksander Kvas, Milan Zorman

2
Vsebina predmeta

• Uvod
• Lastnosti racunalniških sistemov
• Zgodovina
• Klasifikacija racunalniških arhitektur
• Zmogljivost racunalniških sistemov
• Mikroprogramirani nivo
• Osnove zbirnega jezika
• Horizontalna organizacija
• Vertikalna organizacija

3
Vsebina predmeta - nadaljevanje

• Nivo strojnega jezika
• Vodila
• Von Neumanova in Harvardska arhitektura
• Cevljenje
• CISC - RISC
• Predstavitev podatkov v racunalniku
• Vrste in format ukazov
• Vrste registrov
• Vrste naslavljanj

4
Vsebina predmeta - nadaljevanje

• Hierarhija pomnilnikov
• Lokalnost dostopov
• Verjetnost zadetka in zgrešitve
• Predpomnilnik
• Navidezni pomnilnik
• Vhodno-izhodne enote
• Nivo operacijskega sistema
• Paralelni racunalniški sistemi

5
Literatura

• D. Kodek Arhitektura racunalniških sistemov.
  BI-TIM, 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.

6
Pomembno !!!

• Obveznosti študentov
• Najmanj 80 udeležba na vajah
• Opravljene vaje
• Ustni izpit
• Materiali na internetu
• http//chp.uni-mb.si/oars

7
Arhitektura in organizacija 1

• Z racunalniško arhitekturo definiramo lastnosti
  racunalniškega sistema, kot jih vidi programer ce
  programira na njegovem strojnem nivoju
• Nabor ukazov, predstavitev podatkovnih tipov na
  strojnem nivoju, nacini naslavljanja ukazov.
• Z organizacijo racunalniškega sistema definiramo
  lastnosti, ki so nevidne za programerja na
  strojnem nivoju racunalniškega sistema in so
  odvisne od tehnologije, ki je uporabljena za
  implementacijo
• Nadzorni signali, vmesniki, seštevalniki,
  množilniki, pomnilniki .

8
Arhitektura in organizacija 2

• Vsi tipi racunalnikov Intel x86 iz družine imajo
  isto racunalniško arhitekturo.
• Podobno velja za IBM System/370 družino
  racunalnikov.
• Kompatibilnost programskega koda ( navzdolna
  (bacwards), navzgorna (forward)
• Organizacija je razlicna za posamezne tipe
  racunalnikov (npr. med Intel 486 in Pentium ali
  Pentium II)

9
Kaj vpliva na uspeh in preživetje racunalniške
arhitekture?

• Veliki proizvajalci
• Baza uporabnikov
• Obstojeca programska oprema
• Enostavnost uporabe
• Konkurencna cena
• Arhitektura, ki je neodvisna od tehnologije
  (razširljivost, prilagodljivost)
• Odprtost (proizvajalci publicirajo njene
  specifikacije)
• Zmogljivost

10
Struktura in funkcija racunalniškega sistema

• S strukturo racunalniškega sistema definiramo
  nacin kako so komponente racunalniškega sistema
  med seboj povezane
• S funkcijo racunalniškega sistema definiramo
  posamezne operacije, ki jih izvajajo posamezne
  komponente racunalniškega sistema

11
Funkcije

• Poznamo naslednje funkcije komponent
  racunalnikega sistema
• Procesiranje podatkov
• Shranjevanje podatkov
• Prenos podatkov
• Nadzor nad operacijami

12
Pogled na funkcije racunalniškega sistema

13
Operacije (1)

• Prenos podatkov (npr. tipkovnica ali zaslon)

14
Operacije (2)

• Shranjevanje podatkov (npr. prenos podatkov iz
  interneta na disk)

15
Operacije (3)

• Procesiranje podatkov iz pomnilnika (npr. pripis
  obresti bancnemu racunu)

16
Operacije (4)

• Procesiranje iz pomnilnika v vhodno-izhodne enote
  (npr. tiskanje podatkov o transakcijah na bancnem
  racunu)

17
Struktura racunalniškega sistema najvišji nivo
abstrakcije
Vhodno-izhodne enote
Racunalnik
Centralna procesna enota
Glavni pomnilnik
Racunalnik
Sistemske komunikacijske povezave
Vhod/ izhod
Zunanje komunikacije
18
Struktura racunalniškega sistema centralna
procesna enota
CPE
Aritmeticno Logicna Enota
Racunalnik
Registri
V/I
CPE
Sistemsko vodilo
Povezave Znotraj CPE
Pomnilnik
Kontrolna Enota
19
Struktura racunalniškega sistema Kontrolna enota
Kontrolna enota
CPE
Sekvencna logika
ALE
Kontrolnal Enota
Notranje Vodilo
Registri, Multiplekserji in Dekoderji
Registri
Nadzorni Pomnilnik
20
(No Transcript)
21
Zgodovina racunskih strojev

• Abakus
• Antiktere (stara Grcija)
• Obdobje mehanike (uporaba zobnikov)
• Leibnitz
• Babbage
• Analiticni stroj

22
Zgodovina racunskih strojev - nadaljevanje

• Obdobje elektromehanike
• Holerith ustanovitelj IBM 1924
• Zuse Z3 - 1941
• Numericni prikaz žarnice
• Pomnilnik 64 22 bitnih besed
• Ukazi na luknjanem traku
• Binarna in desetiška aritmetika
• Plavajoca vejica
• 2600 relejev
• Mark 1 Aiken Harvardska arhitektura 1943
• Ukazi A1,A2 OP

23
Zgodovina racunskih strojev elektronski
racunalniki

• ENIAC Electronic Numerical Integrator And
  Computer
• Eckert and Mauchly
• Univerza v Pensilvaniji
• Izracun poti balisticnih istrelkov
• Zacetek 1943
• Konec 1946
• Uporabljal se je do 1955

24
ENIAC - podrobnosti

• Desetiška števila
• 20 akomulatorjev za 10 cifer
• Programiral se je z nastavljanjem 6000 stikal
• 18 000 elektronk
• 30 ton
• 140 kW porabe elektricne energije
• 5000 seštevanj na sekundo

Programska enota
Centralna procesna enota
Pomnilnik
Ukazi
Podatki
Podatki
Stikala
Citalec kartic
Tiskalnik
Luknjalnik kartic
25
Von Neumannov in Turingov koncept

• 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 racunalnik takšnega tipa so naredili na
  Princeton Institute for Advanced Studies
• IAS
• Koncan je bil 1952

26
Struktura Von Neumannovega racunalnika
Aritmeticna in logicna enota
Vhodno izhodna enota
Glavni pomnilnik
Kontrolna enota
27
IAS - podrobnosti

• 1000 x 40 bitne besede
• Bnarna števila
• 2 x 20 bitni ukazi v eni pomnilniški besedi
  vsak ukaz ima operacijsko kodo in naslov v
  pomnilniku
• Registri v CPE
• 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

28
Struktura IAS - podrobnosti
Centralna procesna enota
Aritmeticna in logicna enota
MQ
Akomulator
Vezja ALE
MBR
Vhodno Izhodna enota
Ukazi in podatki
Glavni pomnilnik
PC
IBR
MAR
IR
Vezja KE
Naslov
Krmilna enota
29
Poslovni racunalniki

• 1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation
• UNIVAC I (Universal Automatic Computer)
• US Bureau of Census 1950 calculations
• Konec1950 - UNIVAC II
• Hitrejši
• Vec pomnilnika

30
IBM

• 1953 - model 701
• Prvi IBM-ov racunalnik s shranjenim programom
• Namenjen znanstvenim izracunom
• 1955 - model 702
• Namenjen poslovnim aplikacijam

31
Tranzistorji

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

32
Racunalniki, ki so uporabili trazistorsko
tehnologijo

• Druga generacija racunalnikov
• IBM 7000
• DEC - 1957
• Proizvedli so PDP-1

33
Generacije racunalnikov

• Prva generacija - Elektronke - 1946-1957
• Druga generacija - Tranzistorji - 1958-1964
• Tretja generacija - Small scale integration (SSI)
  - 1965 do 100 tranzistorjev na cip
• Tretja genracija - Medium scale integration (MSI)
  do 1971
• 100-3000 tranzistorjev na cip
• Cetrta generacija - Large scale integration (LSI)
  - 1971-1977
• 3000 - 100000 tranzistorjev na cip
• Cetrta generacija - Very large scale integration
  (VLSI)- 1978 do danes
• 100 000 100 000 000 tranzistorjev na cip
• Ultra large scale integration (ULSI)
• Vec kot 100 000 000 tranzistorjev na cip

34
Prva racunalniška generacija

• 1946-1957
• Primeri ENIAC, EDVAC, IAS
• Aritmetika s fiksno vejico
• Releji in elektronke
• Strojni in zbirni jezik
• Citalci in luknjalci kartic
• Magnetni boben

35
Druga racunalniška generacija

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

36
Tretja racunalniška generacija

• 1964 1978
• SSI in MSI integracija
• Polprevodniški pomnilniki
• Predpomnilnik
• Navidezni pomnilnik
• Mikroprogramiranje
• Multiprogramiranje
• Multiprocesiranje
• Cevljenje
• Vektorski racunalniki (TI-ASC)
• SIMD racunalniki (ILIAC 4)
• MIMD racunalniki (CMMP)

37
Cetrta racunalniška generacija

• 1979
• LSI, VLSI, ULSI
• RISC
• Casovno dodeljevanje (time sharing)
• Paralelno procesiranje (podatkovno vodeni
  racunalniki, sistolicna polja, rekonfigurabilni
• Masovni paralelizem (Connection machine)

38
Peta racunalniška generacija

• 1980
• Procesiranje znanja
• Direktno izvajanje logicnih jezikov (npr. PROLOG
  strojni jezik)
• Inteligentni sistemi
• Ekpertni sistemi
• Nevronske mreže
• Multimedia

39
Šesta racunalniška generacija

• 1980
• Molekularni racunalniki
• Opticni racunalniki
• Fotonika

40
Moore ov Zakon Law

• Gordon Moore - soustanovitelj Intel-a
• Rekel je, da se bo število tranzistorjev na cip
  podvojilo vsako drugo leto
• Od 1970 naprej se število tranzistorjev na cip
  podvoji vsakih 18 mesecev
• Cena cipov ostaja enaka
• Vecja gostota na cm2 pomeni krajše elektricne
  povezave, kar pomeni vecjo zmogljivost.
  Zmanjševati moramo napajalno napetost, da ne
  pride do prebojev, povecujemo lahko frekvenco
  Manj povezav med cipi pomeni vecjo zanesljivost

41
Rast števila tranzistorjev na cip
42
Grosch ev zakon

• Zmogljivot konstanta cena2
• Nakup racunalnikov iz zgornjega nižjega
  razreda je bolj ekonomicen, kot nakup
  racunalnikov iz spodnjega višjega razreda.

43
IBM 360 družina racunalnikov

• 1964
• Zamenja serijo 7000 in ni kompatibilna z
  njenimi izvedenkami
• Prva planirana družina racunalnikov
• Enak ali identicen nabor ukazov
• Enak ali identicen operacijski sistem
• Iz generacije v generacijo se povecuje
  zmogljivost (možno število prikljucenih
  terminalov, vecji pomnilnik, vecje število
  izvedenih ukazov na sekundo) in cena
• Stikalna povezava med enotami

44
DEC PDP-8

• 1964
• Prvi miniracunalnik
• 16,000
• 100k za IBM 360
• Uporaba vodil

45
DEC - PDP-8 vodilna struktura
V/I Modul
Glavni pomnilnik
V/I Modul
Console Controller
CPU
OMNIBUS
46
Intel

• 1971 - 4004
• Prvi mikroracunalnik
• Vse CPE komponente na enem cipu
• 4 bitna arhitektura
• 1972 8008
• 8 bitna arhitektura
• 1974 - 8080
• Prvi splošno namenski mikroracunalnik

47
Povecevanje zmogljivosti

• Cevljenje
• Povecanje števila registrov in izravnalnikov
• Vektorsko izvajanje
• Predpomnilnik (cache) na maticni plošci
• L1 in L2 predpomilnik na maricni plošci
• Predvidevanje vejitev (branch prediction)
• Data flow analiza
• Spekulativno izvajanje ukazov

48
Zmogljivost

• Hitrost procesorjev se povecuje
• Kapaciteta pomnilnikov se povecuje
• Hitrost dostopov do pomnilnikov se povecuje
  pocasneje, kot se povecuje hitrost procesorjev

49
Lastnosti DRAM pomnilnikov in procesorjev skozi
cas
50
Trendi pri uporabi DRAM pomnilnikov
51
Rešitve

• Povecevanje prenosa vecjega števila bitov
  istocasno iz pomnilnika v procesor
• Narediti DRAM daljši ne globlji
• Spremeniti vmesnik do DRAM-a
• Predpomnilnik
• Zmanjšati frekvenco dostopov do glavnega
  pomnilnika
• Boljši predpomnilnik ali vec predpomnilnika
  direktno na cipu, kjer je CPE
• Povecati pasovno širino komunikacijske strukture
• Hitrejša vodila
• Hierarhicno organizirana vodila

52
Flinova klasifikacija racunalniških sistemov

• Single instruction, single data stream - SISD
• Single instruction, multiple data stream - SIMD
• Multiple instruction, single data stream - MISD
• Multiple instruction, multiple data stream- MIMD

53
Single Instruction, Single Data Stream - SISD

• En sam procesor
• En sam tok ukazov
• Podatki so shranjeni v enem pomnilniku

54
SISD
55
Multiple Instruction, Single Data Stream - MISD

• Zaporedje podatkov
• Pošljejo se množici procesorjev
• Vsak procesor izvaja druge ukaze nad istim
  podatkom
• Model nikoli ni bil implementiran

56
Single Instruction, Multiple Data Stream - SIMD

• En sam strojni ukaz
• Nadzorna enota nadzira izvajanje ukaza nad vecimi
  instancami podatkov
• Vec procesnih elementov
• Vektorski in poljski (array) procesorji

procesorji
p5
p1
p2
p3
p4
p6
cas
i1
i1
i1
i1
i1
i1
i2
i2
i2
i2
i2
i2
i3
i3
i3
i3
i3
i3
57
SIMD
58
Multiple Instruction, Multiple Data Stream- MIMD

• Množica procesorjev
• Socasno izvršujejo vsak svoje ukaze
• Vsak ukaz uporablja svoje podatke
• SMP (Symetric Multiprocessors), grozdi (clusters)
  in NUMA (Non Uniform Memory Access) sistemi

59
MIMD mocno sklopljeni rac. Sistem (Tightly
coupled)
60
Mocno sklopljeni - SMP

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

61
Mocnosklopljeni rac. sistemi - NUMA

• Nonuniform memory access
• Casi dostopa se razlikujejo glede na del
  pomnilnika do katerega dostopa procesor

62
MIMD šibko sklopljeni rac. Sistem (Loosely
Coupled)
63
Šibko sklopljeni Grozdi (Clusters)

• Kolekcija neodvisnih enoprocesorskih sistemov ali
  SMP-jev
• Združeni so v grozd
• Komunicirajo prek skupne komunikacijske povezave
  (npr. Crossbar) ali racunalniške mreže

64
Delitev racunalniških sistemov
65
Kaj lahko merimo v rac. sistemih?

• Cas izvajanja programa (execution time)
• Zakasnilni cas (latency time) - komunikacije
• Cas odziva (response time)
• Propustnost (število obdelanih poslov na sekundo
  troughtput)
• Pasovna širina (število dostavljenih podatkov na
  sekundo bandwith) pomnilnik, V/I enote,
  komunikacije

66
Zmogljivost

• zmogljivost 1/cas izvajanja
• cas izvajanjaY/cas izvajanjaX 1 n/100
• zmogljivostx/zmogljivostY
• n 100 ((zmogljivostx zmogljivostY)/zmogljivos
  tY)
• n ((cas izvajanjaY/cas izvajanjax)- 1) 100

67
Pospešek - speedup

• Pr - zmogljivost z uporabo razširitev
• Pc zmogljivost brez uporabe razširitev
• Sr Povecanje hitrosti z uporabo razširitev
• Sr Pr/Pc

68
Amhdalov zakon

• Izboljšanje zmogljivosti, ce uporabljamo
  izboljšave v racunalniku, je omejeno z delom
  casa, v katerem lahko to izboljšavo izkoristimo.

69
Amhdalov zakon

• Fr del casa, ko lahko uporabimo izboljšave
• Sr pospešek pri uporabi izboljšave
• Sc- pospešek sistema
• Ts cas izvajanja brez uporabe izboljšave
• Tn cas izvajanja z uporabo izboljšave
• Tn Ts (1-Fr(Fr/Sr))
• Sc Ts/Tn (1/ (1-Fr(Fr/Sr))

70
Enote za merjenje zmogljivosti

• 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)

71
Zmogljivostni testi

• Drystone
• Whetstone
• Linpack
• Livermore Loops
• Specmark (12 programov)
• Transaction Processing Test
• Debit/credit test
• Perfect Club Suite
• Vec na http//www.netlib.org/