Kompiuterių architektūra ir operacin ė s sistemos KA-1 paskaita

1. Kompiuterių architektūra ir operacinės sistemosKA-1 paskaita Doc. Stasys Maciulevičius Kompiuterių katedra stasys@ecdl.lt Stasys.maciulevicius@ktu.lt

2. Kaipmes dirbsime? • Paskaitos – kiekvieną antradienį (nuo 17 val.) • Praktiniai darbai – savarankiškai ir “darbo savaitgaliais”: 1. Vasario 19-20 2. Kovo 19-20 3. Balandžio 16-17 4. Gegužės 14-15 • Namų darbas (operacijos modeliavimas) –iki04.16 • Referatas –iki05.14 • Koliokviumas –03.19-20(Procesoriai) • Koliokviumas –04.16-17 (Kompiuterių architektūra) • Egzaminas –06.11-12 • Grįžtamasis ryšys (klausimai, problemos, konsultacijos) – elektroniniu paštu: stasys@ecdl.lt S.Maciulevičius

3. Kaipdirba kompiuteris? • Tarkime, norite papildyti laboratorinio darbo ataskaitą, parengtą anksčiau naudojant programą Word • Ataskaitos failas LabD.doc yra laikomas My Documents aplanke • Word gali būti paleidžiama dukart spragtelėjus failo pavadinimą; po kelių ar keliolikos sekundžių ataskaita bus atverta programos Word lange S.Maciulevičius

4. Kaipdirba kompiuteris? • Kas įvyko ir kaip tai vyko? • Pirmiausia jums reikėjo atverti My Documents aplanką. Tam naudojote pelę; kai tik pajudinate pelę, formuojamas pertraukties signalas, atkreipiantis procesoriaus dėmesį, ir procesorius gauna pelės žymeklio koordinates (ekrane). Kartu su operacinės sistemos programomis (vartotojo grafine sąsaja, Windows Explorer) surandamas aplankas My Documents ir jame esantis failas • Kai dukart spragtelite šio failo pavadinimą, pagal nustatytas failų savybes sistema nustato, kad šis failas atveriamas programa Word • Operacinė sistema inicijuoja Word įkėlimą iš disko į pagrindinę atmintį. Programai ir jos darbui reikalingoms duomenų sritims išskiriama vieta pagrindinėje atmintyje, paruošiamos reikalingos lentelės su informacija apie tikrąją Word vietą atmintyje S.Maciulevičius

5. Kaipdirba kompiuteris? • Kai tik OS nustato, kad procesorius gali pradėti vykdyti Word programą, jis gauna programos pradžios adresą, paskaičiuoja tikrąjį programos pirmosios komandos adresą ir kreipiasi į pagrindinę atmintį • Iš jos perskaitoma ši komanda kartu su informacijos bloku (keliasdešimt baitų); komanda perduodama vykdymui, o blokas siunčiamas į spartinančiąją atmintį [kešą], kad jame esanti informacija procesoriui būtų pasiekiama kur kas sparčiau • Čia pateiktas apytikris programos paleidimo vaizdas. Kai nagrinėsite operacinėms sistemoms skirtą skyrių, susidarysite tikslesnį jos (OS) darbo vaizdą S.Maciulevičius

6. Kaipdirba kompiuteris? • Atkreipkime dėmesį į tai, kad kompiuterio techninės įrangos (procesoriaus, atminties, kešo, disko, pelės) darbas tampriai surištas su operacinės sistemos darbu • Paminėsime tokius dalykus: • pertrauktis ir jų apdorojimo valdymą; • įtaisų (pelės, disko, ...) valdymą; • pagrindinės atminties išskyrimą ir jos darbo valdymą; • adresų pakeitimą tikraisiais; • kešo valdymą; • komandų vykdymą • ir kitus, čia nepaminėtus dalykus S.Maciulevičius

7. Vartotojas Vartotojo taikymai Taikomosios programos Programavimo sistemos Pagalbinės programos Operacinė sistema Kompiuterioaparatūra Vartotojas ir kompiuteris S.Maciulevičius

8. Kompiuterių architektūra • Pirmoji kurso dalis bus skirta kompiuterių architektūrai, kuri apibūdina šios piramidės pagrindą • Operacinė dalis paslepia nuo vartotojo kompiuterių aparatūros ypatumus ir detales • Siekiant efektyviau realizuoti operacines sistemas, aparatūroje pridedami įtaisai, kurie paspartina pertraukčių apdorojimą, mainus tarp pagrindinės atminties ir disko ir t.t. S.Maciulevičius

9. Kurso medžiaga (kompiuterių architektūra) • J.L.Hennessy, D.A.Patterson. Computer Architecture: A Quantitative Approach. - Morgan Kaufman, San Mateo, CA, 1990, 1996, 2003 • W.Stallings. Computer Organization and Architecture: Designing for Performance. - Prentice Hall Int., 2000 S.Maciulevičius

10. Kurso medžiaga • Guk M. Apparatnyje sredstva IBM PC. S.-P., Piter, 1999 • Paskaitų skaidrės • www.ifko.ktu.lt/~stama– toliau žr. modulio pavadinimą • Kiti šaltiniai Internete –žr. nuorodas mano tinklalapyje S.Maciulevičius

11. Kompiuterių architektūra ir operacinės sistemos ĮVADAS S.Maciulevičius

12. Praeitis iki atsirandant kompiuteriams: • abakas, skaitytuvai • 1642 m., B.Paskalis - pirmasis mechaninis skaičiavimo įtaisas • 1673 m., G.Leibnicas - mechaninė skaičiavimo mašina • 1822 m.,Č.Bebidžas - "skirtuminė" mašina • 1854 m., Dž.Būlis - knyga "Mąstymo dėsniai" S.Maciulevičius

13. Kompiuterių eros pradžia • Dž.Atanasovas (JAV,kompiuteris ABC), K.Cūzė(Vokietija, 1942 m.), H.Aikenas (JAV, 1944 m.) • Dž.P.Eckertas ir Dž.Močli (Pensilvanijos univ.) - pirmasis elektroninis bendrosios paskirties kompiuterisENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator); U formos kompiuteris buvo 24 metrų ilgio, 2,5 m. aukščio ir svėrė apie 30 tonų. Viso kompiuteryje - 18000 elektroninių lempų. • 1944 m. Dž. fon Neimanas pradėjo dirbti prie ENIAC projekto. Projekto autoriai parengė atmintyje saugomos programos panaudojimo idėją. Tai davė pradžią plačiai žinomai sąvokai “Fon Neimano kompiuteris”. S.Maciulevičius

14. von Neuman'o tipo kompiuteris Dauguma šiandien dar naudojamų ir gaminamų kompiuterių sukurti remiantis pagrindiniais principais, kuriuos daugiau kaip prieš 60 metų suformulavo J. von Neuman, H.Burks ir A.Goldstine. Autoriai savo idėją suformulavo taip: Principinės mašinos komponentės yra: • Kadangi tai turi būti bendros paskirties skaičiavimo mašina, joje turi būti tokie įtaisai, kaip aritmetinis, atminties, valdymo ir ryšio su žmogumi; mašina bus visiškai automatinė; • Mašina turi saugoti atmintyje tokia pačia forma ne tik skaičiavimams reikalingą skaitmeninę informaciją (duomenis, funkcijų lenteles, tarpinius rezultatus), bet ir komandas, valdančias skaičiavimą; skaičiavimo mašinoje turi būti įtaisas programoms saugoti, o taip pat įtaisas, kuris jas suprastų ir valdytų jų vykdymą; S.Maciulevičius

15. von Neuman'o tipo kompiuteris • Konceptualiai mes apsvarstėme dvi skirtingas atminties formas - skaičių ir komandų atmintį; jei komandos bus koduojamos skaičiais ir jei mašina sugebės atskirti jas nuo skaičių, viskas gali būti saugoma vienoje atmintyje. • Jei atmintis tik saugo komandas, mašinoje turi būti organas, kuris automatiškai jas vykdo; šį organą vadinsime valdymu. • Kadangi tai yra skaičiavimo mašina, joje turi būti aritmetinis įtaisas, kuris vykdytų aritmetines operacijas (sudėtį, atimtį, daugybą, dalybą), o taip pat ir kitas dažnai sutinkamas operacijas. • Joje taip pat turi būti įvedimo ir išvedimo įtaisas, kuris leistų operatoriui komunikuoti su mašina. Burks A.W., Goldstine H.H., von Neuman J. Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument, in: Taub A.H.(ed.):Collected Works of John von Neumann, vol.5, MacMillan, New York 1963, p.34-79. S.Maciulevičius

16. Komandų procesorius Duomenų procesorius Įvesties ir išvesties procesorius Ryšio įtaisas (magistralė) Atmintis von Neuman'o tipo kompiuteris Pagal šį paaiškinimą galima nubraižyti tokią kompiuterio struktūrą: S.Maciulevičius

17. von Neuman'o tipo kompiuteris • Komandų ir duomenų procesorius įprasta apjungti į vienąįtaisą – centrinį procesorių (CPU). CPU interpretuoja ir vykdo programos komandas (išskyrus informacijos įvedimo ir išvedimo komandas) • Atmintyje saugomi visi duomenys ir programos • Įvesties ir išvestiesįtaisas kartu su periferiniais įtaisais užtikrina kompiuterio ryšį su aplinka • Vidiniai duomenų keliai – magistralės - užtikrina informacijos mainus tarp visų kompiuterio įtaisų S.Maciulevičius

18. duomenų magistralė 1 adresų magistralė RN AR AC T KR PC ATM R1 DR ALU duomenų magistralė 2 Detalesnė kompiuterio struktūra Komandų procesorius Duomenų procesorius S.Maciulevičius

19. Kompiuterio struktūra Čia pažymėta: - T - laikinam operandųsaugojimui skirtas (papildomas) registras, - KR - komandos registras, - PC - programos skaitiklis, - ATM - atmintis, - AR - jos adreso registras, - DR - jos duomenų registras. S.Maciulevičius

20. Komandos vykdymo procesas Detaliau nagrinėjant komandos vykdymo procesą, galima išskirti daugiau smulkesnių žingsnių, pavyzdžiui: 1. Išrinkti iš atminties komandą ir įrašyti ją į komandos registrą. 2. Pakeisti komandos skaitiklio, kuris nurodo vykdomos komandos adresą, turinį. 3. Nustatyti išrinktos komandos tipą. 4. Jei komandoje nurodyti duomenys yra atmintyje, nustatyti jų vietą. 5. Jei reikia, išrinkti iš atminties duomenis ir perduoti juos į CPU registrus. 6. Vykdyti komandoje nurodytą operaciją. 7. Rezultatus įrašyti į nurodytą vietą. 8. Pereiti į 1 žingsnį kitai komandai vykdyti. S.Maciulevičius

21. Informacijos tipai kompiuteriuose nskilčių dvejetainis žodis kompiuteryje atitinka tokius informacijos tipus: • duomenis (skaičius, dvejetainius vektorius ar simbolius), • komandas, • atminties lastelių arba įvesties ir išvestiesįtaisųadresus. S.Maciulevičius

22. Informacijos tipai kompiuteriuose • duomenys : +108: -108: 17,25: A = 41H: S.Maciulevičius

23. Informacijos tipai kompiuteriuose • komandos: - IBM/360 procesorių sudėties komanda AR 5, 9(sudedami dviejų registrų turiniai): - Intel šeimos procesorių sudėties komanda add r/m, m/r (sudedami dviejų registrų arba atminties ir registro turiniai): 000000dw mod reg r/m Variantas add ax, bx (ax:= ax + bx): S.Maciulevičius

24. Praeitis ir dabartis Kompiuterių eros vidurys • IBM, investavusi 5 mlrd. dolerių, 1964 m. paskelbė apie sistemąIBM/360(šeimą): • (beveik) ta pati komandų sistema • (beveik) ta pati operacinė sitema • didėjanti sparta • didėjanti atminties talpa: S.Maciulevičius

25. Praeitis ir dabartis IBM System/360 S.Maciulevičius

26. Praeitis ir dabartis Toliau .... • 1965 m. DEC pristatėPDP-8 - pirmąjį komercinį minikompiuterį (apie 20 000 dol.) mašiną • 1971 m.– pirmasis mikroprocesorius (Intel 4004) • 1973 m.Gary Kildall parašė paprastą operacinę sistemą naudodamas PL/M kalbą - CP/M (Control Program/Monitor arba Control Program for Microcomputer ). • 1981 IBM pristatė IBM 5150 PC (4.77-MHz Intel 8088 CPU, 64KB RAM, 40KB ROM, vienas 5.25” lanksčių diskelių įtaisas ir PC-DOS 1.0), už $3000. • 1985 m. Microsoft pateikė Microsoft Windows 1.0, už $100. ir t.t. S.Maciulevičius

27. Kompiuterių parametrai S.Maciulevičius

28. Kompiuterių parametrai S.Maciulevičius

29. Įvesties įtaisas Pagrindinė atmintis Išvesties įtaisas Programa ir pradiniai duomenys Rezultatai Išorinė atmintis Procesorius Pirmųjų kartų kompiuteriųstruktūra Procesorius – kartu ir centrinis valdymo įtaisas: jis ne tik interpretuoja programą ir vykdo komandas, bet ir valdo pradinių duomenų įvedimą bei rezultatų išvedimą S.Maciulevičius

30. ĮĮ IĮ Proce- sorius Pagr. atmintis Kana- las Kana- las MD MJ Trečiosios kartos kompiuterių struktūra Čia informacijos apdorojimo procesas atskirtas nuo jos įvedimo ir išvedimo. Duomenų įvedimą bei rezultatų išvedimą (taip pat ir mainus su išorine atmintimi) valdo specialūs įtaisai, vadinami kanalais arba įvesties ir išvesties procesoriais. Procesorius interpretuoja programą ir vykdo komandas bei valdo kanalų darbą. S.Maciulevičius

31. Proce- sorius Pagr. atmintis Konsolė Išvesties modulis Įvesties modulis Išorinė atmintis Bendroji magistralė Minikompiuterių struktūra Čia visi sistemos elementai sujungti tarpusavyje bendra magistrale. Lengva prijungti papildomus modulius, tačiau bendra magistralė – siaura sistemos vieta, ribojanti sistemos darbą. S.Maciulevičius

32. Išvesties įtaisas Įvesties įtaisas Proce- sorius Pagr. atmintis Kontro- leris Kontro- leris Bendroji magistralė Ties.mainų kanalas Laikmatis Išorinė atmintis Pirmųjų personaliniųkompiuterių struktūra S.Maciulevičius

33. Kešas Proce- sorius Pagr. atmintis Grafika Tiltas 1 Standusis diskas Tiltas 2 Išvesties įtaisas Įvesties įtaisas Išvesties įtaisas LAN Įvesties įtaisas Personalinių kompiuteriųstruktūra - 1 S.Maciulevičius

34. Personalinių kompiuteriųstruktūra - 2 Proce- sorius Pagr. atmintis Grafika Tiltas 1 Standusis diskas Tiltas 2 Išvesties įtaisas Įvesties įtaisas Išvesties įtaisas LAN Įvesties įtaisas S.Maciulevičius

35. Proce- sorius Pagr. atmintis Grafika Tiltas 1 Standusis diskas Tiltas 2 Išvesties įtaisas Įvesties įtaisas Išvesties įtaisas LAN Įvesties įtaisas Naujųjų personalinių kompiuteriųstruktūra S.Maciulevičius

36. Kompiuterių klasifikacija Pagal panaudojimo sritį: • moksliniams-techniniams skaičiavimams, • komerciniai, • laboratoriniai, • procesų valdymo, • biuro, • namų, • kelioniniai (portatyvūs PC). S.Maciulevičius

37. Kompiuterių klasifikacija Pagal dydžio klasę: • delniniai kompiuteriai, • namų (asmeniniai) kompiuteriai, • personaliniai kompiuteriai (desktop), • nešiojami kompiuteriai, • darbo stotys, • minikompiuteriai, • mainframe, • superkompiuteriai. S.Maciulevičius

38. Kompiuterių klasifikacija Superkompiuteriai skirti ypač sudėtingiems skaičiavimams (vadinamieji “didžiojo iššūkio” – Grand Callenge uždaviniai), žinių bankų ir tinklinių duomenų bazių apratnavimui. Superkompiuteriaibūna įvairūs: • ypač našūs specialiai suprojektuoti kompiuteriai, • tūkstančius procesorių turintys kompiuteriai (multiprocesoriai), • klasteriai ir gridas – įvairių kompiuterių junginiai. S.Maciulevičius

39. Kompiuterių klasifikacija Didieji kompiuteriai(mainframes) skirti sudėtingiems skaičiavimams, didelėms vartotojų grupėms, tinklinėms duomenų bazėms aptarnauti. Klasikiniai didieji kompiuteriai– sistemos IBM/360, IBM/370, IBM S/390. Atrodė, kad jų laikai jau praeina, tačiau IBM firmos specialistai teigia, kad pusė visų duomenų pasulio informacinėse sistemose turi būti saugoma didžiuosiuose kompiuteriuose. S.Maciulevičius

40. Kompiuterių klasifikacija Minikompiuteriaiatsirado tuojau po IBM/360 pasirodymo. Tai buvo DEC mašinos PDP-8, skirtos nedidelėms firmoms. Vėliau DEC gamino dar populiaresnius PDP-11 šeimos modelius. Minikompiuterių populiarumas greitai augo, tad DEC tapo antrąja firma kompiuterių gamyboje (po IBM). Vilniaus SM SKB buvo suprojektuoti ir Skaičiavimo mašinų gamykloje buvo gaminami minikompiuteriai CM-1600, atitinkantys PDP-11/34 (papildytą specprocesoriumi). Darbo stotimisvadinami kompiuteriai, skirti profesionaliam darbui naudojant kompiuterių tinklo resursus.Dažniausiai tai automatizuotam projektavimui skirti kompiuteriai. S.Maciulevičius

41. Kompiuterių klasifikacija Personaliniai (asmeniniai) kompiuteriai(desktop) skirti iš esmės neprofesionaliems vartotojams, dažniausiai dirbantiems autonominiu režimu. Nešiojami kompiuteriaipradžioje buvo skirti tik kelionėje esantiems vartotojams, dažniausiai darbui naudojat baterijos energiją. Dabar – kur kas plačiau Tinklo kompiuteriaisvadinami supaprastinti personaliniai kompiuteriai, skirti naudotis kompiuterių tinklo informaciniais resursais. S.Maciulevičius

42. Kompiuterių klasifikacija Pagal operandų saugojimo vietą: • akumuliatoriaus, • steko, • bendrosios paskirties registrų, • load/store, • atmintis-atmintis. Pagal sudėtingumą: • RISC (Reduced Instruction Set Computer) - supaprastintos komandų sistemos kompiuteriai, • CISC (Complex Instruction Set Computer) - sudėtingos komandų sistemos kompiuteriai. S.Maciulevičius

43. TOP 500 (2009 lapkritis) S.Maciulevičius

44. Jaguar (Cray XT5-HE ) S.Maciulevičius

45. Jaguar (Cray XT5-HE ) Jaguar pagrindas – 6 branduolių Opteronprocesoriai, dirbantys 2,6 GHz dažniu 224256 branduolių, OSCray Linux Environment Kiekviename mazge (o jų – 18688) – du 6 branduolių AMD Opteron procesoriai su 16 GB atminties Pamatuotas našumas - 1759 TFLOPų – 1,759 petaflopo; gauta sprendžiant lygčių sistemą su 5474272 nežinomųjų Pagrindinė atmintis – 362 TB, diskų talpa – 10 PB Sunaudoja 6,950 MW energijos S.Maciulevičius

46. Jaguar (Cray XT5-HE ) 2005 metais buvo 25 TFLOP’ų Cray XT3 sistema 2008 metų pradžioje Jaguar buvo 205 TFLOP’ų Cray XT4 sistema; sistemos pagrindas – 4branduolių Opteronprocesoriai, dirbantys 2,1 GHz dažniu (viso branduolių – 30976) 2008 metų pabaigoje Jaguar buvo išplėsta pridedant 1,4 petaflopų (teoriškai) Cray XT5; sistemos pagrindas – 4branduolių Opteronprocesoriai, dirbantys 2,3 GHz dažniu (viso branduolių – 150152); pamatuotas našumas - 1059 TFLOP’ai S.Maciulevičius

47. IBMRoadrunner IBM Roadrunner pagrindas – skirtingų tipų procesoriai: AMD 1,8 GHz Opteron (jų yra 6562) ir IBM 3,2 GHz PowerXCell 8i (jų yra 12240; sukurti žaidimų kompiuteriams Sony PlayStation 3) Naudojami plonieji moduliai TriBlades, sujungti Infiniband tinklu (opt. kabelių ilgis – 55 mylios) TriBlades turi du dviejų branduolių Opteronus ir keturis Cell 8i Pagrindinė atmintis – 98 TB 278 šaldytuvo dydžio spintos; užima apie 560 m2 plotą, sveria apie 226 tonas. Kaina - 133 mln USD Sunaudoja 2.35 MW energijos, efektyvumas - 437 Mflops/W S.Maciulevičius

48. IBMRoadrunner S.Maciulevičius

49. Kitą kartą INFORMACIJA IR JOS KODAVIMAS Informacijos tipaikompiuteriuose Sveikieji skaičiai Dvejetainėstrupmenos Neigiamųskaičių kodavimas Sveikųjų skaičių sudėtis ir atimtis Slankaus kablelio skaičiai Dešimtainiai skaičiai Simbolių kodavimas Grafinės informacijos kodavimas S.Maciulevičius