290 likes | 454 Views
Računarstvo i informatika III. Le kcija 2 - P ravci razvoja kompjuterskih arhitektura . U ovoj lekciji . Šta ćemo učiti. Arhitektura, konfiguracija, organizacija Familije računara Mikroračunarski sistemi Tehnološki trendovi Kako napraviti bolji kompjuter. RAČUNARSKI SISTEMI.
E N D
Računarstvo i informatika III Lekcija2 - Pravci razvoja kompjuterskih arhitektura
U ovojlekciji... Šta ćemo učiti • Arhitektura, konfiguracija, organizacija • Familije računara • Mikroračunarski sistemi • Tehnološki trendovi • Kako napraviti bolji kompjuter
RAČUNARSKI SISTEMI • Šta podrazumevamo pod računarskim sistemom? • Konfiguracija • sastav hardvera – komponenete, OD ČEGA je napravljen • Arhitektura • osobine značajne za programiranje (mašinski jezik, broj i namena registara u procesoru, komunikacija procesora sa drugim uređajima sistema,...) - ŠTA može sistem da radi • Organizacija • KAKO su mogućnosti realizovane • Familiju računara čine računari iste arhitekture, a različite organizacije, konfiguracije. Iza oznake familije računara obično se nalazi oznaka modela računara. Model=računar iste arhitekture i organizacije, npr. IBM 360/44, PC AT,…
Familija računara - ista arhitektura, različita 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
Familije mikroprocesora DEC MOTOROLA INTEL 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 Hewlett Packard Sun... DEC ALPHA Itanium
Klase računarskih 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
Klase računarskih sistema • Zajedničko za sve vrste - zasnovani na istim principima projektovanja, teoretskom modelu kompjuterakoji se naziva Fon Nojmanova (Von-Neumann) arhitektura (1946) • Razlike - brzina, kapacitet, ulaz/izlaz i sl.
Karakteristike Fon Nojmanove arhitekture • 1. Kompjuter se sastoji od 4 osnovna podsistema • 1.1 Memorije • 1.2 Ulaza-izlaza • 1.3 Aritmetičko-logičkog organa (ALU) • 1.4 Upravljačkog organa (Control Unit - CU) • 2. Koncept unutrašnjeg programa • Instrukcije se zapisuju binarnim brojevima i čuvaju u memoriji • 3. Sekvencijalno izvršavanje instrukcija • Instrukcije se donose jedna po jedna iz OM u CU, gde se dekodiraju i zatim izvršavaju
Šta je mikroračunarski sistem? • Mikroračunarski sistem (MRS) = Računarski sistem zasnovan na mikroprocesoru • Mikroprocesor = CPU izveden u jednom čipu ili čipsetu • Čipset (chipset) - skup čipova projektovan da tesno sarađuju 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 čipu • Pošto se van čipa sporije radi, što više posla treba obavljati u samom čipu • 2.26+ GHz P4 • Van CPU se radi na 500 MHz • 2 nivoa keš memorije u samom čipu
Vrste mikroračunarskih sistema • Integrisani mikrokompjuteri • Single board computer - SBC • Obično kompjuter ugrađen u sam proizvod • Osobine: Specijalizovani za jedan fiksni zadatak, minimum hardvera za podršku zadatka • Minimizovani cena, napajanje, težina, veličina • Primeri: PostScript printer, mikrotalasna pećnica, mobilni telefon • Mikrokontroleri • Cela ploča je svedena na jedan čip - najčešća vrsta mikrokompjutera • CPU, memorija, I/O • Primeri: 68HC11 (memorijski kontroler 815 čipseta), 8051 • Modularni mikroračunari • Moduli povezani sistemskom magistralom (busom) • Obično kompjuteri opšte namene • Osobine • Koriste se za rešavanje širokog spektra problema • fleksibilan hardverza podršku različitih aplikacija • Primeri: personalni kompjuteri, fabrički kontroleri
Trendovi u razvoju mikroprocesora • Stalni zahtev za povećanje brzine mikroprocesora • Debljina silicijumskih ploča ima tehnološka ograničenja (ispod određene debljine, silicijumske ploče postaju krte i neupotrebljive) • Inače, poluprovodnički čipovi se ne koriste SAMO za izgradnju procesora, već se koriste i u telekomunikacionim uređajima, perifernim uređajima računara, poluprovodničkim memorijama,...
Primer – Detaljnije karakteristike nekih Pentium 4 mikroprocesora
Tehnološkitrendovi Broj tranzistora ugrađenih u CPU Alpha 21264: 15 miliona Pentium Pro: 5.5 miliona PowerPC 620: 6.9 miliona Alpha 21164: 9.3 miliona Sparc Ultra: 5.2 miliona Moore’s Law Murov zakon: 2x tranzistora/čipu svakih 1.5 godina
Tehnološkitrendovi Kapacitet DRAM memorije godinakapacitet (MB) 1980 0.0625 1983 0.25 1986 1 1989 4 1992 16 1996 64 1999 256 2000 1024 1.55x/godišnje, ili udvostručavanje svakih 1.6 godina
Komjuterska tehnologija se dramatično menja! (podaci iz 2003. god) • Procesori • 2x više komponenti u čipu svake 3 godine • 2xbrži svakih 1.5 godina; 1000x performanse u poslednjoj dekadi • Memorije • Kapacitet DRAM: 4x za 3god; 1000xkapacitetu poslednjoj dekadi • Cena po bitu: Smanjuje se oko 25% godišnje • Brzina 1.4x za 10 godina. • Diskovi • Kapacitet: 2xveći svake 3god: 200xkapacitetu poslednjoj dekadi • Cena po bitu: smanjuje se oko 60% godišnje • Brzina 1.4x za 10 godina • Šta već postaje standard? • Takt procesora: 8 GHz • Kapacitetmemorije: 1 GB • Kapacitetdiska: 1 TB Nove mere! Mega -> Giga, Giga -> Tera, Šta dolazi posle Tera?
Kompjuteri: brzine i kapaciteti • Vreme • sekunda s 1 nalaženje sloga na traci • milisec ms10-3vreme pristupa disku • microsecs10-6 • nanosec ns10-9vreme pristupa OM • picosec ps10-12 Kapacitet: • byte B 8 bitova jedan karakter • kilobyte KB103B vrlo mali fajl; poruka; 1 stranica • megabyte MB106 B OM; tipičan fajl; 1 slika • gigabyte GB109 B hard drive; CD • terabyte TB 1012 B neke velike baze podataka • petabyte PB 1015 B
Bolji kompjuteri Kompjuteri sa boljim performansama • Brži • Poboljšanja • Tehnologije (komponenti) • Organizacije • Arhitekture • Sa više memorije, specijalno sa većim kapacitetom OM • Za sisteme postoje ograničenjakapaciteta OM • Veličina adresnog registra (MAR), Širina adresne magistrale, Cena • Alternativnememorije - Disk, Trake, CDROM,… • Jeftinije, Znatno sporije • Virtualna memorija • Iluzija da raspolažemo memorijom većeg kapaciteta od onog koji ima OM • Kod sistema koji nemaju VM sve informacijekoje će biti potrebne CPU pune se unapred u OM (statički) • 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 (dinamički) • Prijateljski nastrojeni • User-Friendly • Lako korišćenje mašinskogjezika i omogućavanje korišćenja VPJ jezika • Compiler-Friendly • Omogućavanje kompajlerima da lako generišukod u mašinskom jeziku
Brži kompjuteri Poboljšanja tehnologije • Manje je brže • Vreme ON/OFF je kraće i kašnjenja signala su manja • Postoje fizička ograničenje smanjivanja dimenzija i povećanja gustine komponenti čipova • Proizvodnjačipova • Pakovanje • Brzina elektronskih kola ograničena je brzinom elektrona • Optički uređaji • Biočipovi
Brži kompjuteri Poboljšanje organizacije • Hardverskeimplementacijediktirane su arhitekturom • Manje je brže • Jednostavnost zahteva uniformnost • Najčešće operacije su najbrže • Dobar dizajn zahteva dobre kompromise • Procesor(CU-ALU) • Brži algoritam sabiranja • Brži algoritmi za množenje i deljenje • Način povezivanja i širina internih busova • Vrsteregistara • Glavnamemorija (OM) • Brža OM • Više memorijskih banki • Keš • Ulaz/Izlaz (I/O)
Brži kompjuteri Poboljšanja arhitekture • Balansiranjesistema za postizanje boljih performansi • Sistemski parametri • Procesor • Memorijski sistem • Ulazno/Izlazni sistem
Sistemskiparametri • 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 udvostručavanjem širine memorijske reči • Spoljašnja memorija • Veličina bloka, broj blokova • Brzina prenošenja podataka (Data Rate - B) ne reprezentuje u potpunosti performanse uređaja (Brzina obrtaja, Latencija, Vreme traženja)
Od čega zavisi uspešnost računara? • Usaglašenost osobina njegovih komponenti • Osobine izvršavanog programa (proračuni, interakcija) • Operativni sistem • Kompajler • Najbolji su oni koji se najviše koriste!
Brži kompjuteri Procesor • Glavni faktorikoji ograničavaju brzinu procesora 1. Potreba za interakcijom sa OM koja je višestruko sporija od procesora • Instrukcije programaipodaci čuvaju se u OM • Instrukcije ipodatke treba donositi u procesor(registre) onim redom kojim se se izvršavaju i koriste • Obično procesori nemaju dovoljno registara i zato se ne može izbeći veliki memorijski saobraćaj 2. Nedostatak hardverskih resursau samom procesoru • Nedostatak procesorskih registaraprouzrokuje veliki memorijski saobraćaj • Nedostatak veza među komponentama procesora (zasebnih busova) ograničava njegovu brzinu • Nedostatak funkcionalnihblokova i njihovih veza ograničava brzinu
Pitanja i zadaci • Šta podrazumevamo pod mikroračunarskim sistemom? • Definišite konfiguraciju, arhitekturu i organizaciju računarskog sistema. • Šta je familija računara? • Koje komponenete imaju Fon Nojmanove mašine? • Šta je tipično za arhitekturu mikroračunarskog sistema (MRS)? • Navedite vrste mikroračunarskih sistema. • Kakvi trendovi važe u razvoju kompjuterskih tehnologija? • Kako se mogu unaprediti performanse kompjutera? • U kom pravcu se vrše poboljšanja tehnologije proizvodnje kompjuterskih komponenti i kakva ograničenja postoje? • Kako se može unaprediti organizacija računarskih sistema? • Šta podrazumevamo pod balansiranjem računarskih sistema za postizanje boljih performansi?
Pitanja i zadaci • Navedite osnovne sistemske parametre • Kakve relacije važe između sistemskih parametara? • Koji faktori ograničavaju brzinu procesora? • Kako se može izvršiti ubrzavanje procesora? • Kako se difiniše nivo transfera (Throughput)?