Računarstvo i informatika III

1. Računarstvo i informatika III Lekcija3 – Sastav računarskog sistema

2. U ovojlekciji... Šta ćemo učiti • Šta je u kompjuteru • Sastav jednostavnog mikroračunarskog sistema • CPU • Memorija • Ulaz, izlaz i spoljašnje memorije • Poboljšanja arhitekture

3. 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 razlićite organizacije, konfiguracije. Iza oznake familije računara obično se nalazi oznaka modela računara. Modeli=računari iste arhitekture i organizacije, npr. IBM 360/44, PC AT,…

4. 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)

5. Modularni mikroračunari • Sistem = modulipovezani sistemskom magistralom • Sistemska magistrala (system bus) - prenosi informacije između modula • Interna magistrala - Prenosi informacije unutar modula • Prednosti • standardni modulipovezani u formu kompjutera • Raspoloživ velik broj tipova modula • Kompjuter se lako može prilagoditi zahtevima aplikacije • Standardizovane sistemske magistrale • Svi proizvođači drže se propisanih standarda • Standarde za sistemske magistrale obično propisuju industrijski komiteti

6. CLOCK Hardverske komponenteračunarskog sistema • SPOLJAŠNJA MEMORIJA • Magnetski Hard Disk • Floppy Disk • Optički Disk (CD-…) • Magnetna Traka • PRIMARY/MAIN MEMORY • ROM (sadrži BIOS) • RAM (nestalna) • CPU • Kontrolna jedinica • ALU jedinica • + Math (co.p), MMX,… kontroler IDE, SCSI, ... MAGISTRALA ISA, EISA, [MCA], PCMCIA, PCI, ... • Komunikaciona Oprema • FAX/Modem/ • Mrežna oprema • Izlazni uredjaji • Monitor • Zvučnik • Štampač • ... • Ulaz • Miš • Tastatura • Touch Screen • Skener • ... LAN Phone Line

7. Pogled iznutra

8. Pogled na PC matičnu ploču

9. Uprošćena struktura centralnog procesora Sistemska magistrala CPU Registri Obradnajedinica Upravljačkajedinica Adrese Podaci Kontrola

10. Procesorski čip

11. Struktura Pentium 4 procesora

12. Organizacija centralnog procesora - CPU • Upravljačka jedinica (Control Unit, CU) • upravlja tokom izvršavanja naredbi programa i • usklađuje rad svih delova računara • Obradna jedinica (Arithmetic-Logic Unit, ALU) • sadrži elektronska kola koja mogu da realizuju sve mašinske naredbe (instrukcije) obrade konkretnog računara • Registri • Interna memorija centralnog procesora • Sadržaj registra naziva se “reč” (word) • Veličina reči = brojbitovakoji mogu istovremno da se pocesiraju

13. MIKROPROCESORI • Mikroprocesor je čip koji sadrži CPU, kao i malu količinu memorije koja se koristi za specijalne namene. • mogu da se programiraju, • imaju internu memoriju i/ili registar statusa, • sposobni su da pristupaju memoriji i • urađeni su u visokointegrisanoj tehnologiji • Tehnologija proizvodnje definiše osnovne tehničke karakteristike: • vrsta kućišta, broj izvoda, snaga napajanja, temperaturni opseg, pouzdanost...

14. Trendovi u razvoju mikroprocesora • Stalni zahtev za povećanje brzine mikroprocesora • Debljina silicijumskih ploča ima tehnološka ograničenja (ispod odredjene 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,...

15. Memorija računara • Čuva programe i podatke • Deli se na unutrašnju i spoljašnju. • Unutrašnju čini glavna memorija (računara), registri procesora, keš memorija procesora. • Spoljašnja memorija sadrži programe i podatke koji se ne koriste aktivno u određenom trenutku. • Za razliku od unutrašnje memorije, njen sadržaj je stalan, jer se ne gubi prestankom električnog napajanja. Spoljašnja memorija je dosta sporija od unutrašnje, ali ima i veći kapacitet. Čine je različite vrste memorijskih MEDIJUMA (magnetni diskovi, optički diskovi,...) na kojima se smeštaju podaci i uređaji (jedinice magnetnih diskova, jedinice magnetnih traka,...) koji upisuju podatke na medijum ili čitaju podatke sa medijuma i komuniciraju sa procesorom. • Efikasnost upotrebe računarskog sistema u velikoj meri zavisi i od načina organizacije podataka na spoljašnjoj memoriji.

16. Spoljašnja memorija -Operativnamemorija • Spoljašnja memorija • permanentna • spora • Samo read/write Operativnamemorija • privremena • brza • Omogućavaprocesiranje

17. TIPOVI POLUPROVODNIČKIH MEMORIJA • ROM=Read Only Memory, PROM=Programmable ROM, EPROM=Erasable PROM, EEPROM=Electrically Erasable PROM, RAM=Random Access Memory

18. Karakteristike memorije • Značajne karakteristike memorije su: stalnost zapisa, fizički tip medijuma, kapacitet, jedinica prenosa, cena, mogući način pristupa, performanse i mogućnost promene sadržaja. STALNOST ZAPISA -Memorije sa stalnim i memorije sa privremenim zapisom FIZIČKI TIP MEDIJUMA • Poluprovodničke memorije (najviše su u upotrebi; napravljene u LSI ili VLSI tehnologiji) • Memorije sa magnetnom površinom (diskovi, trake,...) • Memorije koje koriste optičku tehnologiju (CD-ROM, DVD,...)

19. Karakteristike memorije KAPACITET količina informacija koju memorija može da sadrži. Obično se izražava u bajtovima tj. KB, MB, GB, TB. Za razliku od međunarodnog MKS sistema mera u računarstvu važi da 1K=1024 JEDINICA PRENOSA (MU) Kod interne memorije, MU je broj bitova koji mogu istovremeno da se pročitaju iz memorije ili upišu u memoriju. Kod spoljašnje memorije, MU je blok koji sadrži od nekoliko KB do nekoliko MB podataka. ADRESIVOST predstavlja svojstvo memorije da joj se može pristupiti preko adrese. Memorije mogu biti - adresive (ako se pomoću adrese može pristupiti jednom bajtu ili jednoj reči, npr. operativne memorije su po pravilu adresive.) • poluadresive (ako se pomoću adrese može pristupiti grupi bajtova većoj od reči, npr. diskovi) • neadresive (ako se pomoću adrese ne može prići sadržaju memorije, npr. spoljne memorije) • Ova podela važi za sve tipove memorija, sem manjeg broja internih registara procesora kod kojih je moguće pristupiti jednom bitu.

20. Karakteristike memorije NAČIN PRISTUPA • Sekvencijalni pristup podaci smešteni u slogove, upisuju se u redosledu unosa, ćitaju u redosledu upisa ili obratno, vreme pristupa proizvoljnom slogu je relativno veliko; npr. magnetna traka • (Polu)direktan pristup podaci smešteni u slogove, a na osnovu adrese se direktno pristupa lokaciji gde je slog smešten ili nekoj okolini; npr. magnetni disk • Slučajni (direktan) pristup svaka adresibilna lokacija poseduje adresni mehanizam ugrađen u memorijski sklop, te je vreme pristupa svakoj lokaciji konstantano, npr. glavna memorija računara • Asocijativni pristup omogućeno je poređenje između posebne maske i vrednosti određenih pozicija bitova u reči, te se iz takve memorije reč čita na osnovu sadržaja; npr. keš memorija

21. Karakteristike memorije PERFORMANSE Vreme pristupa se meri u ns za memorije sa slučajnim pristupom, a u ms za ostale. Kod memorija sa slučajnim pristupom meri se vreme koje protekne od trenutka obraćanja memoriji preko adrese lokacije do trenutka kada podaci bivaju upisani ili pročitani. Za ostale tipove memorija meri se vreme koje je potrebno za pozicioniranje upisno-čitajućeg mehanizma na želejnu lokaciju. MOGUĆNOST PROMENE SADRŽAJA 1. Upisnočitajuće memorije (ReadWrite) su one kojima se može izmeniti tekući sadržaj. 2. Samočitajuće memorije (ReadOnly) su memorije čiji sadržaj ne može da se izmeni (sem možda fizičkim uništenjem memorijskog medijuma).

22. Hijerarhija memorije • Kroz istoriju su se koristile različite tehnologije za proizvodnju memorije, ali je ostajala stalna veza između TRI karaktersitika memorije (cene, kapaciteta, vremena pristupa) koja se odlikuje sledećim svojstvima • Što je kraće vreme pristupa memoriji, cene memorije je veća • Memorije većeg kapaciteta imaju duže vreme pristupa od memorija kraćeg kapaciteta • Što je kapacitet memorije veći, cena po bitu je niža • Svaka nova tehnologija donosi sniženje cena po bitu memorije uz očuvanja prethodna tri svojstva

23. HIJERAHIJA MEMORIJA HIJERAHIJA MEMORIJA (od vrha ka dnu smanjuje se cena bita memorije, povećava kapacitet, povećava vreme pristupe, opada učestalost pristupa memoriji od strane centralnog procesora) • Registri • Keš • Glavna memorija • Magnetni disk • CD ROM • Disketa • Magnetna traka

24. Memorija PRIMARNA / MAIN:– svim kompjuterima su potrebne obe • ROM (Read Only Memory) – permanentna, trajno čuva informacije • ‘firmware za startup & I/O rutine • RAM (Random Access Memory), DRAM, SRAM, ... • Čuva vrednosti internih pormenljivih • Omogućava read/write operacije brzinom koja se meri nanosekundama • Kapacitet se meri u MB • Nije permanentna (gubi sadržaj kad se isključi napajanje) SEKUNDARNA: Npr. trake (sekvencijalni pristup), Disk (poludirektan pristup), Flash • Brzina se meri u ms • Kapacitet se meri u GB • permanentne, memorije koje dugotrajno čuvaju informacije • Fiksni ili promenljivi memorijski medijum • interna ili eksterna 1995=$100/Mb. 2002~$0.25/Mb.

25. Periferni uređaji: ulaz/Izlaz i spoljašnje memorije • Primeri: • Tastatura (ulaz) • Ekran (izlaz) • Hard disk (ulaz/izlaz) • Flopi (ulaz/izlaz) • Traka (ulaz/izlaz) • Modem (ulaz/izlaz)

26. Ulaz/Izlaz i spoljašnje memorije • Vrlo sporo u poređenju sa pristupom memoriji • Memorija: npr. 10 nsec (SDRAM PC100) • Disk: npr. 10 msec (= 1000000*10 nsec) • Vreme traženja (Seek tim)e: vreme potrebno za postavljanje glave na stazu • što manje, to bolje • Meri se u ms, manje od 10ms, a za brze uređaje ~ 7.5 ms • Latencija (Latency): vreme potrebno za pronalaženje sektora • U proseku 1/2 vremena obrtaja ~ 8.33 ms pri brzini 3.600 o/min. • Disk koji rotira dvostruko brže ima dvostruko manju latenciju. • Prosečno vreme pristupa =vreme traženja + latencija • Vreme prenosa (Transfer time): vreme potrebno za read/write sektora • Zavisi od tipa kontrolera. (Brzina kod EIDE 11.1 - 16.6 MB/s, kod novijih ULTRA DMA EIDE 33.6 MB/s, kod SCSI 10-40 MB/s)

27. Ulaz/Izlaz i spoljašnje memorije • Memorije sa sekvencijalnim pristupom (trake) • Nisu adresive • Sekvencijalni pristup zasnovan na sadržaju (kao kod audio kaseta) • Razlika između brzine memorije/procesora i I/O uređaja je ogromna •  U/I kontroleri se koristeda vrše ove spore poslove

28. Brži kompjuteri Poboljšanja arhitekture • Balansiranjesistema za postizanje boljih performansi • Sistemski parametri • Procesor • Memorijski sistem • Ulazno/Izlazni sistem

29. 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

30. Poboljšanje arhitekture Interakcija sa memorijom • Ako procesor ima samo jedan registar(Instruction Register IR) u koji se dovode instrukcije • U jednom trenutku samo jedna instrukcija može da bude doneta u CPU na izvršavanje • Nije moguće konkurentno izvršavati više od jedne instrukcije • Ako procesor ima samo jedan registar(Data Register) za čuvanje podataka • Nedostatak registaraza čuvanje međurezultata • Posle izvršenja svake instrukcije rezultat se mora odlagati u OM, čak i onda kada bi mogao da se iskoristi kao argument u sledećoj instrukciji

31. Ubrzavanje procesora Procesor • Više hardverskih resursasa istom funkcijom • 1 > registara instrukcija(zakonkurentno izvršavanje instrukcija) • 1 > registara podataka(za smanjenje memorijskog saobraćaja) • 1 > sabirača za paralelno sabiranje • Jedan zaizračunavanje memorijskih adresa i drugi za sabiranje podataka • Više hardverskih resursasa različitim funkcijama • 1 > različitih funkcija može da se izvršava konkurentno • sabiranje, logičke operacije, množenje, deljenje,… • 1 > različitih vrsta informacija može biti upamćeno u CPU istovremeno • Podela hardverskih resursau podblokovekoji mogu da rade nezavisno i paralelno • 1 > instrukcija može da izvršava konkurentno u različitim fazama • 1 > računanja može da izvršava konkurentno u različitim fazama • Obezbeđivanje više različitih puteva kroz procesor • Informacije kroz procesor mogu da se prenose alternativnim putevima • Omogućava konkurentne operacije

32. Poboljšanje arhitekture Memorijski sistem • Brzina OM je značajno sporija od brzine CPU • Usporava CPU • Usporava kompletan računarski sistem • Kapacitet OM često nije dovoljan • Povećava saobraćaj između OM i spoljašnjih memorija • Dodatno usporava računarski sistem

33. Ubrzavanje memorije Brzina glavne memorije • Više memorije u CPU • Veći broj specijalizovanih i registara opšte namene • Keš • Brza memorija malog kapaciteta smeštena između CPU i OM (obično brzine kompatiblne sa CPU) • Uvek kadase informacije (instrukcije ili podaci) koji su neophodni za izvršavanje programapronađu u kešu, donose se procesoru značajno brže nego da su morali da se prenose iz OM • Neophodna je neka vrsta predviđanja • Više memorijskih banki • Memorijskim bankama može da se pristupa istovremeno • Podaci su raspoređeni po memorijskim bankamatako se bankama pristupa sekvencijalno

34. Memory Cycle Send Address and R control signal to M Send data read from M to CPU Access M Memory Cycle time CPU M0 M0 M1 M1 M2 M2 Multiplexer Ubrzanje memorije Višememorijskihbanki Memory timing Više memorijskih banki CPU Multiplexer

35. Poboljšanje arhitekture Ulazno/Izlazni sistem • Ulaz i izlaz su najsporiji procesi u računarskom sistemu • U najjednostavnijim sistemima, CPU čeka dok spori I/O uređaji nekompletiraju operaciju • Troši se mnogo procesorskog vremena • Naprednisistemi • I/O sistem realizuje I/O operacije autonomno,dok CPU vrši drugi produktivanposao koji ne zavisi od te I/O informacije • I/O sistem treba da ima nešto veće mogućnosti (kontoleri ili I/O procesori)

36. Pitanja i zadaci • Šta podrazumevamo pod mikroračunarskim sistemom? • Definišite konfiguraciju, arhitekturu i organizaciju računarskog sistema. • Koje komponenete imaju Fon Nojmanove mašine? • Koje su osnovne komponenete u konfiguraciji modularnih MRS? • Koje su osnovne hardware-ske komponente MRS? • Koje su osnovne komponente CPU? • Kako se mogu unprediti 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?

37. Pitanja i zadaci • Kakve memorije sadrže MRS? • Navedite osnovne karakeristike memomorija • Navedite hijerarhiju memorija koja odražava vezu između cene, kapaciteta, pristupa. Koje svojstva važe među parametrima te veze? • Koji faktori ograničavaju brzinu procesora? • Kako se može izvršiti ubrzavanje procesora? • Kako se može ubrzati operativna memorija? • Objasnite prednosti korišćenja više memorijskih banki. • Kako može biti organizovan Ulazno/Izlazni sistem? • Koje poslove obavljaju kontroleri perifernih uređaja i U/I procesori?