Struktura a architektura počítačů

Transkript

1 Struktura a architektura počítačů Úvod Architektura počítače Návrhový proces České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická Ver.1.30 J. Zděnek / M. Chomát 2014

2 Přednáší Ing. Miroslav Chomát, CSc. Cvičí Ing. Radek Havlíček, Ph.D. A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 2

3 Struktura a architektura počítačů Původní koncepce a obsahová náplň předmětu SAP "Struktura a architektura počítačů" byla vytvořena kolektivem Katedry počítačů ČVUT FEL pod vedením doc. Ing. Hany Kubátové, CSc. a takto byl předmět SAP pro program STM "Softwarové technologie a management" akreditován. Předmět byl poprvé v programu STM vyučován v roce 2007 A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 3

4 Struktura předmětu Číslicový počítač, struktura, jednotky, propojení Logické obvody, formy popisu, Kombinační obvody, návrh a ralizace z hradel Sekvenční obvody, návrh a realizace Typické kombinační obvody v číslicových počítačích, realizace (sčítačky, kodéry, multiplexery, registry, čítače) Data, jejich zobrazení a zpracování Realizace aritmetických operací Soubor instrukcí a strojový kód Systémová struktura počítače Procesor Systém přerušení Paměti Periferie (vstupní a výstupní zařízení) Procesory CISC a RISC A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 4

5 Cíle předmětu Globální přehled o architektuře počítačů a jejím vývoji, včetně historických souvislostí Náplň odpovídá předmětům Digital Design Navazuje na A7B31ELI a A7B36ALG Využívá programovatelné obvody Seznamuje s moderními návrhovými CAD nástroji Seznamuje s postupem návrhu číslicových obvodů včetné metodiky ověření návrhu v hardware A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 5

6 Podmínky zápočtu a zkoušky Předmět A7B14SAP: 2+2 týdně, zápočet, zkouška Cvičení všechna laboratorní Zápočet za body z laboratorních úloh a dvou testů na cvičení: Max 65 bodů, na zápočet min 30 bodů 24 bodů čtyři fungující laboratorní úlohy 6 bodů - Kombinační obvody (blok KOM) 6 bodů Sekvenční obvody (blok SEQ) 6 bodů Systémová architektura počítače (blok SYS) 6 bodů Instrukční soubor (blok ISA) 36 bodů dva testy na cvičení (Test1 16 bodů, Test2 20 bodů) 5 bodů aktivita na cvičení Zkouška: Min 55 bodů ze cvičení = zkouška jen malá ústní (hodnocení A, B, C) Jinak body ze cvičení + písemný zkouškový test (až 35 bodů, min 10) Možnost: +ústní zkouška (odečte se 10 bodů, možno získat 20 bodů) A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 6

7 Program laboratorních cvičení Týden Blok Program Týden Blok Program 1. - Úvod do ISE 7. - Úvod do MPLAB 2. KOM Kombinační obvody 8. SYS Systémová architektura 3. KOM Kombinační obvody 9. SYS Systémová architektura 4. SEK Sekvenční obvody 10. ISA Instrukční soubor 5. SEK Sekvenční obvody 11. ISA Instrukční soubor 6. - Test Test Dodatečné odevzdání úloh Bloky KOM a SEK se cvičí na CAD systému Xilinx ISEWebpack a FPGA Spartan Bloky SYS, ISA se cvičí na IDE Microchip MPLAB a pic18f Software ISEWebpack i MPLAB jsou pro domácí práci studentů k dispozici ke stažení z webu a instalaci zdarma Úspěšné řešení laboratorních úloh => předpokládá účast na přednáškách a podstatnou domácí přípravu A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 7

8 Zdroje informací Přednášky k předmětu A7B14SAP Web předmětu A7B14SAP Řešené příklady na webu předmětu Návody k přípravkům používaných v laboratorních cvičeních (jsou na webu předmětu) Návod na stažení a instalaci CAD Xilinx ISEWebpack (web předmětu) Návod na stažení a instalaci IDE Microchip MPLAB (web předmětu) Firemní materiály firem Digilent a Microchip k přípravkům používaných v laboratorních cvičeních (web předmětu) On line help v ISEWebpack On line help v MPLAB Pinker J., Poupa M.: Číslicové systémy a jazyk VHDL, BEN, Praha A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 8

9 Co je číslicový počítač (Digital Computer)? Vstupní data Počítač Výstupní data Zobrazení dat Nespojité diskrétní (digitální, číslicové) Spojité analogové Počítač Číslicový nespojité zobrazení dat Analogový spojité zobrazení dat Hybridní oba způsoby A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 9

10 Technologie dramatický rozvoj Procesory Logická kapacita: o 30% za rok Hodinová frekvence: o 20% za rok Mooreův zákon Hlavní paměť DRAM kapacita: o 60% za rok (4x každé 3 roky) Rychlost přístupová doba: o 10% za rok Cena za bit: snížení o 25% za rok Disk Kapacita: o 60% za rok Využití dat: o 100% každých 9 měsíců Počítačové sítě Sířka pásma o 100% za rok! A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

11 Mooreův zákon The number of transistors on a chip doubles every 18 months, By Intel co-founder Gordon Moore regarding the pace of semiconductor technology. He made this famous comment in 1965 when there were approximately 60 devices on a chip. Proving Moore's law to be rather accurate, four decades later, Intel place 1.7 billion transistors on its Itanium chip. In 1975, Moore extended the 18 months to 24 months. More recently, he said that: The cost of a semiconductor manufacturing plant doubles with each generation of microprocessor. Foto: A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

12 Mooreův zákon Počet transistorů na čipu Pentium Core i A x let Zdroj: A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

13 Výkon vs roky Výkon x 40 let A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

14 Historie vývojové mezníky 3000 let př.n.l. Babylon vynalezen Abakus Současný model Starověký Řím A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

15 Historie vývojové mezníky 1623 W. Schickard první mechanický kalkulátor 1642 B. Pascal více rozšířený mechanický kalkulátor 1834 Ch. Babbage - kalkulátor pro výpočet logaritmů Charles Babbage analytical engine (1834) První skutečný počítač Měl čtyři části Store (paměť), Mill (CPU), Input section (čtečka děrných karet z měděného plechu), Output section (děrovačka karet). Neměl operační systém. Kapacita paměti 1000 slov (slovo 50 dekadických cifer) Mill četl operandy z paměti, uměl +, -, *, -, a výsledek zapsal zpět do paměti. Velký pokrok počítač byl universální, četl program a data z děrných karet a výsledek přenesl do výstupních karet Programoval se v jednoduchém assembleru Programátorka Ada Lovelace (dcera básnika Byrona) Počítač nikdy nepracoval uspokojivě, nepřesné mech.součásti Literatura: [2],[3] A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

16 Historie vývojové mezníky 1854 G. Boole matematické základy logiky 1890 H. Holleright založil TMC z niž v r vzniklo IBM 1936 A. M. Turing teorie konečných automatů (FSA, FSM) 1938 K. Zuse první binární elektromechanický kalkulátor 1943 fa IBM & Harvard un. MARK 1 velký elektromech. kalkulátor 1944 Pennsylvania un. ENIAC první zcela funkční elektronický kalk W. Schockley, W. Brattain, J. Bardeen vynález tranzistoru 1951 fa UNIVAC první komerční počítač 1953 fa IBM elektronický počítač IBM fa Texas Instruments první integrovaný obvod 1959 fa Fairchild planární proces základ masové výroby integr. obvodů 1963 fa Fairchild první hradla MOSFET (CMOS) A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

17 Historie vývojové mezníky 1963 fa DEC první minipočítač 1965 G. Moore Mooreův zákon o rychlosti růstu integrace 1969 fa IBM programovatelné logické pole (PLA) na čipu 1971 fa Intel první mikroprocesor (i4004) 1978 fa Monolitc Memories Programmable Array Logic (PAL pak GAL) Embedded mikroprocesory (8048, 8051, Z8, ) 1982 fa Texas Instruments Signálový procesor 1981 fa IBM osobní počítač (PC) 1983 Intermetrics, IBM, Texas Instruments VHDL (Hardware Description Language) jazyk pro návrh a simulaci logických obvodů 1984 fa XILINX obvody FPGA Field Programmable Gate Arrays) 1984 fa GDA Verilog jazyk pro návrh logických obvodů 1987 VHDL IEEE standardem 1995 Verilog IEEE standardem A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

18 Historie blízká minulost - shrnutí Více než 50 let od vytvoření 1. univerzálního elektronického počítače Dnešní PC jsou výkonnější než počítač z r za miliony HW průlom: VLSI technologie a mikroprocesory (70. léta) SW průlom: univerzální na výrobci nezávislé OS (UNIX) a přechod od programování ve strojovém jazyku (SOJ) k vyšších programovacím jazykům Nástup RISC (Reduced Instruction Set Computer) - důsledek: paralelizmus na úrovní zpracování instrukcí ILP (Instruction Level Parallelism), tj. proudové zpracování instrukcí atd. používaní vnitřních vyrovnávacích skrytých pamětí (cache) Průlom v navrhování: vývoj kvantitativního přístupu k návrhu a analýze počítačů, který využívá empirické pozorování, experimentování a simulace A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

19 Chronologie v datech - shrnutí 60. léta: dominantní velké sálové počítače s aplikacemi jako: zpracováni dat ve finanční sféře rozsáhlé vědeckotechnické výpočty 70. léta: minipočítače pro aplikace ve vědeckých laboratořích 80. léta: stolní počítače založené na mikroprocesorech (osobní počítače a pracovní stanice) servery a lokální sítě pro větší úlohy s větší pamětí a výkonem 90. léta: Internet a WWW technologie Současnost: rozdělení počítačového trhu na 3 oblasti charakterizované rozdílným použitím, požadavky a počítačovou technologií: osobní, stolní a přenosné počítače servery a výkonné paralelní počítače a superpočítače vestavné (embedded) a řídící počítače v jednoúčelových zařízeních A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

20 Reprezentace systému Funkční (behavioral or functional representation) Popis funkce ne implementace Black-box + závislosti výstupů na vstupech v čase Co to má dělat Strukturní Popis implementace bez zvláštního popisu funkce (ta vyplývá ze vzájemného spojení bloků o známé funkci) Vnitřek black-boxů Jak je to zapojeno Fyzikální Popisuje fyzikální vlastnosti každého black-boxu Popisuje přesné vztahy mezi bloky (velikost, hmotnost, spotřebu, zahřátí, a to v každém bodě, vstupním i výstupním pinu) Jak to vyrobit A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

21 Úrovně abstrakce Funkční, strukturní i fyzikální reprezentace může být použita na různém úrovni abstrakce (granularity) podle použitých typů objektů. Úroveň Funkční Strukturní Fyzikální Abstrakce Popis Bloky objekty Transistor Diferenciální rovnice, Transistor, Analogové Volt-ampérové Odpor, a číslicové buňky, charakteristiky Kondenzátor Tvar na substrátu Hradlo Booleovské rovnice, Hradlo, Moduly, Kombinační obvod, Klopný obvod Bloky Sekvenční obvod procesor Algoritmus, Vývojový diagram Sčítačka, komparátor, multiplexer, registr, čítač Mikročipy Soubor instrukci počítač Specifikace funkce, Procesor, Desky plošných spojů, Program Paměť, Vícečipové moduly Periferie (V/V bloky) A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

22 Návrh počítače metodou zdola-nahoru TRANSISTORS, RESISTORS, CAPACITORS DIGITAL CIRCUIT DESIGN ANALOG CIRCUIT DESIGN ELECTRONICS BOOLEAN ALGEBRA LOGIC GATES, FLIP-FLOPs ANALOG COMPONENTS FINITE-STATE MACHINES BINARY SYSTEM, DATA REPRESENTATION LOGIC DESIGN TECHNIQUES SEQUENTIAL DESIGN TECHNIQUES VLSI DESIGN COMBINATIONAL COMPONENTS STORAGE COMPONENTS INTERFACE COMPONENTS GENERALIZED FINITE STATE MACHINEs REGISTER-TRANSFER DESIGN PROCESSOR COMPONENTS SOFTWARE DESIGN AND ENGINEERING COMPUTER DESIGN A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

23 A co v SAP? Budeme se zabývat v SAP TRANSISTORS, RESISTORS, CAPACITORS DIGITAL CIRCUIT DESIGN ANALOG CIRCUIT DESIGN ELECTRONICS BOOLEAN ALGEBRA LOGIC GATES, FLIP-FLOPs ANALOG COMPONENTS FINITE-STATE MACHINES BINARY SYSTEM, DATA REPRESENTATION LOGIC DESIGN TECHNIQUES SEQUENTIAL DESIGN TECHNIQUES VLSI DESIGN COMBINATIONAL COMPONENTS STORAGE COMPONENTS INTERFACE COMPONENTS GENERALIZED FINITE STATE MACHINEs REGISTER-TRANSFER DESIGN PROCESSOR COMPONENTS SOFTWARE DESIGN AND ENGINEERING COMPUTER DESIGN A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

24 Pohled zdola-nahoru vs shora-dolů Elektronika ELI Tranzistory, rezistory, kondenzátory Vnitřní struktura hradla Zdola Struktura a architektura počítačů SAP Jak data uložit Jak je zpracovat na úrovni strojového kódu Jak vypadají jednotky, které data zpracovávají Jak je postavit z hradel Mezi Algoritmizace ALG Algoritmy Typy a struktury dat Programové konstrukce Shora A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

25 Počítačový software Firmware BIOS (Basic Input Output Systém), adresové módy, architektura souboru instrukcí ( ISA - Instruction Set Architecture), jazyk symbolických instrukcí asembler Operační systém Plánovač (Scheduler), exekutiva (Dispatcher) přepínání úloh, správa paměti, privilegia a ochrana, struktura souborů na disku, správa periferií (správa zařízení). Vývojářský software Asembler, kompilátory ( C, ), linker, simulátor, ladící prostředky (debugger), knihovny, správa versí. Aplikace Programovací jazyky, řídící aplikace (př. vozy metra, řízení motoru automobilu, řízení pračky), editory, prohlížeče, hry, A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

26 Počítačový hardware Architektura procesoru Architektura procesoru, provádění instrukcí, tok dat, řízení, predikce větvení Paměťová hierarchie správa paměťového systému, vyrovnávací paměť (cache), segmentace a stránkování Systémová rozhraní Přerušovací systém, DMA (Direct Memory Access), komunikační periferie, komunikační protokoly Uživatelská rozhraní Display, klávesnice, myš, porty, web kamera, audio rozhraní, A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

27 Architektura počítače - hardware Hlavní komponenty počítače Paměť programu a dat Vstupní a výstupní zařízení Komunikace s okolním světem Procesor Výpočetní část ALU Registers Program Memory Output Mezipaměť výsledků Control Data Memory Input Řízení Řadič (Controller) Processor Computer Memory Peripherals A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

28 Architektura typu von Neumann ALU Registers Control Processor Program Memory & Data Memory Memory Input & Output Společná paměť programu (instrukcí) a dat NELZE paralelně číst instrukce a přenášet data (cesta je společná) Peripherals A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

29 Architektura typu von Neumann Instrukce a data jsou uložena v téže paměti. Instrukce a data nelze přenášet po sběrnici současně (společná cesta) pomalejší činnost Jednodušší propojení procesoru s pamětí Paměť je organizována lineárně (tzn. jednorozměrně) a je rozdělena na stejně velké buňky, které se adresují celými čísly (zprav. 0, 1, 2, 3,... ). Data ani instrukce nejsou explicitně označeny. Explicitně nejsou označeny ani různé datové typy. Pro reprezentaci dat i instrukcí se používají dvojkové signály. Instrukce se provádějí jednotlivě, a to v pořadí, v němž jsou zapsány v paměti, pokud není toto pořadí změněno speciálními instrukcemi (nazývanými skoky). Počítač tvoří: Processor (ALU aritmetická a logická jednotky, registry, řídicí část (řadič controller), hlavní paměť (main memory) společně instrukce a data, systém přerušení, vstupní a výstupní zařízení (periferie peripherals) A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

30 Architektura typu Harvard Oddělená paměť programu (instrukcí) a dat ALU Data Memory Registers Program Memory Memory Control Processor LZE paralelně číst instrukce a přenášet data (cesty jsou oddělené) Memory Input & Output Peripherals A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

31 Architektura typu Harvard Instrukce a data jsou uložena v oddělených pamětech. Instrukce lze číst současně s přenosem dat (oddělené cesty) rychlejší činnost Šířka přenosové cesty instrukcí může být jiná (větší) než přenosová cesta dat. Složitější propojení procesoru s pamětmi (vs von Neumann ) Data a instrukce jsou explicitně označeny Paměť je organizována lineárně (tzn. jednorozměrně) a je rozdělena na stejně velké buňky, které se adresují celými čísly (zprav. 0, 1, 2, 3,... ). Pro reprezentaci dat i instrukcí se používají dvojkové signály. Instrukce se provádějí jednotlivě, a to v pořadí, v němž jsou zapsány v paměti, pokud není toto pořadí změněno speciálními instrukcemi (nazývanými skoky). Počítač tvoří: Processor (ALU aritmetická a logická jednotky, registry, řídicí část (řadič controller), paměť programu (instrukcí), paměť dat, systém přerušení, vstupní a výstupní zařízení (periferie peripherals) A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

32 Vývoj software úrovně abstrakce Vyšší programovací jazyk (C,C++,Ada, ) 1 Překladač (sw) Jazyk symbolických instrukcí (adres) 2 Asembler (sw) Strojový kód 3 Processor (hw) Řídící signály & zpracování dat 4 Literatura: [1] A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

33 Vývoj software úrovně abstrakce Překladač (sw) Asembler (sw) Processor (hw) if( z < 0 z > 35} x++; else y++; cmp z, #0 bnc Cont1 cmp z, LIM bc Cont1 inc x *WR *RD DB A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

34 Organizace hlavní paměti Hlavní paměť je rozdělena na buňky paměťová místa, kterým jsou přiřazena nezáporná čísla nazývaná adresy Obsah paměťového místa je slovo slovo (word) velikost závisí na procesoru (např. 16b, 24b, 32b, 64b), b značí bit (binary digit) B značí byte (slabika), 8b = 1B, byte je uspořádaná osmice bitů, obvykle 2 nebo i více byteů tvoří slovo, např. u procesorů Intel řady x86 1 slovo = 2B = 16b. Obsah paměťového místa na adrese adr bývá někdy označován <adr>; nehrozí-li nedorozumění píše se však často adr místo <adr>. A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

35 Slabiková organizace paměti Dva používané způsoby uložení v paměti (Big vs Little endian) Př. 1 slabika = 1B 1 slovo = 2B 1 dvojité slovo = 4B [dw Double Word] tedy 32b Od adresy 8001 má být uloženo dvojité slovo 1234ABCD: 1. způsob 2. způsob Adresa Big-endian Little-endian CD AB 8003 AB 34 Big-endian (IBM360, Motorola 6800) Little-endian (Intel x86, DEC Alpha) Oba způsoby (Motorola 88110) 8004 CD 12 A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

36 Zobrazení dat v paměti Numerická data čísla: V pevné řádové čárce (fixed point) celá čísla (integer format) byte, word, racionální čísla (fraction format) byte, word, V pohyblivé řádové čárce (floating point), racionální čísla, double, float,, matisa+charakteristika Formát zobrazení: Dvojková (binary), př b Šestnáctková (hexadecimal), př. A3h nebo 0xA3 Desítková (decimal), př. 163d nebo 163 Bez znaménka (unsigned), pouze nezáporná, byte, word, unsigned Se znaménkem (signed), integer, short int, signed Různě dlouhá, různý rozsah hodnot (short int, integer, long int, byte, word, double, A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

37 Příklad 1 Chci sčítat Co? Tvar výsledku? JAK??? A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

38 Příklad 1 Dvojková čísla a, b JAK? číslicově, dvojkově (binárně) Dvojkové číslo s = a + b A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

39 Příklad 1 Dvojková čísla a, b budou nejprve jednobitová a b??? s = a + b Pravdivostní tabulka s = a + b a b s = 2d = 10b A co přenos do vyššího řádu? A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

40 Příklad 1 a b p s q Přenos z nižšího řádu Přenos do vyššího řádu A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

41 Příklad 1 - intuitivně a b p q s s = a. b. p + a. b. p + a. b. p + a. b. p q = a. b. p + a. b. p + a. b. p + a. b. p Logické funkce Úpravy výrazů později A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

42 Realizace??? a b Hradlo (gate) a f 1 f 2 b a f 3 AND OR INV f 1= a AND b f 2= a OR b f 3= NOT a Logická funkce Logický operátor a b a a f 4 f 5 f 6 b b NAND NOR XOR f 4= a NAND b f 5= a NOR b f 6= a XOR b A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

43 Funkce hradel, Booleova algebra a b a f 1 f 2 b a f 3 AND OR INV AND OR NOT a b f a b f a f f1= a ANDb zapisujeme : f1= a. b f 2 OR = a b zapisujeme : f 2= a + b f 3= NOT a zapisujeme : f 3= a A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

44 Funkce hradel, Booleova algebra a b a a f 4 f 5 f 6 b b NAND NOR XOR NAND a b f NOR a b f XOR a b f f 4 = a NANDb zapisujeme : f 4 = a. b f 5= a NOR b zapisujeme : f 5= a + b f 6= a XOR b zapisujeme : f 6= a + b A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

45 Alternativní značení hradel & 1 & 1 AND AND OR OR & 1 & 1 NAND NAND NOR NOR 1 =1 1 =1 INV INV XOR XOR (kolečko) = negace Jiné značení A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

46 SAP laboratorní cvičení (KOM, SEK) Software Hardware BASYS2 FPGA Device A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

47 Testovací hardware SAP laboratorní cvičení (KOM, SEK) A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

48 Testovací hardware SAP laboratorní cvičení (KOM, SEK) A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

49 Testovací hardware SAP laboratorní cvičení (KOM, SEK) A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

50 CAD Xilinx ISE Návrh logických obvodů SAP laboratorní cvičení (KOM, SEK) A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

51 Použitá literatura [1] Kubátová, H.: Struktura a architektura počítačů, Přednášky FEL, [2] McIver McHoes, A Flynn, I.M.: Understanding Operating Systems.Thomson, [3] Tanenbaum, A: Modern Operating Systems. Prentice Hall, New Jersey, A7B14SAP Struktura a architektura počítačů

52 Struktura a architektura počítačů Úvod Architektura počítače Návrhový proces KONEC České vysoké učení technické Fakulta elektrotechnická