Architektura počítačů

Transkript

1 Architektura počítačů

2 Historie První počítače v dnešním slova smyslu se začaly objevovat v průběhu 2. světové války a těsně po ní. Největší vliv na utváření představ, jak by počítače měly být konstruovány, měly týmy odborníků v USA, zejména na universitě v Pensylvánii Mark 1 (Howard Aiken, elektronkový) ENIAC (J.Presper Eckert a J.Mauchly, 1945 elektronkový) MANIAC (John von Neumann, 1946 elektronkový) EDVAC (dokončen 1952 podle projektu J.von Neumanna v Bellových laboratořích, elektronkový) M1-1.počítač čs. dokončen ve VÚMS 1952, reléový

3 Ale historie počítacích strojů je mnohem starší mechanické počítací (a jiné) stroje Pascal Leibnitz Babbage Zuse

4 Historie mechanický počítač Pascaline (1642) Blaise Pascal sčítání a odčítání zdroj:

5 Historie Leibnitzův kalkulátor ( ) Gottfried Leibniz násobení a dělení

6 Historie Difference Engine (1822) Charles Babbage výpočet tabulek logaritmů

7 Historie Analytical Engine (1834) Charles Babbage výpočet hodnot výrazů řízen programem na děrném štítku

8 Analytical Engine Historie

9 Historie Z1 (1936) Konrad Zuse mechanický počítač, dvojková soustava, 22 bitů program na papírové pásce

10 Mark1 (1944) Historie Howard Aiken elektromechanický počítač program na papírové pásce, data na děrných štítkách

11 Historie 1. generace elektronky ( ) ENIAC ( ) John Mauchley a J. Presper Eckert Electronic Numerical Integrator and Calculator programován přepínači a propojkami

12 ENIAC Historie

13 EDVAC (1952) Historie J. von Neumann, John Mauchley a J. Presper Eckert Electronic Discrete Variable Automatic Computer

14 EDVAC Historie

15 SAPO V roce 1957 byl dokončen vývoj 1. Československého samočinného počítače nazvaného SAPO ve Výzkumném ústavu matematických strojů. Byl zkonstruován ze 7000 relé a 400 elektronek. Byl vybaven magnetickou bubnovou pamětí o kapacitě 1024 slov a slovo mělo délku 32 bitů (4 byty). Pracoval s pohyblivou řádovou čárkou rychlostí 3 operace za vteřinu. Instrukce byly pětiadresové. Samočinně opravoval nahodilé chyby ve výsledcích operací bez přerušení výpočtů. Aritmetická jednotka (ALU) byla 3x zálohována a každá jednotka prováděla stejné aritmetické operace nezávisle na druhých jednotkách ALU. Dále obsahoval tzv. prověřovací (diagnostické) obvody v řadiči, které kontrolovaly svou vlastní činnost počítače.

16 Historie 2. generace tranzistory ( ) DEC PDP-1 (1960) Programmed Data Processor-1 zpracovával 18 bitová slova první textový editor další počítače: IBM 7090, 1401, CDC 6600 (Seymour Cray)

17 Historie 3. generace integrované obvody ( ) IBM 360 (1965) 32 bitová architektura max. 16 MB naše ekvivalenty EC 1024/1027

18 Historie DEC PDP-11 (1970) 16 bitová architektura na PDP-11 první implementace UNIXu a překladače C

19 Historie DEC PDP-11 na snímku Dennis Ritchie a Kenneth Thompson, tvůrci UNIXu

20 DEC VAX (1976) 32-bitový mini počítač operační systém VMS Historie jeden z nejspolehlivějších OS

21 Historie 4. generace obvody VLSI ( ) éra domácích a osobních (stolních) počítačů Altair, Sinclair ZX Spectrum, Atari, Commodore, Apple, IBM PC,... pracovní stanice (WorkStation) pro profesionální práci HP, SunSparc, DEC Alpha

22 Historie Altair založen na 8-bitovém procesoru Intel 8080A

23 Historie Atari 800 Commodore PET Sinclair ZX Spectrum

24 Historie IBM PC Apple Macintosh

25 Historie Sun Sparc 2 pracovní stanice s operačním systémem Solaris (UNIX)

26 Von Neumannova architektura

27 Von Neumannova architektura Číslicový počítač se skládá z bloků: Ř řadič (controller) načítá a zpracovává instrukce, řídí ostatní bloky AJ aritmeticko-logická jednotka (arithmetical and logical unit) provádí aritmetické a logické operace HP hlavní paměť (main memory) slouží k uložení programu a dat (operační paměť)

28 Von Neumannova architektura VST vstupní jednotka (input device) - zajišťuje vstup dat VÝST výstupní jednotka (output device) - zajišťuje výstup dat vstupní a výstupní jednotky = periferní zařízení řadič + AJ = procesor procesorů může být i více - multiprocesorový (paralelní) počítač

29 Základní znaky architektury(von Neuman): 1. Architektura je nezávislá na zpracovávané úloze, činnost je řízena obsahem paměti tedy programem (tokem instrukcí). 2. Paměť je společná pro program i zpracovávaná data; data ani program nejsou nijak odděleny ani explicitně označeny. 3. Paměť je rozdělena na buňky - lineární organizace; k obsahu buňky se přistupuje pomocí jejího pořadového čísla neboli adresy. 4. Pro reprezentaci instrukcí, adres, dat i řízení se používají dvojkové signály (dvojková soustava)

30 Von Neumannova architektura 5. Instrukce se vykonávají sekvenčně v pořadí, jak jsou zapsány v paměti (zpravidla od nižších k vyšším adresám); pořadí lze změnit speciální instrukcí skoku. 6. V instrukci není zpravidla uveden operand (co se zpracovává), ale jeho adresa.

31 Architektura počítačů Hardware technické vybavení počítačů Software programové vybavení počítačů, které není hmatatelné elektronický zápis programu, textové informace, obrázky, apod.

32 Paměťový systém počítače Paměť je důležitou součástí počítače, procesor si s ní neustále vyměňuje data. vnitřní paměť = operační paměť (umístěná na motherboard, komunikuje přímo s procesorem) vnější paměť (není na základní desce) Vnitřní paměti jinak ROM Read Only Memory Jsou v ní nahrány základní programy pro otestování počítače a nahrání operačního systému, po vypnutí počítače se nenuluje. V ní jsou též inicializační programy při zapnutí počítače. RAM Random Access Memory Je to hlavní paměť a je energeticky závislá, tj. po vypnutí napájení se obsah paměti ztratí

33 Organizace paměťového systém počítače Hierarchie paměťového systému - Je několika úrovňové uspořádání pamětí různých velikostí s různou přístupovou dobou. Cílem je dosáhnout výhodného poměru výkonnosti a ceny paměťových modulů. Cena paměti je přímo úměrná kapacitě a přibližně nepřímo úměrná době přístupu. Paměťová hierarchie: Typ paměti Typická realizace Doba přístupu Kapacita Registry klopné obvody jednotky ns desítky stovky B Vyrovnávací pam. statická RAM ns stovky kb jedn.mb Hlavní paměť dynamická RAM ns stovky MB jedn.gb Vnitřní paměť ROM permanentní pam ns stovky kb jedn. MB Vnější paměť pevný magn.disk 4 10 ms desítky GB stovky GB Záložní paměti optické disky CD,DVD 40 ms 500ms 600MB až 17GB magnet. páska stovky ms xs stovky GB desítky TB Hierarchické uspořádání pamětí řeší konflikty mezi požadavky na rychlost a na její kapacitu.

34 Typy pamětí v PC

35 Lineární organizace paměti v PC Příklad: paměť EPROM 27C KB, organizace po slabikách (bajtech) paměťová buňka má velikost 8 bitů, tj. datových vodičů je 8 paměťových buněk je 65536, s adresami 0 až 65535, tj. adresových vodičů je 16

36 Adresace paměti v PC adresa buňky = B = FFFFH 2 = B = 0002H 1 = B = 0001H 0 = B = 0000H buňka paměti desítkově dvojkově šestnáctkově

37 Little a Big Endian způsoby uložení dat v paměti little endian slabiky nižšího řádu na nižších adresách big endian slabiky nižšího řádu na vyšších adresách

38 Little a Big Endian

39 Paměť 27C512 Blokový diagram kolečko a negace značí invertovaný signál, tj. aktivní v log.0 Signály: Vss zem, Vcc napájení Q0 Q7 datové výstupy A0 A15 adresa \E chip enable (vstup povolení funkce) aktivní v log. 0 pokud je vstup v log. 1, obvod je zablokován (nereaguje na ostatní signály) \G povolení výstupu (aktivní v log. 0) pokud je vstup v log. 0, na výstupu jsou platná data

40 Čtení dat

41 Pouzdra klíč, určuje orientaci pouzdra

42 Propojení jednotek: minimálně se používá propojení pomocí dvoubodových spojů výhodnější: propojení pomocí sběrnic sběrnice (bus) vícebodový spoj datová adresová řídicí

43

44 Operační paměť (vnitřní): RAM Random Access Memory paměť s náhodným přístupem (čtení i zápis), po vypnutí napájení ztrácí obsah je volativní ROM permanentní pameť Read Only Memory paměť pouze pro čtení dat, neztrácí obsah po vypnutí napájení obsahuje základní programy pro start počítače a pro ovládání hardware vývoj pamětí typu ROM ROM, PROM, EPROM, EEPROM kapacita: v KB, MB

45 Vývoj pamětí typu ROM ROM programovatelné maskou při výrobě, do paměťových pouze lze zapsat obsah pouze 1x ( vypálením ) zákazník musí výrobci dodat obsah paměti, který chce mít zapsán

46 Vývoj pamětí typu ROM PROM (Programming ROM) paměť je programovatelná 1x uživatelem výrobce dodává paměť, kde všechny buňku obsahují log. 1 ( prázdná ) programování uživatelem - destrukcí uživatel vloží paměť do speciálního zařízení (programátor) přivedením vyššího napětí se zničí tranzistory v buňkách, kde má být uložena log. 0 obsah nelze již vymazat

47 Vývoj pamětí typu ROM EPROM (Erasable PROM) paměťová buňka je tvořena kondenzátorem, který je izolován od okolí (princip izolace náboje paměť je mazatelná UV zářením na pouzdře je okénko (viditelný čip) paměť se vloží do mazačky, která obsahuje UV lampu osvícením UV zářením specifické vlnové délky se obsah paměť vymaže elektrony v kondenzátoru získají energii a překonají energetickou bariéru izolace

48 Vývoj pamětí typu ROM EPROM (Erasable PROM) programování opět v programátoru připojením na vyšší (cca 12V) programovací napětí zápisový cyklus Poznámka: zápis náboje do kondenzátoru v paměťové buňce některé paměti EPROM jsou bez okénka, jsou programovatelné 1x (OTP one time programming) jako PROM, ale pracují na principu EPROM

49 Vývoj pamětí ROM mazací okénko

50 Vývoj pamětí EPROM

51 Vývoj pamětí ROM programovací cyklus a zpětné čtení obsahu (ověření, verifikace)

52 Vývoj pamětí typu ROM EEPROM (Electrically EPROM) princip uchování informace je shodný s typem EPROM maže se elektricky v programátoru (odčerpání náboje je elektrické) FLASH EEPROM paměť EEPROM programovatelná po blocích normální EEPROM lze přepisovat samostatně jednotlivé buňky

53 Paměti typu RAM RAM = Random Access Memory paměť s možností libovolného čtení i zápisu nevýhoda: není trvalá po vypnutí napájení ztrácí paměť svůj obsah dva typy pamětí RAM statická dynamická

54 Struktura paměťového modulu

55 Struktura paměťového modulu II Kapacita paměťového obvodu je dána šířkou jeho adresové a datové sběrnice. V tomto případě 2 i+1 slov po k+1 bitech. Dekodér řádků: dekóduje binární kód 1 z n (přesněji 1 z 2 i+1 ) Obvod výběru sloupců: jeden multiplexer pro každý datový bit. Paměťová buňka : např. bistabilní klopný obvod u statické paměti RAM. Řídící signály:

56 Struktura statické paměti

57 Struktura statické paměti II Při zápisu dojde k sepnutí přenosových hradel P1 a P2 a současně k aktivaci budičů B1 a B2. Tím se hodnota z vodiče D0 zapíše do klopného obvodu KO, protože přenosová hradla a budiče jsou silnější (mají menší odpor v sepnutém stavu) než tranzistory v klopném obvodu. Při čtení se stav klopného obvodu KO přenese přenosovým hradlem P1 na první vstup multiplexoru MX a je-li tento vstup vybrán, objeví se na vodiči D0.

58 Struktura dynamické paměti

59 Dynamické paměti RAM příklad: dynamická paměť RAM kapacita 256 kbitů, šířka dat 1 bit 256 kbitů potřebujeme 18 adr. vodičů vyšších 9 bitů adresy je řádek nižších 9 bitů adresy je sloupec paměť má pouze 9 adresových vodičů díky multiplexovaným vodičům signály: AD0-8 adresové vodiče (řádek i sloupec)

60 Dynamické paměti RAM \RAS Row Address Strobe zápis řádkové adresy do záchytného registru \CAS Column Address Strobe zápis sloupcové adresy do záchytného registru Q - data out výstup dat D data int vstup dat \W write enable povolení zápisu dat

61 Paměť DRAM Vcc napájení +5V Vss zem (ground)

62 RAS to CAS delay Čtecí cyklus Access time from CAS (CAS latency)

63 Zápisový cyklus do paměti

64 Struktura dynamické paměti II V dynamické paměti je adresa časově multiplexována, polovina adresy při signálu RAS = 0 (řádek), druhá polovina adresy při signálu CAS = 0 (sloupec). Zápis : Na datový (sloupcový) vodič se přivede zapisovaná úroveň a aktivuje se zvolený řádek. Paměťový kondenzátor se nabije nebo vybije (1 nebo 0). Čtení: Při výběru řádku se kondenzátory vybijí do vstupů čtecích zesilovačů (čtení je destruktivní a přečtenou informaci je nutno bezprostředně zapsat zpět provede se refresh). Obnovení: Stejně jako u čtení. Protože čtecí zesilovače jsou umístěny ve všech sloupcích, obnovují se všechny sloupce jednoho řádku najednou.

65 Vyrovnávací paměť cache I

66 Asociativní paměť cache II Použití plně asociativní paměti Data zapsaná v paměťové matici asociativní paměti budou kopie často používaných položek dat v hlavní paměti. Klíčem bude adresa, která každou položku jednoznačně identifikuje Jak bude probíhat čtení? Začne pokus se současným čtením z cache paměti i z hlavní paměti. Pokud se položka v cache nalezne, použije se a cyklus v hlavní paměti se nedokončí. V opačném případě se data přečtou z hlavní paměti (zpravidla se i současně uloží do ceche). Jak to bude se zápisem? Pokud položka v cache není přítomna, zapíše se (zpravidla) jen do hlavní paměti. Pokud je v cache přítomna, postupuje se dvěma způsoby:

67 Asociativní paměť cache III zapíše se nová hodnota současně do cache a do hlavní paměti - jedná se o tzv. průběžný zápis (write through) zapíše se nová hodnota jen do cache jedná se o tzv. odložený zápis (write back) Asociativní cache paměť popis Funkce : Při pokusu o čtení z cache paměti procesoru se v každém modulu (jsou 4 moduly) porovná klíč uložený v příslušném řádku (udávající adresu bloku dat, jehož kopie se v tomto řádku nachází) s klíčem odvozeným z adresy hledané položky dat. Shoda klíčů znamená, že hledaná položka byla v příslušném modulu nalezena.

68 Asociativní paměť cache schéma procesoru Intel s omezeným stupněm asociativity

69 1. Úvod do počítačů architektura PC dnes

70 1. Úvod do počítačů Základní části počítače motherboard procesor sběrnice paměť hierarchie pamětí vstupní zařízení výstupní zařízení porty

71 1. Úvod do počítačů procesory Intel

72 Procesory Intel Zvýšený výkon znásobováním procesů Čtyřjádrové procesory Intel už i pro stolní počítače Procesor Intel Core 2 Quad přináší do PC čtyři jádra, a tím i strhující rychlost práce a odezvy ve stále náročnějším prostředí moderních multimediálních aplikací. Procesor je v prodeji samostatně, i v počítačích všech větších výrobců. Intel dále představil dva čtyřjádrové procesory pro základní servery. Zmíněné produkty vychází zřady dvoujádrových procesorů Intel Core 2 Duo a čtyřjádrových procesorů Intel Core 2 Q Dvoujádrový procesorový čip-(dual procesor) vedle na obrázku.

73 1. Úvod do počítačů - komunikace po sběrnici Sběrnice je skupina vodičů, které mají speciální funkci a spojují jednotlivé součásti počítače. Sběrnice zajišťuje komunikaci a propojení procesoru s ostatními částmi počítače. Přidělování sběrnice: PS - přidělovač sběrnice, P1,P2 procesory VV1, VV2 vstupně/výstupní zařízení, HP1,HP2 - moduly hlavní paměti

74 1.Úvod do počítačů systém sběrnic 1. a 2. - lokální sběrnice systémová 3. lokální sb. systém. 4. V/V sběrnice 5. specializovaná sb. vnější 6. komunikační sběrnice

75 1. Úvod do počítačů - základní cyklus

76 Registry speciální paměťové buňky uvnitř procesoru pro ukládání výsledků a mezivýsledků operací pro ukládání stavu procesoru, chyb, atd.

77 Registry Programový čítač (PC) - Program Counter obsahuje adresu právě prováděné instrukce u procesorů Intel se nazývá IP (Instruction Pointer) Střadač (A) - Accumulator ukládají se zde výsledky a mezivýsledky operací některé instrukce pracují pouze se středačem

78 Registry Příznakový (stavový) registr (F nebo S) - Flags, Status je zde uložen stav procesoru, informace o chybách, výsledky operací ve smyslu např. výsledek je nulový, kladný/záporný

79 Příznakový registr procesoru Intel 8086

80 Příznakový registr procesoru Intel 8086

81 Registry Ukazatel zásobníku (SP) - Stack Pointer obsahuje adresu vrcholu zásobníku

82 1. Úvod do počítačů - instrukce Instrukce = příkaz, který je zakódovaný jako číslo Obsahuje tyto informace(popřípadě může obsahovat): 1. jaká se má provést operace (typ operace) 2. s čím se má operace provést (operandy) a kam se má uložit výsledek 3. kde se má dále pokračovat adresa následující instrukce Tyto informace mohou být obsaženy: - explicitně v instrukci, kupř. zmíněné SAPO s 5 adresovou instrukcí: k bodu 1. tzv. operační znak k bodu adresa k bodu 3. 2 adresy následující instrukce při záporném a nezáporném výsledku

83 1. Úvod do počítačů - instrukce Z části explicitně v instrukci, z části určeny implicitně architekturou procesoru, např. K bodu 1. Operační znak OZ instrukce, K bodu 2. adresová část instrukce K bodu 3. von Neumannova koncepce další instrukce na následující adrese architektura Operační kód = soubor instrukcí : OZ - kód operace

84 1. Úvod do počítačů - 1 adresová instrukce OZ a zvláštní registr střadač S - střadač (Accumulator) 1. operand a výsledek např. : S - a S operace přesunu : a S a S a Př.: x - y z x S S S y z S Více střadačů číslo střadače instrukce lze provést operace mezi střadači

85 1. Úvod do počítačů - 2 adresová instrukce OZ a 1 a 2 výsledek se ukládá na místo prvního operandu, např.: a 1 a 2 a 1 je třeba zavést neproduktivní operaci přesun: a 2 a 1 Př.: x y z x z z - y z 3 adresová instrukce OZ a 1 a 2 a 3 nejpřirozenější : 2 operandy + 1 výsledek instrukce je poměrně dlouhá

86 Druhy instrukcí aritmetické ADD (sečti), SUB (odečti), MUL (vynásob), DIV (vyděl), INC (zvyš o 1), DEC (sniž o 1), CMP (porovnej) logické AND, OR, XOR, NOT, TEST posuvy a rotace SHL (posuv vlevo), SHR (posuv vpravo), ROL (rotace vlevo), \ přesuny dat - MOV, IN, OUT, PUSH, POP skoky JMP, JZ, JAE volání CALL, RET, RETZ, RETI cykly LOOP

87 Příklad zakódování instrukce procesor Intel instrukce MOV RW,DATA16 uložení 16-bitové konstanty do registru konstanta je uložena v instrukci za operačním znakem

88 Příklad zakódování instrukce

89 1. Úvod do počítačů cyklus čtení instrukce

90 1. Úvod do počítačů skoky Skoky:

91 1. Úvod do počítačů - přerušovací systém Přerušení způsobí, že procesor(dočasně) přestane provádět právě probíhající program a na místo toho začne provádět jiný program, který přerušení tzv. obslouží tedy reaguje na jev, který přerušení vyvolal. Vnější přerušení periferie, uživatel, havarijní stavy apod. nemaskovatelné - vstup NMI maskovatelné (z řadiče přerušení) Vnitřní přerušení - chyby operandů, výsledků, zvolené krokování - instrukce INT n n je 8-bitová konstanta a) Před obsluhou přerušení se uloží na zásobník informace o tom, jaký program se právě prováděl (FLAGS, CS, IP) b) Zakáže se další přerušení c) Zjistí se, jak daný typ přerušení obsloužit nastaví se nové CS a IP d) Při návratu z přerušení je třeba obnovit informace o původním programu- ze zásobníku se vyzvedne IP, CS a FLAGS

92 1. Úvod do počítačů Harvardská architektura

93 1. Úvod do počítačů RISC architektura RISC Reduced Instruction Set Computers počítače s redukovaným souborem instrukcí Charakteristické rysy: Poměrně malý počet instrukcí - < 128 a velmi jednoduchých Velmi krátká doba provedení instrukce vždy v jednom cyklu Klasický řadič obvodově realizovaný Proudové zpracování instrukcí paralelní překrývání při zpracování Jedna instrukce = 1 slovo Malý počet formátů instrukcí - 4 Malý počet způsobů adresace - 4 Velký počet registrů desítky až stovky registrů Komunikace s hlavní pamětí : pouze instrukcemi přesun Protipól RISC architektury: Počítače typu CISC Complex Instruction Set Computers

94 Neproudové a proudové zpracování instrukce

95 1. Úvod do počítačů přerušení

96 1. Úvod do počítačů - přerušení 1 v počítači došlo k požadavku na přerušení, např. periferie nebyla ready,.. 2 přes konektor V/V je vyslán signál IRQ x do řadiče přerušení, který signál vyhodnotí a určí typ přerušení 3 řadič přerušení vyšle zprávu o požadavku na přerušení do procesoru 4 procesor pak vyšle zpátky do řadiče signál INTA potvrzující přerušení. 5 poté řadič přerušení vyšle do procesoru zjištěnou informaci o typu přerušení 6 - procesor pak uloží informace o probíhajícím programu, tj. uloží obsah registru PC, PSW (FLEGS) event. počáteční adresu Code Segmentu(registru CS) do zásobníku

97 1. Úvod do počítačů - přerušení 7 - procesor vyhledá na počátku paměti k typu přerušení odpovídající vektor přerušení a podle něho pak určuje počáteční adresu obslužné procedury. 8 tuto adresu pak nastaví procesor do registru PC a spustí se vyhledaná procedura 9 po skončení obslužné procedury procesor vyzvedne ze zásobníku návratovou adresu a uloží do PC, jakož i původní obsah stavového slova PSW do registru FLEGS. Pak může přerušený program pokračovat dále ve své činnosti

98 Historie mikropočítač PMI-80