Struktura a architektura počítačů

Podobné dokumenty
Y36SAP

Struktura a architektura počítačů (BI-SAP) 1

Úvod Struktura počítače Logické obvody

LOGICKÉ OBVODY X36LOB

Úvod Struktura počítače Logické obvody

Přednášky o výpočetní technice. Hardware teoreticky. Adam Dominec 2010

Algoritmizace a programování

Pohled do nitra mikroprocesoru Josef Horálek

Algoritmizace a programování

Sběrnicová struktura PC Procesory PC funkce, vlastnosti Interní počítačové paměti PC

Profilová část maturitní zkoušky 2014/2015

Profilová část maturitní zkoušky 2015/2016

Sběrnicová struktura PC Procesory PC funkce, vlastnosti Interní počítačové paměti PC

C2115 Praktický úvod do superpočítání

2.8 Procesory. Střední průmyslová škola strojnická Vsetín. Ing. Martin Baričák. Název šablony Název DUMu. Předmět Druh učebního materiálu

Kubatova Y36SAP procesor - control unit obvodový a mikroprogramový řadič RISC Y36SAP-control unit 1

ZÁKLADY PROGRAMOVÁNÍ. Mgr. Vladislav BEDNÁŘ /14

Struktura a architektura počítačů (BI-SAP) 4

Technické prostředky počítačové techniky

Architektura počítačů Logické obvody

Základní pojmy. Program: Algoritmus zapsaný v programovacím jazyce, který řeší nějaký konkrétní úkol. Jedná se o posloupnost instrukcí.

PROCESOR. Typy procesorů

NSWI /2011 ZS. Principy cpypočítačůčů aoperačních systémů ARCHITEKTURA

Úvod do informačních technologií

Sběrnicová struktura PC Procesory PC funkce, vlastnosti Interní počítačové paměti PC

Architektura počítačů Logické obvody

1. Historie počítacích strojů Předchůdci počítačů. 2. Vývoj mikropočítačů Osmibitové mikropočítače Šestnácti a dvaatřicetibitové počítače IBM

Struktura a architektura počítačů (BI-SAP) 7

První počítače mechanické kalkulátory Nejstarší počítač: Abakus

MATURITNÍ OTÁZKY ELEKTROTECHNIKA - POČÍTAČOVÉ SYSTÉMY 2003/2004 TECHNICKÉ VYBAVENÍ POČÍTAČŮ

Architektury počítačů a procesorů

Úvod SISD. Sekvenční výpočty SIMD MIMD

Číselné vyjádření hodnoty. Kolik váží hrouda zlata?

Gymnázium Vysoké Mýto nám. Vaňorného 163, Vysoké Mýto

Inovace výuky prostřednictvím ICT v SPŠ Zlín, CZ.1.07/1.5.00/ Vzdělávání v informačních a komunikačních technologií

Y36SAP Y36SAP-2. Logické obvody kombinační Formy popisu Příklad návrhu Sčítačka Kubátová Y36SAP-Logické obvody 1.

PROGRAMOVATELNÉ LOGICKÉ OBVODY

Historie výpočetní techniky. Autor: Ing. Jan Nožička SOŠ a SOU Česká Lípa VY_32_INOVACE_1121_Histrorie výpočetní techniky_pwp

Základy informatiky. 2. Přednáška HW. Lenka Carr Motyčková. February 22, 2011 Základy informatiky 2

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Struktura a architektura počítačů (BI-SAP) 10

Činnost CPU. IMTEE Přednáška č. 2. Několik úrovní abstrakce od obvodů CPU: Hodinový cyklus fáze strojový cyklus instrukční cyklus

SYSTÉMY NAČIPU MI-SOC

Trocha obrázků na začátek..

Klasifikace počítačů a technologické trendy Modifikace von Neumanova schématu pro PC

Architektura počítače

FPGA + mikroprocesorové jádro:

Návrh. číslicových obvodů

Organizace předmětu, podmínky pro získání klasifikovaného zápočtu

Mikrokontroléry. Doplňující text pro POS K. D. 2001

Základy digitální techniky

Gymnázium Vysoké Mýto nám. Vaňorného 163, Vysoké Mýto

Historie počítačů. 0.generace. (prototypy)

Přednáška. Vstup/Výstup. Katedra počítačových systémů FIT, České vysoké učení technické v Praze Jan Trdlička, 2012

Obsah DÍL 1. Předmluva 11

PB002 Základy informačních technologií

Z{kladní struktura počítače

VÝUKOVÝ MATERIÁL. 3. ročník učebního oboru Elektrikář Přílohy. bez příloh. Identifikační údaje školy

LOGICKÉ SYSTÉMY PRO ŘÍZENÍ

Procesory, mikroprocesory, procesory na FPGA O. Novák, CIE 11 1

Struktura a architektura počítačů (BI-SAP) 6

Masarykova střední škola zemědělská a Vyšší odborná škola, Opava, příspěvková organizace

Architektura počítačů

Profilová část maturitní zkoušky 2013/2014

Operační systémy. Přednáška 1: Úvod

Úvod do problematiky návrhu počítačových systémů. INP 2008 FIT VUT v Brně

Princip funkce počítače

Procesor. Základní prvky procesoru Instrukční sada Metody zvýšení výkonu procesoru

Témata profilové maturitní zkoušky

Logické řízení. Náplň výuky

1 Historie výpočetní techniky

Úvod do architektur personálních počítačů

Architektura počítačů

Principy komunikace s adaptéry periferních zařízení (PZ)

Struktura a architektura počítačů (BI-SAP) 3

1 Osobní počítač Obecně o počítačích Technické a programové vybavení... 4

Zpracování obrazu v FPGA. Leoš Maršálek ATEsystem s.r.o.

OPS Paralelní systémy, seznam pojmů, klasifikace

2.1 Historie a vývoj počítačů

INFORMAČNÍ A KOMUNIKAČNÍ TECHNOLOGIE

Výstavba PC. Vývoj trhu osobních počítačů

Osnova. Základy informatiky. 1. Přednáška Historie. Úvod. Kategorie počítačů z pohledu hardware

Hardware - komponenty počítačů Von Neumannova koncepce počítače. Von Neumannova koncepce počítače

Programovatelná logika

Aplikace elektroniky. Čím se budeme zabývat? Struktury integrovaných systémů A2M34SIS. Čím se budeme zabývat - cvičení?

35POS 2010 Počítačové systémy 1 Úvod, jazyk C Doc. Ing. Bayer Jiří, Csc. Ing. Pavel Píša

(12) Historie počítačů. Vznik před 5000 lety Usnadňoval počítání s čísly Dřevěná / hliněná destička, do níž se vkládali kamínky (tzv.

Profilová část maturitní zkoušky 2017/2018

Historický vývoj výpočetní techniky. Miroslav Flídr Počítačové systémy LS /14- Západočeská univerzita v Plzni

Digitální obvody. Doc. Ing. Lukáš Fujcik, Ph.D.

Integrované obvody. Obvody malé, střední a velké integrace Programovatelné obvody

Základní deska (1) Označována také jako mainboard, motherboard. Deska plošného spoje tvořící základ celého počítače Zpravidla obsahuje:

Reprezentace dat v informačních systémech. Jaroslav Šmarda

HISTORIE VÝPOČETNÍ TECHNIKY. Od abakusu k PC

OVLÁDACÍ OBVODY ELEKTRICKÝCH ZAŘÍZENÍ

Ahoj mami. Uložení dat v počítači. Příklady kódování dat. IAJCE Přednáška č. 4

Faculty of Nuclear Sciences and Physical Engineering Czech Technical University in Prague

BI-JPO (Jednotky počítače) Cvičení

Vstupně výstupní moduly. 13.přednáška

Transkript:

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

Přednáší Ing. Miroslav Chomát, CSc. chomat@fel.cvut.cz Cvičí Ing. Radek Havlíček, Ph.D. havlicr@fel.cvut.cz A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 2

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

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

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

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

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 1 12. - Test 2 13. - 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

Zdroje informací Přednášky k předmětu A7B14SAP Web předmětu A7B14SAP http://motor.feld.cvut.cz 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 2006. A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 8

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

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 - 1 10

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: www.wikipedia.org A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 11

Mooreův zákon Počet transistorů na čipu Pentium Core i7 8086 8080A 1.000.000 x 4004 40 let Zdroj: www.wikipedia.org A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 12

Výkon vs roky Výkon 100.000 x 40 let A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 13

Historie vývojové mezníky 3000 let př.n.l. Babylon vynalezen Abakus Současný model Starověký Řím A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 14

Historie vývojové mezníky 1623 W. Schickard první mechanický kalkulátor 1642 B. Pascal více rozšířený mechanický kalkulátor 1834 Ch. Babbage - kalkulátor pro výpočet logaritmů 1792-1871 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 - 1 15

Historie vývojové mezníky 1854 G. Boole matematické základy logiky 1890 H. Holleright založil TMC z niž v r. 1924 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. 1947 W. Schockley, W. Brattain, J. Bardeen vynález tranzistoru 1951 fa UNIVAC první komerční počítač 1953 fa IBM elektronický počítač IBM 701 1958 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 - 1 16

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) 1979-81 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 - 1 17

Historie blízká minulost - shrnutí Více než 50 let od vytvoření 1. univerzálního elektronického počítače Dnešní PC jsou výkonnější než počítač z r. 1980 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 - 1 18

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 - 1 19

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 - 1 20

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 - 1 21

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 - 1 22

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 - 1 23

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 - 1 24

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 - 1 25

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 - 1 26

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 - 1 27

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 - 1 28

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 - 1 29

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 - 1 30

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 - 1 31

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 - 1 32

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 1001 0011 0101 0001 0110 1101 0011 1010 0001 1110 1100 0011 0111 0010 1010 0001 0101 1110 0010 0011 *WR *RD DB 1 2 3 4 A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 33

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 - 1 34

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 8001 12 CD 8002 34 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 - 1 35

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. 10100011b 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 - 1 36

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

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

Příklad 1 Dvojková čísla a, b budou nejprve jednobitová a b??? s = a + b Pravdivostní tabulka s = a + b a b s 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 + 1 = 2d = 10b A co přenos do vyššího řádu? A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 39

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

Příklad 1 - intuitivně a b p q s 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 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 - 1 41

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 - 1 42

Funkce hradel, Booleova algebra a b a f 1 f 2 b a f 3 AND OR INV AND OR NOT a b f 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 a b f 2 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 a f 3 0 1 1 0 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 - 1 43

Funkce hradel, Booleova algebra a b a a f 4 f 5 f 6 b b NAND NOR XOR NAND a b f 4 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 NOR a b f 5 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 XOR a b f 6 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 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 - 1 44

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 - 1 45

SAP laboratorní cvičení (KOM, SEK) Software Hardware BASYS2 FPGA Device A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 46

Testovací hardware SAP laboratorní cvičení (KOM, SEK) A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 47

Testovací hardware SAP laboratorní cvičení (KOM, SEK) A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 48

Testovací hardware SAP laboratorní cvičení (KOM, SEK) A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 49

CAD Xilinx ISE Návrh logických obvodů SAP laboratorní cvičení (KOM, SEK) A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 50

Použitá literatura [1] Kubátová, H.: Struktura a architektura počítačů, Přednášky FEL, 2009. [2] McIver McHoes, A Flynn, I.M.: Understanding Operating Systems.Thomson, 2008. [3] Tanenbaum, A: Modern Operating Systems. Prentice Hall, New Jersey, 2008. A7B14SAP Struktura a architektura počítačů - 1 51

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