Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
Struktura a architektura počítačů (BI-SAP) – 1 doc. Ing. Hana Kubátová, CSc.
Katedra číslicového návrhu Fakulta informačních technologii ČVUT v Praze © Hana Kubátová
BI-SAP-1: Úvod
letní semestr
2010-11 1
Úvod Návrhový proces Architektura počítače
Zdroje: • přednášky doc. Pluháčka o architektuře počítačů • zvané přednášky z konferencí o číslicovém návrhu
Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
2
Struktura předmětu • Číslicový počítač, struktura, jednotky a jejich propojení. • Logické obvody, formy jejich popisu, kombinační obvody a jejich realizace na úrovni hradel. • Sekvenční obvody a jejich realizace. • Typické kombinační a sekvenční obvody v číslicových počítačích - jejich realizace (kodéry, sčítačky, čítače, registry) • Data, jejich zobrazení a zpracování. • Realizace aritmetických operací. • Soubor instrukcí a strojový kód a jazyk symbolických instrukcí (asembler) • Návrh procesoru • Paměti – struktura paměťového obvodu, paměťový systém počítače. • Vstupy a výstupy • Hana Řadiče. typu BI-SAP-1: CISC Úvod a RISC. Kubátová,Procesory 2011 3
Podmínky zápočtu a zkoušky Předmět 2+1+2 zápočet, zkouška • laboratorní cvičení každý týden • prosemináře 1 krát za 14 dní • zápočet za: – fungující laboratorní úlohy (až 20 bodů) + aktivita, – 3 testy (až 3x10 bodů) – celkem minimálně 25 bodů
• zkouška za: – 45 (a více) bodů v semestru (A), 40-44 (B) – jinak body ze cvičení + zkouškový test (až 50 bodů) Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
4
Cíle předmětu • globální přehled o architektuře počítačů a jejím vývoji (tedy i historické souvislosti) • odpovídá předmětům „Digital Design“ • navazuje na BI-CAO a BI-PA1 • zaměření na praktické úlohy • využívá programovatelné obvody • seznamuje s moderními návrhovými prostředky Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
5
Co je číslicový počítač Výstupní data (údaje)
Vstupní data (údaje) počítač
• Zobrazení dat – Nespojité – diskrétní (číslicové, digitální) – Spojité - analogové
• Počítač – Analogový – spojité zobrazení dat – Číslicový – nespojité zobrazení dat – Hybridní – obojí + A/D, D/A převodníky Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
6
Technologie – dramatický rozvoj, Mooreuv zákon • Procesory
• 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
Každých 18 měsíců m zdvojnásobení hustoty integrace
– Logická kapacita: o 30% za rok – Hodinová frekvence: o 20% za rok
• Počítačové sítě – – šířka pásma o 100% za rok! Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
7
Historie – vývojové mezníky • víc než 50 let uplynulo 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 v SOJ (strojový jazyk) k˚programování ve vyšších jazycích • nástup RISC (Reduced Instruction Set Computer) - důsledek: – paralelizmus na úrovní zpracování instrukcí – ILP (Instruction Level Parallelism), tj. proudové zpracování instrukcí, super-skalární architektury atd. – používaní vnitřních skrytých pamětí (cache)
• průlom v navrhování: vývoj kvantitativního přístupu k návrhu a analýze počítačů, který využívá empirické pozorování, experimentování a simulace Hana Kubátová, 2011 BI-SAP-1: Úvod 8
Chronologie v datech • 60. léta: dominantní velké sálové počítače s aplikacemi jako – zpracováni dat ve finanční sféře – rozsáhlé vědeckotechnické výpočty
• 70. léta: mikropočítače pro aplikace ve vědeckých laboratořích • 80. léta: příchod stolních počítačů založených na mikroprocesorech (osobní počítače a pracovní stanice) • dále se objevují 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 Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
9
Reprezentace systému • Funkční (behavioral or functional representation) – Popis funkce ne implementace Co to má dělat – Black-box + závislosti výstupů na vstupech v čase
• Strukturní – Popis implementace bez zvláštního popisu funkce (ta vyplývá ze vzájemného spojení bloků o známé funkci) – Vnitřek black-boxů Jak
• 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 Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
10
Úrovně abstrakce Funkční, strukturní i fyzikální reprezentace může být použita na různém úrovni abstrakce (granularity) podle použitých typů objektů. Dále na obr. – návrh elektronických systémů: 1. Transistor 2. Hradlo 3. Registr 4. Procesor
Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
11
Úroveň abstrakce
Funkční popis
Strukturní bloky
Fyzikální objekty
transistor
Diferenciální rovnice, volt-ampérová charakteristika
Transistor, odpor, kondenzátor
hradlo
Boolovské rovnice, konečný automat
Hradlo, klopný Moduly, bloky obvod
registr
Algoritmus, vývojový diagram, soubor instrukcí
Sčítačka, komparátor, čítač, registr
Mikročipy
Procesor, řadič, paměť
Desky plošných spojů, vícečipové moduly
procesor Hana Kubátová, 2011
Specifikace funkce, program
BI-SAP-1: Úvod
Analogové a číslicové buňky layout
12
Návrh počítačových systémů metodou „zdola nahoru“
Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
13
.... o tom bude SAP
Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
14
Pohled zdola-nahoru x zhora-dolů • Návaznost na Číslicové a analogové obvody transistory, jak vypadá hradlo zdola • Programování programování, typy dat a jejich struktury shora • Struktura a architektura počítačů jak data uložit a jak je zpracovat a jak mají vypadat jednotky, které data zpracovávají – jak se postaví z hradel a z větších bloků mezi Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
15
Počítačový software • Firmware BIOS, adresní módy, architektura souboru instrukcí – Instruction Set Architecture - ISA, jazyk symbolických instrukcí - asembler • Operační systém Struktura souboru na disku, privilegia a ochrana, přepínaní úloh, jádro, správa paměti a zařízení • Vývojářský SW Asembler-překladač a linker; simulátor a debugger; knihovny • Aplikace Programovací jazyky, editory, prohlížeče, hry, …
Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
16
Počítačový hardware • Architektura počítače Architektura procesoru, provádění instrukcí, tok dat, řízení, predikce větvení • Paměťová hierarchie vyrovnávací paměť (cache), správa paměťového systému, segmentace a stránkování • Uživatelské rozhraní displej, grafické rozhraní, klávesnice, myš, porty • Další rozhraní Přerušovací systém, DMA (Direct Memory Access), komunikační protokoly Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
17
Von Neumannova architektura (1) • Instrukce a data jsou uloženy v téže paměti. • 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. • V instrukci zpravidla není uváděna hodnota operandu, ale jeho adresa. • Instrukce se provádějí jednotlivě, a to v pořadí, v němž jsou zapsány v paměti, pokud není toto pořadí změněno speciálními instrukcemi (nazývanými skoky). Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
18
Von Neumannova architektura (2) • Důsledek - podle výpisu paměti nelze poznat, zda jde o instrukce nebo o data (ani o jaká data) – je třeba znát kontext • Počítač tvoří: – hlavní paměť (main memory) – procesor: • datová část – ALU – aritmeticko-logická jednotka – Registry
• řídící část – Řadič – control unit, controller
– vstupní/výstupní zařízení Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
19
Hardwarová architektura počítače Hlavní komponenty počítačového systému
Procesor
Paměť Computer Processor
Memory
Devices
Control
Input
Datapath
Output
Řídící část Řadič - Controller
Datová část Aritmeticko-logická jednotka - ALU
Vstupní/Výstupní zařízení Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
20
Počítač von Neumannova typu
Společná paměť instrukcí a paměť dat Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
21
Harwardská architektura
Oddělena paměť instrukcí a paměť dat Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
22
Vývoj softwaru – úrovně abstrakce Vyšší programovací jazyk
a = b+c If (a > MAX) a = MAX for (i==0; i
Překladač Jazyk symbolických instrukcí
mov reg1, konst[0] mov reg2, konst[2] add reg1, reg2 jc lab
Asembler 0000 1111 0101 0111 1011 0001 1110 0011 1100 1000 1001 0110
Strojový kód Procesor Řídící signály Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
23
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, 37b, 50b, b označuje bit) – slabika B – byte, 8b = 1B, obvykle 2 nebo i více slabik tvoří slovo, např. u procesorů Intel 80x86 –1 slovo = 2B
• Obsah paměťového místa na adrese adr bývá někdy označován ; nehrozí-li nedorozumění píše se však často adr místo .
Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
24
Slabiková organizace paměti Př. 1 slabika = 1B 1 slovo = 2B 1 dvojité slovo = 4B [DW – Double Word] – tedy 32b Od adresy 5678 má být uloženo dvojité slovo 1234ABCD: 1. způsob 2. způsob
5678 5679 567A 567B
12 34 AB CD
Hana Kubátová, 2011
CD AB 34 12
1. big-endian (IBM 360, Motorola 68000) 2. little-endian (Intel 80x86, DEC Alpha) Oba způsoby (Motorola 88 110)
BI-SAP-1: Úvod
25
Zobrazení dat v paměti Numerická data – čísla: • V pevné řádové čárce – fix point, obvykle celá čísla (integer, byte, word …) • V pohyblivé řádové čárce – floating point, racionální čísla (real, float, …) • Dvojková – binary • Desítková – decimal • Šestnáctková – hexadecimal • 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, …)
Hana Kubátová, 2011
BI-SAP-1: Úvod
26
