kompiuterių architektūra ir operacin ė s sistemos ka-1 paskaita

1

Doc. Stasys MaciulevičiusKompiuterių katedra

[email protected] [email protected]

Kompiuterių architektūra ir operacinės sistemos

KA-1 paskaita

mailto:[email protected]

2007-10 S.Maciulevičius 2

Kaip mes dirbsime?

• Paskaitos – kiekvieną antradienį (nuo 17 val.)• Praktiniai darbai – savarankiškai ir “darbo savaitgaliais”:

1. Vasario 19-202. Kovo 19-203. Balandžio 16-174. Gegužės 14-15

• Namų darbas (operacijos modeliavimas) – iki 04.16• Referatas – iki 05.14• Koliokviumas – 03.19-20 (Procesoriai)• Koliokviumas – 04.16-17 (Kompiuterių architektūra)• Egzaminas – 06.11-12• Grįžtamasis ryšys (klausimai, problemos, konsultacijos) –

elektroniniu paštu: [email protected]


Kaip dirba kompiuteris?

• Tarkime, norite papildyti laboratorinio darbo

ataskaitą, parengtą anksčiau naudojant programą

Word• Ataskaitos failas LabD.doc yra laikomas My

Documents aplanke

• Word gali būti paleidžiama dukart spragtelėjus

failo pavadinimą; po kelių ar keliolikos sekundžių

ataskaita bus atverta programos Word lange



• Kas įvyko ir kaip tai vyko?– Pirmiausia jums reikėjo atverti My Documents aplanką. Tam naudojote

pelę; kai tik pajudinate pelę, formuojamas pertraukties signalas,

atkreipiantis procesoriaus dėmesį, ir procesorius gauna pelės žymeklio

koordinates (ekrane). Kartu su operacinės sistemos programomis

(vartotojo grafine sąsaja, Windows Explorer) surandamas aplankas My

Documents ir jame esantis failas

– Kai dukart spragtelite šio failo pavadinimą, pagal nustatytas failų savybes

sistema nustato, kad šis failas atveriamas programa Word

– Operacinė sistema inicijuoja Word įkėlimą iš disko į pagrindinę atmintį.

Programai ir jos darbui reikalingoms duomenų sritims išskiriama vieta

pagrindinėje atmintyje, paruošiamos reikalingos lentelės su informacija

apie tikrąją Word vietą atmintyje



– Kai tik OS nustato, kad procesorius gali pradėti vykdyti Word

programą, jis gauna programos pradžios adresą, paskaičiuoja

tikrąjį programos pirmosios komandos adresą ir kreipiasi į

pagrindinę atmintį– Iš jos perskaitoma ši komanda kartu su informacijos bloku

(keliasdešimt baitų); komanda perduodama vykdymui, o blokas

siunčiamas į spartinančiąją atmintį [kešą], kad jame esanti

informacija procesoriui būtų pasiekiama kur kas sparčiau

• Čia pateiktas apytikris programos paleidimo vaizdas. Kai

nagrinėsite operacinėms sistemoms skirtą skyrių,

susidarysite tikslesnį jos (OS) darbo vaizdą



• Atkreipkime dėmesį į tai, kad kompiuterio techninės

įrangos (procesoriaus, atminties, kešo, disko, pelės)

darbas tampriai surištas su operacinės sistemos darbu

• Paminėsime tokius dalykus: – pertrauktis ir jų apdorojimo valdymą;– įtaisų (pelės, disko, ...) valdymą;– pagrindinės atminties išskyrimą ir jos darbo valdymą;– adresų pakeitimą tikraisiais;– kešo valdymą;– komandų vykdymą – ir kitus, čia nepaminėtus dalykus


Vartotojas ir kompiuteris

Kompiuterio aparatūra

Operacinė sistemaPagalbinėsprogramos

Programavimo sistemos

Taikomosios programos

Vartotojo taikymai

Vartotojas


Kompiuterių architektūra

• Pirmoji kurso dalis bus skirta kompiuterių architektūrai, kuri apibūdina šios piramidės pagrindą

• Operacinė dalis paslepia nuo vartotojo kompiuterių aparatūros ypatumus ir detales

• Siekiant efektyviau realizuoti operacines sistemas, aparatūroje pridedami įtaisai, kurie paspartina pertraukčių apdorojimą, mainus tarp pagrindinės atminties ir disko ir t.t.


Kurso medžiaga (kompiuterių architektūra)

• J.L.Hennessy, D.A.Patterson. Computer Architecture: A Quantitative Approach. - Morgan Kaufman, San Mateo, CA, 1990, 1996, 2003

• W.Stallings. Computer Organization and Architecture: Designing for Performance. - Prentice Hall Int., 2000


Kurso medžiaga

• Guk M. Apparatnyje sredstva IBM PC. S.-P., Piter, 1999

• Paskaitų skaidrės • www.ifko.ktu.lt/~stama – toliau žr. modulio

pavadinimą• Kiti šaltiniai Internete – žr. nuorodas mano

tinklalapyje

http://www.ifko.ktu.lt/~stama

http://www.ifko.ktu.lt/~stama


Kompiuterių architektūra ir operacinės sistemos

ĮVADAS


Praeitis

iki atsirandant kompiuteriams:

• abakas, skaitytuvai• 1642 m., B.Paskalis - pirmasis mechaninis

skaičiavimo įtaisas • 1673 m., G.Leibnicas - mechaninė skaičiavimo

mašina • 1822 m., Č.Bebidžas - "skirtuminė" mašina • 1854 m., Dž.Būlis - knyga "Mąstymo dėsniai"


Kompiuterių eros pradžia

• Dž.Atanasovas (JAV, kompiuteris ABC), K.Cūzė (Vokietija, 1942 m.), H.Aikenas (JAV, 1944 m.)

• Dž.P.Eckertas ir Dž.Močli (Pensilvanijos univ.) - pirmasis elektroninis bendrosios paskirties kompiuteris ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator); U formos kompiuteris buvo 24 metrų ilgio, 2,5 m. aukščio ir svėrė apie 30 tonų. Viso kompiuteryje - 18000 elektroninių lempų.

• 1944 m. Dž. fon Neimanas pradėjo dirbti prie ENIAC projekto. Projekto autoriai parengė atmintyje saugomos programos panaudojimo idėją. Tai davė pradžią plačiai žinomai sąvokai “Fon Neimano kompiuteris”.


von Neuman'o tipo kompiuterisDauguma šiandien dar naudojamų ir gaminamų

kompiuterių sukurti remiantis pagrindiniais principais, kuriuos daugiau kaip prieš 60 metų suformulavo J. von Neuman, H.Burks ir A.Goldstine.

Autoriai savo idėją suformulavo taip:Principinės mašinos komponentės yra:• Kadangi tai turi būti bendros paskirties skaičiavimo mašina, joje

turi būti tokie įtaisai, kaip aritmetinis, atminties, valdymo ir ryšio su žmogumi; mašina bus visiškai automatinė;

• Mašina turi saugoti atmintyje tokia pačia forma ne tik skaičiavimams reikalingą skaitmeninę informaciją (duomenis, funkcijų lenteles, tarpinius rezultatus), bet ir komandas, valdančias skaičiavimą; skaičiavimo mašinoje turi būti įtaisas programoms saugoti, o taip pat įtaisas, kuris jas suprastų ir valdytų jų vykdymą;


von Neuman'o tipo kompiuteris

3. Konceptualiai mes apsvarstėme dvi skirtingas atminties formas - skaičių ir komandų atmintį; jei komandos bus koduojamos skaičiais ir jei mašina sugebės atskirti jas nuo skaičių, viskas gali būti saugoma vienoje atmintyje.

4. Jei atmintis tik saugo komandas, mašinoje turi būti organas, kuris automatiškai jas vykdo; šį organą vadinsime valdymu.

5. Kadangi tai yra skaičiavimo mašina, joje turi būti aritmetinis įtaisas, kuris vykdytų aritmetines operacijas (sudėtį, atimtį, daugybą, dalybą), o taip pat ir kitas dažnai sutinkamas operacijas.

6. Joje taip pat turi būti įvedimo ir išvedimo įtaisas, kuris leistų operatoriui komunikuoti su mašina.

Burks A.W., Goldstine H.H., von Neuman J. Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument, in: Taub A.H.(ed.):Collected Works of John von Neumann, vol.5, MacMillan, New York 1963, p.34-79.



Pagal šį paaiškinimą galima nubraižyti tokią kompiuterio struktūrą:

Komandų procesorius

Duomenų procesorius

Įvesties ir išvesties

procesorius

Atmintis

Ryšio įtaisas (magistralė)



• Komandų ir duomenų procesorius įprasta apjungti į vieną įtaisą – centrinį procesorių (CPU). CPU interpretuoja ir vykdo programos komandas (išskyrus informacijos įvedimo ir išvedimo komandas)

• Atmintyje saugomi visi duomenys ir programos • Įvesties ir išvesties įtaisas kartu su periferiniais

įtaisais užtikrina kompiuterio ryšį su aplinka • Vidiniai duomenų keliai – magistralės - užtikrina

informacijos mainus tarp visų kompiuterio įtaisų


Detalesnė kompiuterio struktūra

adresų magistralė

AC T

R1

RN

duomenų magistralė 2

duomenų magistralė 1

KR PC

ALU

AR

DR

ATM

Duomenų procesorius Komandų procesorius


Kompiuterio struktūra

Čia pažymėta:- T - laikinam operandų saugojimui skirtas

(papildomas) registras,

- KR - komandos registras,

- PC - programos skaitiklis,

- ATM - atmintis,

- AR - jos adreso registras,

- DR - jos duomenų registras.


Komandos vykdymo procesas

Detaliau nagrinėjant komandos vykdymo procesą, galima išskirti daugiau smulkesnių žingsnių, pavyzdžiui:

1. Išrinkti iš atminties komandą ir įrašyti ją į komandos registrą.

2. Pakeisti komandos skaitiklio, kuris nurodo vykdomos komandos adresą, turinį.

3. Nustatyti išrinktos komandos tipą.4. Jei komandoje nurodyti duomenys yra atmintyje, nustatyti

jų vietą.5. Jei reikia, išrinkti iš atminties duomenis ir perduoti juos į

CPU registrus.6. Vykdyti komandoje nurodytą operaciją.7. Rezultatus įrašyti į nurodytą vietą.8. Pereiti į 1 žingsnį kitai komandai vykdyti.


Informacijos tipai kompiuteriuose

n skilčių dvejetainis žodis kompiuteryje atitinka tokius informacijos tipus:

– duomenis (skaičius, dvejetainius vektorius ar simbolius),

– komandas,– atminties lastelių arba įvesties ir

išvesties įtaisų adresus.



• duomenys :

+108:

-

108:

17,25:

A = 41H:

0 1 1 0 1 1 0 0

1 0 0 1 0 1 0 0

0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0 1 0 0 0 0 0 1



• komandos:

- IBM/360 procesorių sudėties komanda AR 5, 9

(sudedami dviejų registrų turiniai):

0001 1010 0101 1001- Intel šeimos procesorių sudėties komanda add r/m, m/r (sudedami dviejų registrų arba atminties ir registro turiniai):

000000dw mod reg r/mVariantas add ax, bx (ax := ax + bx):

0000 0011 1100 0011


Praeitis ir dabartis

Kompiuterių eros vidurys

• IBM, investavusi 5 mlrd. dolerių, 1964 m. paskelbė apie sistemą IBM/360 (šeimą):– (beveik) ta pati komandų sistema– (beveik) ta pati operacinė sitema– didėjanti sparta– didėjanti atminties talpa:


Praeitis ir dabartis

Parametras Mod. 30

Mod. 40

Mod. 50

Mod. 65

Mod. 75

RAM talpa, KB 64 256 256 512 512

Duom. perdavimo iš RAM sparta, MB/s

0,5 0,8 2,0 8,0 16,0

CPU ciklas, μs 1,0 0,625 0,5 0,25 0,2

Santykinė sparta 1 3,5 10 21 50

Duomenų kanalų 3 3 4 6 6

Duomenų kanalo sparta, KB/s

250 400 800 1250 1250

IBM System/360


Praeitis ir dabartisToliau ....• 1965 m. DEC pristatė PDP-8 - pirmąjį komercinį

minikompiuterį (apie 20 000 dol.) mašiną • 1971 m. – pirmasis mikroprocesorius (Intel 4004)• 1973 m. Gary Kildall parašė paprastą operacinę

sistemą naudodamas PL/M kalbą - CP/M (Control Program/Monitor arba Control Program for Microcomputer ).

• 1981 IBM pristatė IBM 5150 PC (4.77-MHz Intel 8088 CPU, 64KB RAM, 40KB ROM, vienas 5.25” lanksčių diskelių įtaisas ir PC-DOS 1.0), už $3000.

• 1985 m. Microsoft pateikė Microsoft Windows 1.0, už $100.

ir t.t.


Kompiuterių parametrai

Metai Modelis Dydis (dm3)

Galing. (W)

Našumas (op/s)

Atmin-tis(KB)

Kaina (tūkst.$)

1951 UNIVAC I 28000 124500 1 900 48 1000

1964 IBM S360/ mod50

1680 10000 500 000 64 1000

1965 PDP-8 225 500 330 000 4 13

1976 Cray-1 1625 60000 166 000 000

32768 4000


Kompiuterių parametrai

Metai Modelis Dydis (dm3)

Galing. (W)

Našumas (op/s)

Atmintis Kaina (tūkst.$)

1981 IBM PC 30 150 240 000 256 KB 3

1991 HP 9000/ mod.750

56 500 50 x 106 16 MB 7,4

2000 ASCI White

**** 500 000 (8192)

12,3 x 1012 6 TB 110 000

2005 Blue Gene/L

**** 1,5 MW (131072)

280 x 1012 10 TB ?????

2010 PC 3-10 300-600 40 x 109 2-4 GB 1-2


Pirmųjų kartų kompiuterių struktūra

Įvesties įtaisas

Pagrindinė atmintis

Išvesties įtaisas

Procesorius

Išorinė atmintis

RezultataiPrograma ir pradiniai duomenys

Procesorius – kartu ir centrinis valdymo įtaisas: jis ne tik interpretuoja programą ir vykdo komandas, bet ir valdo pradinių duomenų įvedimą bei rezultatų išvedimą


Trečiosios kartos kompiuterių struktūra

Čia informacijos apdorojimo procesas atskirtas nuo jos įvedimo ir išvedimo. Duomenų įvedimą bei rezultatų išvedimą (taip pat ir mainus su išorine atmintimi) valdo specialūs įtaisai, vadinami kanalais arba įvesties ir išvesties procesoriais.Procesorius interpretuoja programą ir vykdo komandas bei valdo kanalų darbą.

Kana-las Pagr.

atmintis

ĮĮ

Proce-sorius

MD

IĮ

Kana-las

MJ


Minikompiuterių struktūra

Čia visi sistemos elementai sujungti tarpusavyje bendra magistrale. Lengva prijungti papildomus modulius, tačiau bendra magistralė – siaura sistemos vieta, ribojanti sistemos darbą.

Konsolė Pagr. atmintis

Išvesties modulis

Proce-sorius

Išorinė atmintis

Įvesties modulis

Bendroji magistralė


Pirmųjų personalinių kompiuterių struktūra

Kontro-leris

Pagr. atmintis

Išvesties įtaisas

Proce-sorius

Išorinė atmintis

Laikmatis

Bendroji magistralė

Kontro-leris

Įvesties įtaisas

Ties.mainųkanalas


Personalinių kompiuterių struktūra - 1

Išvestiesįtaisas

Pagr. atmintis

Išvesties įtaisas

Proce-sorius

Standusisdiskas

Kešas

Tiltas 1

Tiltas 2

Grafika

Įvesties įtaisas

Įvesties įtaisas

LAN


Personalinių kompiuterių struktūra - 2

Išvestiesįtaisas

Pagr. atmintis

Išvesties įtaisas

Proce-sorius

Standusisdiskas

Tiltas 1

Tiltas 2

Grafika

Įvesties įtaisas

Įvesties įtaisas

LAN


Naujųjų personalinių kompiuterių

struktūra

Išvestiesįtaisas

Pagr. atmintis

Išvesties įtaisas

Proce-sorius

Standusisdiskas

Tiltas 1

Tiltas 2

Grafika

Įvesties įtaisas

Įvesties įtaisas

LAN


Kompiuterių klasifikacija

Pagal panaudojimo sritį:• moksliniams-techniniams

skaičiavimams,• komerciniai,• laboratoriniai,• procesų valdymo,• biuro,• namų,• kelioniniai (portatyvūs PC).



Pagal dydžio klasę:• delniniai kompiuteriai, • namų (asmeniniai) kompiuteriai,• personaliniai kompiuteriai (desktop),• nešiojami kompiuteriai, • darbo stotys,• minikompiuteriai,• mainframe,• superkompiuteriai.



Superkompiuteriai skirti ypač sudėtingiems skaičiavimams (vadinamieji “didžiojo iššūkio” – Grand Callenge uždaviniai), žinių bankų ir tinklinių duomenų bazių apratnavimui.

Superkompiuteriai būna įvairūs:• ypač našūs specialiai suprojektuoti kompiuteriai,• tūkstančius procesorių turintys kompiuteriai

(multiprocesoriai),• klasteriai ir gridas – įvairių kompiuterių junginiai.



Didieji kompiuteriai (mainframes) skirti sudėtingiems skaičiavimams, didelėms vartotojų grupėms, tinklinėms duomenų bazėms aptarnauti.

Klasikiniai didieji kompiuteriai – sistemos IBM/360, IBM/370, IBM S/390.

Atrodė, kad jų laikai jau praeina, tačiau IBM firmos specialistai teigia, kad pusė visų duomenų pasulio informacinėse sistemose turi būti saugoma didžiuosiuose kompiuteriuose.



Minikompiuteriai atsirado tuojau po IBM/360 pasirodymo. Tai buvo DEC mašinos PDP-8, skirtos nedidelėms firmoms. Vėliau DEC gamino dar populiaresnius PDP-11 šeimos modelius.

Minikompiuterių populiarumas greitai augo, tad DEC tapo antrąja firma kompiuterių gamyboje (po IBM).

Vilniaus SM SKB buvo suprojektuoti ir Skaičiavimo mašinų gamykloje buvo gaminami minikompiuteriai CM-1600, atitinkantys PDP-11/34 (papildytą specprocesoriumi).

Darbo stotimis vadinami kompiuteriai, skirti profesionaliam darbui naudojant kompiuterių tinklo resursus. Dažniausiai tai automatizuotam projektavimui skirti kompiuteriai.



Personaliniai (asmeniniai) kompiuteriai (desktop) skirti iš esmės neprofesionaliems vartotojams, dažniausiai dirbantiems autonominiu režimu.

Nešiojami kompiuteriai pradžioje buvo skirti tik kelionėje esantiems vartotojams, dažniausiai darbui naudojat baterijos energiją. Dabar – kur kas plačiau

Tinklo kompiuteriais vadinami supaprastinti personaliniai kompiuteriai, skirti naudotis kompiuterių tinklo informaciniais resursais.



Pagal operandų saugojimo vietą:• akumuliatoriaus,• steko,• bendrosios paskirties registrų,• load/store,• atmintis-atmintis. Pagal sudėtingumą:• RISC (Reduced Instruction Set Computer) -

supaprastintos komandų sistemos kompiuteriai,• CISC (Complex Instruction Set Computer) -

sudėtingos komandų sistemos kompiuteriai.


TOP 500 (2009 lapkritis)Vieta Kur yra Kompiuteris Proc. Metai Rmax Rpeak

1Oak Ridge National Lab.United States

Jaguar - Cray XT5-HE Opteron Six Core 2.6 GHz / Cray Inc.

224162 2009 1759.00 2331.00

2DOE/NNSA/LLNLUnited States

Roadrunner - BladeCenter QS22/LS21 Cluster, PowerXCell 8i 3.2 Ghz / Opteron DC 1.8 GHz / IBM

122400 2009 1042.00 1375.78

3

National Institute for Computational Sciences/Univ. of Tennessee

Kraken XT5 - Cray XT5-HE Opteron Six Core 2.6 GHz

98928 2009 831.70 1028.85

4Forschungs-zentrum Juelich, Germany

JUGENE 294912 2009 825.50 1002.70

5

National SuperComputer Center in Tianjin/ China

Tianhe-1 - NUDT TH-1 Cluster, Xeon E5540/E5450, ATI Radeon HD 4870 2

71680 2009 563.10 1206.19


Jaguar (Cray XT5-HE )



• Jaguar pagrindas – 6 branduolių Opteron procesoriai, dirbantys 2,6 GHz dažniu

• 224256 branduolių, OS Cray Linux Environment • Kiekviename mazge (o jų – 18688) – du 6 branduolių

AMD Opteron procesoriai su 16 GB atminties• Pamatuotas našumas - 1759 TFLOPų – 1,759

petaflopo; gauta sprendžiant lygčių sistemą su 5474272 nežinomųjų

• Pagrindinė atmintis – 362 TB, diskų talpa – 10 PB• Sunaudoja 6,950 MW energijos



• 2005 metais buvo 25 TFLOP’ų Cray XT3 sistema • 2008 metų pradžioje Jaguar buvo 205 TFLOP’ų Cray

XT4 sistema; sistemos pagrindas – 4 branduolių Opteron procesoriai, dirbantys 2,1 GHz dažniu (viso branduolių – 30976)

• 2008 metų pabaigoje Jaguar buvo išplėsta pridedant 1,4 petaflopų (teoriškai) Cray XT5; sistemos pagrindas – 4 branduolių Opteron procesoriai, dirbantys 2,3 GHz dažniu (viso branduolių – 150152); pamatuotas našumas - 1059 TFLOP’ai


IBM Roadrunner

• IBM Roadrunner pagrindas – skirtingų tipų procesoriai:– AMD 1,8 GHz Opteron (jų yra 6562) ir – IBM 3,2 GHz PowerXCell 8i (jų yra 12240; sukurti žaidimų

kompiuteriams Sony PlayStation 3) • Naudojami plonieji moduliai TriBlades, sujungti

Infiniband tinklu (opt. kabelių ilgis – 55 mylios)• TriBlades turi du dviejų branduolių Opteronus ir keturis

Cell 8i • Pagrindinė atmintis – 98 TB• 278 šaldytuvo dydžio spintos; užima apie 560 m2

plotą, sveria apie 226 tonas. Kaina - 133 mln USD• Sunaudoja 2.35 MW energijos, efektyvumas - 437

Mflops/W


IBM Roadrunner


Kitą kartą

INFORMACIJA IR JOS KODAVIMAS• Informacijos tipai kompiuteriuose• Sveikieji skaičiai• Dvejetainės trupmenos• Neigiamų skaičių kodavimas • Sveikųjų skaičių sudėtis ir atimtis • Slankaus kablelio skaičiai • Dešimtainiai skaičiai• Simbolių kodavimas• Grafinės informacijos kodavimas