Arhitektura Računara 1. sedmica predavanja/ra-1sedmica.pdfBLC - Arhitektura Računara © 2011...

Arhitektura Računara

1. sedmica

Valentina SalapuraSaša Salapura

Predavanja dostupna na:www.blc.edu.ba

[prilagodjeno od predavanja D. Patterson, M. J. Irwin]

UvodNaziv predmeta: Arhitektura RačunaraSemestar: 1 Fond časova: 2 + 2Broj ESPB bodova: 6

NastavniciPredavanja:

Prof. Dr. Valentina Salapuravsalapura@inecco.netKonsultacije e-mailom

VježbeMag. Dipl. Ing. Saša Salapurasalapura@inecco.netKonsultacije poslije nastave, e-mailom i po dogovoru

Logistika NastavePredavanja

Nastavni materijalDodatna literatura – knjige

- Computer Organization and Design- D. Patterson & J. Hennessy

Internet, wikipediaPitanja, sugestije, zanimanja – e-mail

VježbeKontinuiran rad, bodovi za svaku napravljenu vježbu

Seminarski rad

OcjenjivanjeOcjenu čine

1. parcijanli ispit ~25%- sredinom semestra

2. parcijanli ispit ~25%- krajem semestra

Vježbe ~30%- bodovi dobijeni tokom svake vježbe

Seminarski rad ~20%Aktivno sudjelovanje u nastavi ~10%

- Kroz prisustvo vježbama

Maksimum – 110% prolaz od 51%, 7 od 61%, 8 od 71%, 9 od 81%, 10 od 91%

Završni usmeni ispit- samo za popravku ocjene

Fokus na kontinuiran rad tokom semestra

Šta da Očekujete od Kursa?Da naučite osnovne koncepte i pojmove iz arhitektureračunaraDa se upoznate sa glavnim komponentama računara, kako komponente rade zajedno pri izvršenjuprograma, kako su dizajniraneDa razumijete osnovne koncepte arhitekture računara i kako oni utiču na performancu računara i aplikacijaDa razumijete opis današnjih najnovijih računara, i ocjenite njihovu performancu

Glavne Nastavne JediniceOrganizacija računarskog sistema, MIPS arhitektura

Funkcionalne jedinice i registri

MIPS instrukcijeKodiranje, aritmetičke i logičke instrukcije, skakanje i grananje, load i store, specijalne instrukcije

Instrukcije za aritmetiku fiksnog i pomičnog zarezaMemorija

Organizacija memorije, priručna memorija

Protočna organizacija računaraHazardi i spekulacija

Paralelni procesori i trendovi

Evolucija Računara

Kad je izumljen prvi tranzistor?

Evolucija Računara

Kad je izumljen prvi tranzistor?Moderna elektronika počela je sa izumombipolarnog tranzistora 1947 od Bardeen et.al u Bell Laboratoriji

Evolucija Računara

Kad je izumljeno prvo integrisano kolo (IC -integrated circuit)?

Evolucija Računara

Kad je izumljeno prvo integrisano kolo (IC -integrated circuit)?

1958 Jack Kilby iz Texas Instruments je uspješno(ručno) spojio nekoliko tranzistora, kapaciteta i otpornika na istoj podlozi, i integralna kola su bilarođena

Razvoj Procesne Tehnologije

6,200,000,000Submicron VLSI 20052,400,000Very Large Scale IC (VLSI)1995900Integrisana kola (IC)197535Tranzistor19651Vakumske cijevi1951

Relativna Performanca/ Cijena Jedinice

TehnologijaGodina

Kako bi bilo kad bi tehnologija u transportunapredovala istom brzinom?

Mogli bi preći Evropu za par sekundi za 1 KM

Skaliranje Tehnologije

+2 GenerationsCMOS

room to addfunction

corecore

+1 GenerationsCMOS

corecore

Current Gen.CMOS

corecore

p substrate, doping α*NA

Scaled Device

L/α xd/α

GATEn+ source

n+ drain

WIRINGVoltage, V / α

W/αtox/α

Skaliranje poluprovodnikaDennardova teorija skaliranja

Povecava gustinu računanja

Omogućuje veću brzinuračunanja

Source: Dennard et al., JSSC 1974.

Mooreov Zakon

Courtesy, Intel ®

1965, Gordon Moore iz Intelaje predvidio da se brojtranzistora koji se mozeintegrisati na čipu udvostručisvake dvije godine

Evolucija Računara

Intel 4004 (1971)2,300 tranzistora

3 mm2, 10μm 0.2 MHz

Intel 8088 (1978)29,000 tranzistora

20 mm2, 3μm 2 MHzX mW

Intel Pentium IV (2001)42,000,000 tranzistora

271 mm2, 180 nm 1.7 GHz64 mW

Za 30 godina, računari su postali 8500x brzi, čipovi 90 veći,tranzisori 55x manji, čipovi sa 18,000x više T, i koriste 32,000x više snage

Napredak Tehnologije

256643216842Faktor integracije

8162232456590Tehnologija (nm)

2018201420122010200820062004Visoko-volumenskaproizvodnja

Porast Broja Tranzistora po čipu

Performanca Procesora tokom Godina

Zadnjih godina porast je usporio

Napredak Tehnologije

Šta se dešava?

Brzina računaraje zaustavljena“zidom” snage!

Malo Fizike i Matematike…Aktivna snaga P je fCV2

C je kapacitetV je naponf je frekvencija (proporcionalna sa V)

Pretpostavimo da je za jedan procesorC=10nF, V=1.2V; f=2GHzSnaga P= f CV2 = 28.8 W

Povećajmo napon V na 1.3V da povećamo frekvenciju f na2.4 GHz

P = 40.6 W

Stavimo dva procesora sa naponom 1.1 V i frekvencijomf=1.6GHz

P = 38.7 W

Gdje su Računari ?

Glavne Komponente Računara

Memorija

IzlazProcesor

Kontrola

Put Podataka

Računar

Pet glavnih komponenti računara - ulaz (miš, tastatura), izlaz (monitor, printer), memorija (priručunamemorija (SRAM), glavna memorija (DRAM), disk, CD/DVD), put podataka i kontrola

Put podataka+ kontrola =procesor(centralnaprocesnajedinica(CPU))

Organizacija i Dizajn RačunaraKako računar radi

Koji računar odabrati za studiranje?Različite vrste: embedded, laptop, desktop, server

Različite upotrebe: automobili, grafika, finansije, nauka,…

Različiti proizvođači: Intel, AMD, IBM, HP, Apple, Sony, …

Različite tehnologije, različite cijene, performance i snage !

Najbolji pristup učenju:Fokus na specifični računar, razumijevanje kako radi

Razumijeti opšte principe i istorijske trendove

Porast Prodaje Računara (Ugrađenih Računara)

Izazovi u Arhitekturi RačunaraIndustrija se mijenja brže nego bilo koja drugaindustrijaOsnovna pravila se mijenjaju svake godine

Novi problemiNove mogućnostiNovi kompromisi i pravila

Cilj je da se programi izvršavaju brže nego na bilokojem drugom računaru

Kraj 1. Lekcije

Izvršenje Programa

Sistemski softverOperativni sistem – upravni program koji posreduje izmeđukorisničkog programa i hardvera (npr. Linux, MacOS, Windows)

- Izvršava osnovne operacije ulaza i izlaza- Dodijeljuje memoriju- Omogućuje zaštićeno izvršenje više aplikacija

Kompajler – prevodi programe pisane u višim programskimjezicima (npr. C, Java) u instrukcije koje mašina može izvršiti

Sistemski softver

Softverska aplikacija

Hardware

Izvršenje ProgramaProgram u višem programskom jeziku (npr. C)

swap (int v[], int k)(int temp;

temp = v[k];v[k] = v[k+1];v[k+1] = temp;

)Program u asemblerskom jeziku (for MIPS)

swap: sll $2, $5, 2add $2, $4, $2lw $15, 0($2)lw $16, 4($2)sw $16, 0($2)sw $15, 4($2)jr $31

Mašinski (objektni) kod (za MIPS)000000 00000 00101 0001000010000000000000 00100 00010 0001000000100000. . .

Izvršenje ProgramaProgram u višem programskom jeziku (npr. C)

swap (int v[], int k)(int temp;

temp = v[k];v[k] = v[k+1];v[k+1] = temp;

)Program u asemblerskom jeziku (for MIPS)

swap: sll $2, $5, 2add $2, $4, $2lw $15, 0($2)lw $16, 4($2)sw $16, 0($2)sw $15, 4($2)jr $31

Mašinski (objektni) kod (za MIPS)000000 00000 00101 0001000010000000000000 00100 00010 0001000000100000. . .

C kompajler

asembler

one-to-many

one-to-one

Prednosti Viših Programskih Jezika ?Viši programski jezici

Kao rezultat, danas se jako malo programira u asembleru

Dozvoljavaju programeru da misli u prirodnijem jeziku, i u jeziku za posebnu namjenu (Fortran za naučno računanje, Cobol za poslovne aplikacije, Lisp za manipulisanjesimbolima, Java za programiranje veba, …)Poboljšavaju produktivnost programera – razumljiviji kod je jednostavniji za testiranje i ispravkePoboljšano održavanje kodaDozvoljava programerima da budu nezavisni od računara zakoji pišu program (kompajleri i asembleri prevode programe u višim programskim jezicima u binarne instrukcije bilo kojemašine)Kompajleri su jako dobri, mogu proizvesti vrlo efikasanasemblerski kod optimalan za računar na kojem će bitiizvšavan

Viši programski jezici

Kao rezultat, danas se jako malo programira u asembleru

Prednosti Viših Programskih Jezika ?

Organizacija RačunaraOdređena je saFunkcionalnim jedinicama – mogućnosti i performansa(Functional Units - FUs)

npr., registri, ALU, multiplekseri, memorija, ...

Način kako su FUpovezane

npr., buses

Logika i kakoinformacija tečeizmedju FUInstruction Set Architecture (ISA) – skup instrukcijaRegister Transfer Level (RTL) opis računara

Memorija

Procesor

Kontrola

Put Podataka

Računar

Glavne Komponente Računara

Procesor

Kontrola

Put podataka

Memorija

Periferija

Mreža

Obrada Programa

C kompajler

asembler

program u višem programskom jeziku (C)swap (int v[], int k). . .

program u asemblerskom jeziku (za MIPS)swap: sll $2, $5, 2

add $2, $4, $2lw $15, 0($2)lw $16, 4($2)sw $16, 0($2)sw $15, 4($2)jr $31

mašinski (objektni) kod (za MIPS)000000 00000 00101 0001000010000000000000 00100 00010 0001000000100000100011 00010 01111 0000000000000000100011 00010 10000 0000000000000100101011 00010 10000 0000000000000000101011 00010 01111 0000000000000100000000 11111 00000 0000000000001000

Obrada Programa

C kompajler

asembler

program u višem programskom jeziku (C)swap (int v[], int k). . .

program u asemblerskom jeziku (za MIPS)swap: sll $2, $5, 2

add $2, $4, $2lw $15, 0($2)lw $16, 4($2)sw $16, 0($2)sw $15, 4($2)jr $31

mašinski (objektni) kod (za MIPS)000000 00000 00101 0001000010000000000000 00100 00010 0001000000100000100011 00010 01111 0000000000000000100011 00010 10000 0000000000000100101011 00010 10000 0000000000000000101011 00010 01111 0000000000000100000000 11111 00000 0000000000001000

Ulaz Učitava Objektni Kod000000 00000 00101 0001000010000000000000 00100 00010 0001000000100000100011 00010 01111 0000000000000000100011 00010 10000 0000000000000100101011 00010 10000 0000000000000000101011 00010 01111 0000000000000100000000 11111 00000 0000000000001000

Procesor

Kontrola

Put podataka

Memorija

Periferija

Mreža

Objektni Kod je Spremljen u Memoriju

Procesor

Kontrola

Put podataka

Memorija000000 00000 00101 0001000010000000000000 00100 00010 0001000000100000100011 00010 01111 0000000000000000100011 00010 10000 0000000000000100101011 00010 10000 0000000000000000101011 00010 01111 0000000000000100000000 11111 00000 0000000000001000

Periferija

Mreža

Procesor Učitava Instrukciju

Procesor

Kontrola

Put podataka

Memorija000000 00000 00101 0001000010000000000000 00100 00010 0001000000100000100011 00010 01111 0000000000000000100011 00010 10000 0000000000000100101011 00010 10000 0000000000000000101011 00010 01111 0000000000000100000000 11111 00000 0000000000001000

Procesor učitava (dohvati, fetch) instrukciju iz memorije

Periferija

Mreža

Kontrola Dekodira Instrukciju

Procesor

Put podataka

Memorija000000 00100 00010 0001000000100000

Kontrola dekodira instrukciju da utvrdi šta da izvrši

Periferija

MrežaKontrola

Put Podataka Izvršava Instrukciju

Procesor

Memorija

contents Reg #4 ADD contents Reg #2results put in Reg #2

Put podataka izvršava instrukciju pod upravomkontrole

000000 00100 00010 0001000000100000

Periferija

MrežaKontrola

Put podataka

Šta je Slijedeće?

Procesor

Kontrola

Put podataka

Memorija000000 00000 00101 0001000010000000000000 00100 00010 0001000000100000100011 00010 01111 0000000000000000100011 00010 10000 0000000000000100101011 00010 10000 0000000000000000101011 00010 01111 0000000000000100000000 11111 00000 0000000000001000

Periferija

Mreža

Procesor

Kontrola

Put podataka

Memorija000000 00000 00101 0001000010000000000000 00100 00010 0001000000100000100011 00010 01111 0000000000000000100011 00010 10000 0000000000000100101011 00010 10000 0000000000000000101011 00010 01111 0000000000000100000000 11111 00000 0000000000001000

Periferija

Mreža

Procesor učitava slijedeću instrukciju iz memorije

DecodeExec

Koju memorijsku lokacijutreba učitati kao slijedeću?

Šta je Slijedeće?

Organizacija ProcesoraKontrola treba imati logiku da

Put podataka treba imati logiku da

Organizacija ProcesoraKontrola treba imati logiku da

Sa koje lokacije treba učitati i gdje pohraniti podatke?

Odluči koje instrukcija je slijedeća, i učita je iz memorijeDekodira instrukcijuGeneriše signale koji kontrolišu kako informacija teče izmeđukomponenti u putu podatakaKontroliše koje operacije će izvrsiti funkcionalne jedinice putapodataka

Izvrši instrukciju – aktivira funkcionalne jedinice (npr. sabiralo) i memorijske lokacije (tj. registri) Spoji funkcionalne jedinice tako da instrukcije mogu bitiizvršene kako trebaUčita podatke iz memorije, i spremi podatke u memoriju

Put podataka treba imati logiku da

Izlazni Podaci su Pohranjeni u Memoriji

Procesor

Kontrola

Put Podataka

Memorija

000001000101000000000000000000000000000001001111000000000000010000000011111000000000000000001000

Po završetku programa, rezultat je pohranjen u memoriju

Periferija

Mreža

Periferija za Izlaz Iščitava Podatke

Procesor

Kontrola

Put Podataka

Memorija

000001000101000000000000000000000000000001001111000000000000010000000011111000000000000000001000

Periferija

Mreža

Instruction Set Architecture (ISA)Arhitektura Skupa Instrukcija

instruction set architecture

software

hardware

ISA je opis interfejsa između softvera i hardvera

Različiti Skupovi Instrukcija (ISA)Alpha AXPIntel 80x86/pentiumVAXMIPSSPARCIBM 360Intel IA-64 (Itanium)PowerPC

MIPS ISAVrste Instrukcija

Load/StoreAritmetičko-logičkeSkakanje i GrananjePomičnog Zareza

- koprocesor

Upravljanje MemorijomSpecijalne

R0 - R31

PCHILO

rs rt rd sa funkc.

rs rt konstanta

cilj skoka

3 formata instrukcija, svi formati koriste 32 bita

Registri

Kako ovi Dijelovi čine Cjelinu?

Koordinacija puno različitih nivoa apstrakcijeUz brzu promjenu komponentiDizajn, mjerenje i ocjena

I/OProcesor

Kompajler

OperativniSistem

Aplikacije

Digitalni DizajnElektronska Kola

Skup Instrukcija Firmware

Memorija

Put podataka & Kontrola

Mreža

ZaključakSve komponente računara pripadaju u jednu od pet kategorijaSkup instrukcija (ISA) definiše kako softver smijekoristiti računarMnogo vrlo razlicitih računara mogu koristiti istu ISA-uVrlo brzi softver zahtijeva detaljno razumijevanjeračunara na kojem je izvršavan

Kraj 2. Lekcije

Arhitektura Računara 1. sedmica predavanja/ra-1sedmica.pdfBLC - Arhitektura Računara © 2011...

Documents

Harverska sekvenca - alas.matf.bg.ac.rsalas.matf.bg.ac.rs/~mi06231/uuar/UuAR_1-6.pdfDigitalna logika 2. Arhitektura računara 3. Organizacija računara 4. dizajn Predmet posmatrati

Arhitektura računara skripta

ARHITEKTURA I ORGANIZACIJA RAČUNARA - …rti.etf.bg.ac.rs/rti/ef2ar/literatura/arh_procesora_sa_prekidom_15... · 9 1 ARHITEKTURA RAČUNARA U ovoj glavi se razmatraju elementi arhitekture

ARHITEKTURA RAČUNARA - rti.etf.bg.ac.rsrti.etf.bg.ac.rs/rti/oe3aor/literatura/ZbirkaPrekidi_3.pdf · 1 PREKIDI 1.1 ZADATAK Posmatra se procesor sa vektorisanim mehanizmom prekida

von Neumann arhitektura računara

ARHITEKTURA I RAD RAČUNARA kao veza šest … I RAD RAČUNARA Arhitektura računara može biti prikazana kao veza šest jedinica: 1. aritmetičko-logičke jedinice 2. upravljačke

DEO 1: ORGANIZACIJA I ARHITEKTURA RAČUNARA 1: ORGANIZACIJA I ARHITEKTURA RAČUNARA 1. ORGANIZACIJA I ARHITEKTURA RAČUNARA 1.1. Uvod Prvi potpuno funkcionalan elektronski digitalni

Struktura računara

ARHITEKTURA I ORGANIZACIJA RAČUNARA - rti.etf.bg.ac.rs · ARHITEKTURA RA ČUNARA BEOGRAD, 2012. DJM . 1 PREDGOVOR Ova knjiga je napisana kao osnovni udžbenik iz arhitekture i organizacije

Arhitektura računara

Branko PERIĆ - SALAPURA

Modul 1: Razvoj računaraKratka istorija razvoja računara Generacije računara Podela računara Umrežavanjeračunara Informatika i društvo Računarskaetika 2 Razvoj računara. Kratka

Organizacija i Arhitektura Računara 9th William Stallings Prevod Sr

Informaka i računarstvo I godina · programiranje (Java) Miodrag Živković Predavanja Kumodraška - 109 09:00 - 12:00 Arhitektura računara Uroš Dragović Vežbe Kumodraška -

ARHITEKTURA I ORGANIZACIJA RAČUNARA - rti.etf.bg.ac.rs · 6 adresiranje (regindpom), 101-bazno indeksno sa pomerajem adresiranje (bxpom), 110- PC relativno sa pomerajem adresiranje

ARHITEKTURA I RAD RAČUNARA kao veza šest jedinica: 1 ... · ARHITEKTURA I RAD RAČUNARA Upravljačka jedinica upravlja svim procesima i kontroliše komunikacije i tokove podataka

Arhitektura računara, Mekić

PODJELA RAČUNARA

Istorijat računara

Klijent/server arhitektura · •Istorija razvoja tehnologija obrade podataka –II generacija računara & I generacija OS •monoprogramski OS •jednokorisnički OS •centralizovana,