Tema 1 2 b Sist Inf Cpu Arq

Tema 1_2

Informàtica Introducció

INFORMÀTICA i COMUNICACIONS

CPU, ARQUITECTURES

VON NEUMANN, HARDVARD,...


ARQUITECTURA de VON NEUMANN INFORMÀTICA i COMUNICACIONS

ARQUITECTURA HARVARD INFORMÀTICA i COMUNICACIONS

COMPARACIÓ ARQUITECTURES INFORMÀTICA i COMUNICACIONS

L’ORDINADOR INFORMÀTICA i COMUNICACIONS

LA CPU

CICLES DE CERCA (FETCH) i EXECUCIÓ (DECODE EXECUTE)

Cerca:

La següent instrucció es mou a través del bus i se situa al registre

d’instruccions de la unitat de control per ser descodificada.

Executa:

La instrucció s’executa, la unitat de control genera les seqüències necessàries

als elements de la unitat de procés a fi de dur a terme la ordre implícita de la

instrucció.

En una CPU simple:


LA CPU INFORMÀTICA i COMUNICACIONS



LA CPU CICLE DE RELLOTGE, D’INSTRUCCIÓ, DE MEMÒRIA


LA CPU, SEGMENTACIÓ (pipeline)


LA CPU (pipeline) INFORMÀTICA i COMUNICACIONS

LA CPU, CISC i RISC

CISC (complex instruction set computer) .

RISC (reduced instruction set computer) .

Els atributs complexa i reduït descriuen les diferencies entre els dos models d’arquitectura per CPU microprocessades.


LA CPU, CISC i RISC


LA CPU, CISC i RISC


LA CPU, CISC i RISC


LA CPU, SUPERESCALAR - El terme “superescalar” (superscalar) es crea a finals dels anys 80.

- Totes les grans CPUs modernes son superescalars.

- Es un desenvolupament de l’arquitectura amb pipeline.

- Les parts del pipeline es repliquen i en cada cicle de rellotge s’executen varies instruccions.

- Les instruccions poden acabar en desordre.

- Les instruccions es poden executar en desordre.

- Es generen nous perills per dependencies.


LA CPU, SUPERESCALAR


LA CPU, SUPERESCALAR


LA CPU, DSP

¿Què és un DSP?

Son microprocessadors dissenyats per realitzar processat digital del senyal.

Les arquitectures dels DSP inclouen circuits per executar de forma ràpida operacions de multiplicar i acumular (MAC) i arquitectures de memòria que permeten un accés múltiple per permetre de forma simultània carregar varis operands.


LA CPU, DSP, APLICACIONS


LA CPU, PARAL·LELISME

Múltiples CPU treballant juntes coordinades compartint memòria i E/S


LA CPU, VECTORIALS Processadors vectorials:

CPU que està preparada per operar directament amb vectors.

Com implica el seu nom, els processadors vectorials s'ocupen de

múltiples peces de dades en el context d'una instrucció, això

contrasta amb els processadors escalars, que tracten una peça de

dada per cada instrucció.

La gran utilitat a crear CPU que s'ocupin de vectors de dades rau en

l'optimització de tasques que tendeixen a requerir la mateixa

operació, per exemple, una suma a ser realitzat en un gran conjunt

de dades.

Alguns exemples clàssics d'aquest tipus de tasques són les

aplicacions multimèdia (imatges, vídeo, i so), així com molts tipus de

tasques científiques i d'enginyeria.


Hardware • Hardware d’un PC: Components principals

– Placa Base: Lloc on estan connectats tots els components interns de l’ordinador. Aquests components es comuniquen entre sí a través dels busos.

• Microprocessador (per ex. Intel Core i7, AMD Phenom II, ...)

• Adaptadors d’expansió (per ex. PCI, AGP, PCI Express, ...)

• Mòduls d’expansió (per ex. vídeo, so, xarxa, ...)

• Connectors de memòria RAM (DDR2, DDR3)

• Memòria:

RAM (Random Access Memory) Memòria d’accés aleatori. Són memòries de lectura i escriptura. És la memòria que s’utilitza per treballar quan l’ordinador està engegat i quan el tanquem es perden totes les dades que emmagatzemava (memòria volàtil)

ROM (Read Only Memory) Memòria de només lectura, i d’accés aleatori. No s’hi pot escriure res i no s’esborra quan es tanca l’ordinador. Conté els programes bàsics que fan que l’ordinador s’engegui (reconeixement de perifèrics) i carregui el Sistema Operatiu


– Unitats d’emmagatzemament:

• Obsolets: discos flexibles (3,5” / 1,44 MB), cintes magnètiques

• Memòries USB (256 MB - 64 GB)

• Discs durs (fins a 3 TB actualment), “discs” SSD (fins a 512 GB actualment)

• CD-ROM (700Mb): Existeixen lectores i també gravadores amb velocitats de transferència de 1x, 2x, 4x, ... 50x

• DVD: Digital Versatile Disc (4,7 GB els d’una capa; 8,5 els de dues)

• Blu-ray: 25 GB per capa

– Connectors externs: Per subministrar la corrent elèctrica, per connectar els diferents perifèrics, la xarxa, etc. (USB, IEEE 1394, Ethernet, E-SATA, ...)

• Perifèrics: permeten la comunicació entre l’ordinador i l’usuari. Poden ser d’entrada de sortida o d’entrada/sortida.

– Monitor: Perifèric de sortida

• Abans: CRT (pantalles de tub), ara: TFT (pantalles planes) 15 i 24 polzades

• Distància entre píxels de ~0.28 mm (va baixant)

• Resolució: número de píxels (1024x768, 1280x800, 1600x1200, 1920x1200)

• Nombre de colors (256 [8bpp], 65536 [16bpp], més de 16 milions [24bpp])

Hardware INFORMÀTICA i COMUNICACIONS

– Teclat: Dispositiu d’entrada

– Ratolí: Dispositiu d’entrada. Normalment es connecta a un port sèrie.

– Joystick: Dispositiu d’entrada.

– Pantalla tàctil: dispositiu d’entrada/sortida (normalment combina 2 disp.)

– Módem: (Modulador/Demodulador): Dispositiu d’entrada/sortida. Converteix les senyals digitals en analògiques (sorolls) y viceversa, per poder transmetre dades a través de la línia telefònica analògicament. La seva velocitat de treball es mesura en bits per segon (bps), per exemple 57600bps. Obsolet.

– Altaveus/auriculars: dispositiu de sortida

– Micròfon: Dispositiu d’entrada

– Impressora: Dispositiu de sortida. La resolució en mesura en punts per polzada (ppp). Les resolucions més normals són de 300ppp i 600ppp. Poden ser de tecnologies molt diferents : de raig de tinta, matricials, làser, etc.

– Scanner: Dispositiu d’entrada. Serveix per entrar informació que es troba en format paper o fotografia a l’ordinador.

– Càmeres digitals: Capten fotografia o vídeo de forma digital i permeten introduir directament a l’ordinador aquestes dades.

Hardware INFORMÀTICA i COMUNICACIONS


Concepte de BUS.

La majoria dels components d’un ordinador es connecten

mitjançant busos, que serveixen de canal de comunicació entre els

diferents elements que formen el sistema.

Físicament un bus es un conjunt de conductors que serveixen per

interconnectat dos o més dispositius del sistema.

Dins d’un sistema de bus, a cada dispositiu se li assigna un

identificador que el fa únic en el sistema. Direm que se li assigna

una adreça.

Podem dir que el bus està estructurat amb sub-busos, d’aquesta

manera distingim els bus de dades, bus d’adreces, i el bus de

control.

EL BUS

Estructura bàsica d’un ordinador

CPU Memoria E/S

Unitat de Control

(CU)

Unitat de Procés (PU)

ALU

Registres

Bus de dades

Bus d’adreces

Bus de control


Distribució d’instruccions i dades a memòria


Unitat central de Procés (CPU) • Microprocessador: Part principal d’un ordinador. Sempre

contindrà com a mínim la Unitat Central de Procés (CPU, de Central Process Unit). Característiques: – És on les instruccions s’interpreten i s’executen

– Està formada per diferents parts:

• Unitat de Control (CU, de Control Unit)

• Unitat de Procés (PU, de Procés Unit)

• CU Interpreta les instruccions i utilitza la PU per executar-les, fent que cada instrucció faci el que ha de fer.

• PU És on les instruccions s’executen físicament. Les seves parts principals són:

• Registres interns Serveixen per emmagatzemar informació temporalment, resultats intermedis de les operacions, ...

• Unitat Aritmètica-Lògica (ALU, de Arithmetic-Logic Unit ) Circuits per realitzar les diferents operacions aritmètiques (+, -, *, /) i lògiques (AND, OR, NOT, XOR)

CPU

CU

PU

ALU registres


Instruccions de la “Màquina Senzilla” • La Màquina Senzilla només és capaç d’executar 4 instruccions

diferents (que en llenguatge ensamblador són): – ADD F,D (Sumar 2 valors: D:= F+D)

– CMP F,D (Comparar si 2 valors són iguals: F = D)

– MOV F,D (Moure un valor: D:=F)

– BEQ D (Saltar a un determinat lloc de la memòria)

• Codificació de les instruccions:

– Codi d’operació Ens indica de quina instrucció es tracta. A vegades també ens dóna informació de quants operands té una determinada instrucció.

– Operands Ens dona informació d’on es troben els operands i de quin tipus són. A vegades aquest valor és directament el valor de l’operand.

En el nostre

exemple:

?


Processament d’una instrucció • Fase de Cerca: Consisteix en anar a la memòria a buscar la instrucció i

emmagatzemar-la en un registre especial de la Unitat de Procés (normalment anomenat “Registre d’Instrucció” o IR). La instrucció es llegeix de la posició de memòria que ens dóna un altre registre especial de la Unitat de Procés anomenat “Comptador de Programa” (PC).

• Fase de Descodificació: D’això se n’encarrega la Unitat de Control i consisteix en saber quina instrucció és la que s’ha llegit, per tal de saber després que cal fer per executar-la.

• Fase(s) de Cerca del(s) Operand(s): Amb la informació dels operands que conté la codificació, es tracta d’obtenir aquests operands. Per exemple, si la instrucció només té un operand i aquest es troba en una certa posició de la memòria, caldrà llegir aquesta posició de memòria i portar aquest valor a un registre intern de la unitat de procés a punt per usar-lo.

• Fase d’Execució: Consisteix en realitzar l’operació que es demana i després deixar el resultat al lloc on se’ns indica del operands.

• Un cop completades aquestes fases s’ha acabat l’execució d’una instrucció i ja es pot continuar amb la següent.


Programació i llenguatges

• Programa: Seqüència d’instruccions que es donen a un ordinador tot indicant-li les operacions que ha de realitzar per resoldre un problema determinat. Cal que estigui escrit en un llenguatge concret.

• Llenguatge: Es tracta d’un conjunt de regles, convencions i estructures, que permet construir programes. Un programa està format per instruccions i cadascuna d’aquestes instruccions s’anirà executant amb un cert ordre. – Tipus de llenguatges: Alt Nivell, Ensamblador, Màquina.

• Instrucció: Conjunt de símbols que representa una ordre per l’ordinador. – Tipus d’instruccions: instruccions aritmètiques, de transferència

d’informació, de control de flux, etc.


Instruccions d’un programa

• Exemple:


Instruccions d’un programa

• Llenguatge assemblador o llenguatge màquina:


Traducció d’un programa • Traducció: Cada instrucció escrita en un llenguatge L1 és

transformada a un conjunt d’instruccions del llenguatge L2. – Interpretació: Es van analitzant, traduint i executant una a una les

instruccions escrites en L1.

• Les modificacions i proves són molt ràpides

• L’execució és més lenta

– Compilació: Es considera globalment tot el programa escrit en llenguatge L1 i es genera tota una versió sencera en llenguatge L2

• Les modificacions i proves són més lentes

• L’execució és més ràpida


FI


Documents

Tema 1 2 b Sist Inf Cpu Arq