Το μάθημα συνοπτικά (1) Το μάθημα συνοπτικά (2) Τι είναι ένα υπολογιστικό σύστημα ;

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Το μάθημα συνοπτικά (1) Το μάθημα συνοπτικά (2) Τι είναι ένα υπολογιστικό σύστημα ;"

Σεμέλη Κόρακας
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική (θεμελιώδεις αρχές λειτουργίας των υπολογιστών) Μ.Στεφανιδάκης Το μάθημα Το μάθημα συνοπτικά (1) Θεωρητικό μέρος Ψηφιακή Τεχνολογία Αρχιτεκτονική οργάνωση Επεξεργαστή κύριας και κρυφής μνήμης Διαύλων και συσκευών Ε/Ε Θέματα απόδοσης σε ένα υπολογιστικό Εισαγωγή στις προηγμένες αρχιτεκτονικές Βαθμολόγηση: γραπτές εξετάσεις Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 2 Το μάθημα συνοπτικά (2) Τι είναι ένα υπολογιστικό Το μάθημα Εργαστήριο Σχεδίαση απλής κεντρικής μονάδας επεξεργασίας και προσομοίωση Βαθμολόγηση: με τη μορφή bonus προϋπόθεση: παρουσία στο εργαστήριο! Προτεινόμενα Βιβλία D.A.Patterson & J.L.Hennessy, Οργάνωση και Σχεδίαση Υπολογιστών (Τόμος Α )", Κλειδάριθμος, W. Stallngs, Οργάνωση και αρχιτεκτονική υπολογιστών, ΤΖΙΟΛΑ, Οι κλασικοί υπολογιστές... Τύπου Desktop, Laptop, Notebook Υπερυπολογιστές Supercomputers Αλλά επίσης και... Tablets και Smartphones e-book readers Ο κατάλογος δεν σταματά εδώ Τι συμβαίνει με τις συσκευές που δεν είναι αλλά περιέχουν υπολογιστές Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 3 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 4

2 Ενσωματωμένα συστήματα: κάτι διαφορετικό() Αρχιτεκτονική Ποια είναι η αρχιτεκτονική του μικροεπεξεργαστή που παράγεται σε μεγαλύτερο αριθμό ανά έτος Embedded Systems Μια πολύ μεγάλη αγορά 95% των μικροεπεξεργαστών που πωλούνται ανά έτος καταλήγει σε ένα ενσωματωμένο! συστήματα ελέγχου ειδικών απαιτήσεων Ιατρικά, συγκοινωνίες, εργοστάσια, συλλογή πληροφοριών, δικτυακές συσκευές... Καταναλωτικά προϊόντα Αυτοκίνητα Το σύνολο σχεδόν των σύγχρονων οικιακών συσκευών Ανήκει το λογισμικό στο διπλανό σχήμα Υπολογιστικό Διαθέσιμη τεχνολογία Αρχιτεκτονική Η αρχιτεκτονική συγκροτεί υπολογιστικά συστήματα χρησιμοποιώντας την υπάρχουσα τεχνολογία και προδιαγράφει τη μελλοντική τεχνολογία! Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 5 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 6 Αρχιτεκτονική: υλικό μόνο ή και λογισμικό Ο υπολογιστής ως ιεραρχία επιπέδων Σε ποια συστήματα έχει ιδιαίτερη σημασία η αρχιτεκτονική του λογισμικού Το λογισμικό είναι σημαντικό μέρος ενός υπολογιστικού συστήματος τρόπο χρήσης του υλικού Ορίζει τον τρόπο χρήσης Συνεπώς (συν-)διαμορφώνει την απόδοση την κατανάλωση ενέργειας την αξιοπιστία Η αρχιτεκτονική ασχολείται με το υλικό Η παραδοσιακή αντίληψη Πρέπει να λαμβάνεται υπ όψη και το λογισμικό Η σύγχρονη αντίληψη Τι ακριβώς είναι μια διεπαφή (nterface) Γιατί είναι τόσο σημαντική έννοια Εφαρμογές API ΛΣ & βιβλιοθήκες Αρχιτεκτονική Εντολών (ISA)( Υλικό εκτέλεσης (μικροεπεξεργαστής) Μνήμη Συσκευές Ε/Ε Συνόλου Εντολών Instructon Set Archtecture (ISA) Η διεπαφή υλικού-λογισμικού Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 7 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 8

3 Η σπουδαιότητα των διεπαφών Αρχιτεκτονική: ο τελικός στόχος Αντιστοιχία με γλώσσες προγραμματισμού αν δεχτώ (δεδομένα, εντολές...) ανώτερο επίπεδο διεπαφή Αντιμετώπιση πολυπλοκότητας σχεδιασμού Επαναχρησιμοποίηση τμημάτων Αξιόπιστος σχεδιασμός? τότε υπόσχομαι (αποτελέσματα, συμπεριφορά...) Ποια η διαφορά μεταξύ γρήγορης εκτέλεσης και αξιόπιστης εκτέλεσης Η αξιοποίηση με τον καλύτερο δυνατό τρόπο του υλικού και λογισμικού για την ανάπτυξη Αποδοτικών συστημάτων Γρήγορη εκτέλεση προγραμμάτων γενικού σκοπού Υπερυπολογιστές, προσωπικοί υπολογιστές Αξιόπιστων συστημάτων Ασφαλής εκτέλεση προγραμμάτων ειδικού σκοπού πραγματικού χρόνου Προσιτών συστημάτων Ικανοποιητική εκτέλεση με μικρό κόστος-ενέργεια Καταναλωτικές συσκευές Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 9 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 10! Η διπλανή εικόνα είναι απλοποιημένη! Οι βασικές κάθε υπολογιστή συνθήκες διακλάδωσης μονάδα ελέγχου μονοπάτι δεδομένων (n-bts εύρος ) αποτελέσματα επεξεργασίας έλεγχος λειτουργίας εντολές δεδομένα προς επεξεργασία μνήμης Η μονάδα ελέγχου, η διαδρομή (μονοπάτι - datapath) δεδομένων και μέρος του συστήματος μνήμης βρίσκονται σήμερα μέσα στον μικροεπεξεργαστή (ΚΜΕ) Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 11 συσκευές Ε/Ε The Electronc Numercal Integrator and Computer (ENIAC) 1946 Ο ENIAC, ο πρώτος ηλεκτρονικός υπολογιστής, διέθετε λυχνίες για τα λογικά του. Δεν υπήρχε μνήμη προγράμματος! Μονάδα ελέγχου μνήμη (σταθερές) Διαδρομή δεδομένων Συσκευές Ε/Ε Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 12

4 ! Ο ρυθμός μεταφοράς δεδομένων ανάμεσα στα διάφορα μέρη του υπολογιστή επηρεάζει καθοριστικά τη συνολική απόδοση του συστήματος! Ένα τυπικό υπολογιστικό συχνά και το γραφικών μέσα στον επεξεργαστή οθόνη γραφικών ποντίκι, πληκτρολόγιο, εκτυπωτές, σαρωτές... διασυνδετικός δίαυλος PCIe (x16) έως 8GB/s USB έως 5Gbt/s CPU core north brdge south brdge έως 500ΜB/s CPU core > 90GB/s κρυφή μνήμη (3 ου επιπέδου) M-bus (mem bus) 25+ GB/s (mult-channel) SATA 600ΜB/s DRAM σκληροί δίσκοι, CD/DVD, δικτυακή σύνδεση οι ρυθμοί μεταφοράς που δίνονται είναι οι θεωρητικά μέγιστοι! Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική Ηλεκτρονικά Σε κάθε υπολογιστή απαιτούνται Λογικά Για την εκτέλεση πράξεων Για τη σύγκριση και λήψη αποφάσεων Κυκλώματα μνήμης Για την αποθήκευση δεδομένων Για την αποθήκευση εντολών Κυκλώματα διασύνδεσης Για τη μεταφορά δεδομένων μεταξύ των μονάδων του υπολογιστή Για τη μεταφορά μεταξύ των τμημάτων ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος (chp) Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 14 Πριν τα σύγχρονα ηλεκτρονικά Το τρανζίστορ MOS(FET) Παλαιότερα χρησιμοποιήθηκαν... Λογικά Μηχανικά συστήματα (γρανάζια) Ηλεκτρομηχανικά (ρελέ) Λυχνίες κενού Κυκλώματα μνήμης Τα ίδια, αλλά και... Γραμμές υδραργύρου (!) καθοδική οθόνη (!) Κυκλώματα διασύνδεσης Καλώδια! συμβολικά.. Ο μικροσκοπικός διακόπτης των σύγχρονων κυκλωμάτων Η θεωρία λειτουργίας του είναι γνωστή από το αλλά τα πρώτα λειτουργικά τρανζίστορ MOS κατασκευάστηκαν στη δεκαετία του 60 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 15 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 16

5 Το τρανζίστορ MOS(FET) Λειτουργία του τρανζίστορ MOS(FET) πηγή (source) πύλη (gate) καταβόθρα (dran) V+ n+ n+ - V- p- Το τρανζίστορ αυτό είναι τύπου NMOS. Υπάρχει και το συμπληρωματικό PMOS. υπόστρωμα (body) n+ n+ ιδανικό σχήμα.. p- κανάλι (channel) Τι συμβαίνει στο τρανζίστορ PMOS V+ n+ n+ ρεύμα V- p- Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 17 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 18 Κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Η συρρίκνωση του τρανζίστορ Λόγω της απαιτούμενης ακρίβειας, μια γραμμή παραγωγής κοστίζει δισ. $ Γραμμές παραγωγής Φωτολιθογραφία με μάσκες Διεργασίες στα εκτεθειμένα μέρη Οξείδωση, απόξεση, απόθεση μετάλλου, εμφύτευση ιόντων...(βλ. και μάθημα Εισαγωγή στους ) Επανάληψη βημάτων Ένα σύγχρονο ολοκληρωμένο κύκλωμα μικροεπεξεργαστή Έχει επιφάνεια περίπου 280mm 2 Και περιέχει από 100 εκ. έως >1 δισ. τρανζίστορ! Νόμος του Moore: ο αριθμός των τρανζίστορ ανά ολοκληρωμένο διπλασιάζεται κάθε 1,5-2 χρόνια Πλεονεκτήματα Ταχύτερη λειτουργία Πιο γρήγοροι χρόνοι ON-OFF Μικρότερη κατανάλωση ενέργειας Για τον ίδιο αριθμό τρανζίστορ! Μεγαλύτερη ολοκλήρωση Μείωση κόστους παραγωγής και αύξηση λειτουργικότητας Τρέχουσα εμπορική τεχνολογία: Μέγεθος (καναλιού) τρανζίστορ = 14-22nm Το άμεσο μέλλον: 10 nm μετά: έρευνα για νέα υλικά για διακόπτες Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 19 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 20

Ψηφιακά Ηλεκτρονικά: Ιεραρχία σχεδίασης Ψηφιακά Ηλεκτρονικά και Δυαδική λογική MUX σε chp σύνθετο τμήμα λογική πύλη

στάθμες) Δυαδική άλγεβρα Boole Λογική άλγεβρα κύκλωμα Συσχέτιση με διακοπτικά Η εργασία του Shannon (1938) φυσικό

Shannon Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 21 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην

AND B) Α (NOT A) Α + 0 = Α και Α 1 = Α Α + 1 = 1 και Α 0 = 0 Άλγεβρα Boole A(B+C) = (AB)+(ΑC) και Α+(ΒC) =

6 Ψηφιακά Ηλεκτρονικά: Ιεραρχία σχεδίασης Ψηφιακά Ηλεκτρονικά και Δυαδική λογική MUX σε chp σύνθετο τμήμα λογική πύλη Η δυαδική λογική ταιριάζει με την τεχνολογία του τρανζίστορ 2 καταστάσεις: ON-OFF, 1-0 Ψηφιακά ηλεκτρονικά (2 στάθμες) Δυαδική άλγεβρα Boole Λογική άλγεβρα κύκλωμα Συσχέτιση με διακοπτικά Η εργασία του Shannon (1938) φυσικό επίπεδο C.E.Shannon Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 21 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 22 Άλγεβρα Boole: επανάληψη Άλγεβρα Boole: επανάληψη Άλγεβρα Boole Α + Β (Α OR B) A B (ή απλά ΑΒ, A AND B) Α (NOT A) Α + 0 = Α και Α 1 = Α Α + 1 = 1 και Α 0 = 0 Άλγεβρα Boole A(B+C) = (AB)+(ΑC) και Α+(ΒC) = (A+B)(A+C) (A+B) = A B και (A B) = A + B (DeMorgan) Α + A = 1 και Α A = 0 Α + B = B + A και Α B = B A A+(B+C)=(A+B)+C και A(BC)=(AB)C Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 23 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική 24

Σχετικά έγγραφα

Το μάθημα συνοπτικά (1) Το μάθημα συνοπτικά (2) Τι είναι ένα υπολογιστικό σύστημα ;

Το μάθημα συνοπτικά (1) Το μάθημα συνοπτικά (2) Τι είναι ένα υπολογιστικό σύστημα ; Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Αρχιτεκτονική Υπολογιστών 2017-18 Εισαγωγή στην Αρχιτεκτονική (θεμελιώδεις αρχές λειτουργίας των υπολογιστών) http://mxstef.gthub.o/courses/comparch/ Μ.Στεφανιδάκης