Στόχοι Κεφαλάιου Κεφάλαιο 5 οµή Η/Υ Nell Dale John Lewis Περιγραφή των συστατικών και της λειτουργίας τους µιας µηχανής von Neumann Περιγραφή τού κύκλου "φέρε-αποκωδικοποίησεεκτέλεσε" µιας µηχανής von Neumann Περιγραφή της οργάνωσης της µνήµης ενός Η/Υ και του τρόπου πρόσβασης σε αυτή Περιγραφή διαφορετικών συσκευών αποθήκευσης βοηθητικής µνήµης Ορισµός τρειών εναλλακτικών µορφών παράλληλης επεξεργασίας για ενα Η/Υ 5-2 Η αρχιτεκτονική von Neumann Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ/CPU) ΗΚΜΕ είναι το πιό σηµαντικό συστατικό ενός H/Y H KME δέχεται τουλάχιστον δύο είδη δεδοµένων: Εντολές σχετικές µε την επεξεργασία των άλλων δεδοµένων εδοµένα προς επεξεργασία ακολουθώντας τις διαθέσιµες εντολές. Figure 5.1 The von Neumann architecture 5-3 Αποκαλούµε εντολές τον κώδικα ενός προγράµµατος. Σε αυτές περιλαµβάνονται επίσης τα συνεχή µηνύµατα που στέλνουµε στο PC µας µέσω του "ποντικιού" και του πληκτρολογίου. Τα µηνύµατα αυτά αφορούν εντολές για εκτύπωση, αποθήκευση ή άνοιγµα ενός αρχείου, κτλ. 5-4
Aριθµητική/Λογική Μονάδα Αριθµητική και Λογική Μονάδα (Α/Λ) (Arithmetic and Logical Unit) Εκτελεί αριθµητικές πράξεις (+, -, /, *) Εκτελεί λογικές πράξεις (ΑND, OR, NOT, ) Οι πράξεις αυτές γίνονται βάσει προκαθορισµένων λειτουργειών, µετασχηµατίζοντας ή συνδυάζοντας τα απαραίτητα δεδοµένα, για την δηµιουργία των εκάστοτε επιθυµητών αποτελεσµάτων Οι κωδικοποιηµένες παραστάσεις των δεδοµένων εισέρχονται στην Α/Λ µονάδα προερχόµενες από την µνήµη. Η µονάδα ελέγχου, γνωρίζοντας εκ των προτέρων την πράξη που πρόκειται να εκτελεσθεί, παρέχει προς τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα της Α/Λ µονάδας τα απαραίτητα σήµατα ελέγχου, ώστε αυτή να δηµιουργήσει τα εκάστοτε αποτελέσµατα των αριθµητικών, λογικών ή συνδυαστικών πράξεων. Οι περισσότερες µοντέρνες Α/Λ µονάδες έχουν ένα µικρό αριθµό ειδικών µονάδων αποθήκευσης που ονοµάζονται καταχωρητές (registers) 5-5 Μονάδα Ελέγχου (ΜΕ) ΗΜονάδα Ελέγχου είναι η οργανωτική δύναµη στον Η/Υ Υπάρχουν δύο καταχωρητές στην ΜΕ Ο καταχωρητής εντολής (instruction register (IR)) περιέχει την εντολή που εκτελείται Τον µετρητή προγράµµατος (program counter (PC)) που περιέχει την διεύθυνση της επόµενης εντολής προς εκτέλεση Υπενθυµίζουµε οτι Α/Λ µονάδα και ΜΕ αποτελούν την ΚΜΕ (CPU) 5-6 Μονάδα Ελέγχου (ΜΕ, συν.) Μονάδες Εισόδου/Εξόδου ΗΜΕ είναι το υποσύστηµα εκείνο, το οποίο αποφασίζει και συντονίζει την διαδοχή των πράξεων καί τη λειτουργία των υπολοίπων µονάδων του υπολογιστή. Κατά την εκτέλεση ενός προγράµµατος, η ΜΕ λαµβάνει από τη µνήµη ορισµένα κωδικοποιηµένα ηλεκτρικά σήµατα, τα οποία ονοµάζονται εντολές. Τα κυκλώµατα της µονάδας ελέγχου "αποκωδικοποιούν" κατ αρχάς τις εντολές αυτές και εν συνεχεία εκπέµπουν σήµατα ελέγχου προς: Την µνήµη για την εξαγωγή πληροφοριών προς τις άλλες µονάδες του υπολογιστή ή την λήψη πληροφοριών απ αυτές και την αποθήκευσή τους στη µνήµη Την Α/Λ µονάδα για την εκτέλεση των επιθυµητών υπολογιστικών πράξεων Τις µονάδες εισόδου/εξόδου, για τη µεταφορά πληροφοριών απο τον υπολογιστή προς το εξωτερικό του περιβάλλον, και αντιστρόφως 5-7 Μία µονάδα εισόδου είναι µια συσκευή δια µέσω της οποίας, δεδοµένα και προγράµµατα εισάγονται απο τον έξω κόσµο στον Η/Υ Πληκτρολόγιο, ποντίκι, κτλ. Μία µονάδα εξόδου είναι µια συσκευή δια µέσω της οποίας, αποτελέσµατα αποθηκευµένα στον Η/Υ, καθίστανται διαθέσιµα στον εξεωτερικό κόσµο Εκτυπωτές, τερµατικά 5-8
Ροή της Πληροφορίας ΟΚύκλος Φέρε-Eκτέλεσε Τα διάφορα µέρη είναι συνδεδεµένα µεταξύ τους µέσω µίας συλλογής καλωδίων που ονοµάζονται δίαυλος Φέρε την επόµενη εντολή Αποκωδικοποίησε την εντολή Πάρε δεδοµένα αν υπάρχει ανάγκη Eκτέλεσε την εντολή Figure 5.2 Data flow through a von Neumann architecture 5-9 5-10 Ο Κύκλος Φέρε-Εκτέλεσε (συν.) Mνήµη Μνήµη είναι µια συλλογή απο κελιά, το καθένα απο τα οποία έχει µία µοναδική φυσική διεύθυνση 5-11 Page 122
Μνήµη (συν.) RAM(Random Access Memory, Μνήµη Τυχαίας Προσπέλασης) Η µνήµη είναι µέρος του υλικού και χρησιµεύει για την αποθήκευση δεδοµένων και εντολών. Είναι απ ευθείας συνδεδεµένη µε τον επεξεργαστή. Οποια πληροφορία δηµιουργείται σε κάποια χρονική στιγµή και πρόκειται να χρησιµοποιηθεί αργότερα, αποθηκεύεται, συνήθως προσωρινά, στη µνήµη για να µπορεί να ανακληθεί εύκολα. Στη µνήµη αποθηκεύονται επίσης πληροφορίες χρήσιµες για τη διαµόρφωση (configuration) του συστήµατος. Ο χρόνος προσπέλασης είναι πολύ πιο γρήγορος απο αυτόν ενός δίσκου, αλλά η αποθηκευτική της δυνατότητα είναι περιορισµένη. Ενεκα του οτι η µνήµη είναι γρηγορότερη, οι εντολές φορτώνονται πρώτα εδώ πρίν την εκτέλεσή τους ώστε τα προγράµµατα να µπορούν να τρέχουν µε πιο αποτελεσµατικό τρόπο. RAM είναι η µνήµη όπου αποθηκεύονται προσωρινά εντολές και δεδοµένα, περιµένοντας την ανάκληση τους για επεξεργασία. Ειναι επίσης ο χώρος όπου αποθηκεύονται τα αποτελέσµατα της εκτέλεσης των εντολών. Η RAM δεν παρέχει δυνατότητα µόνιµης αποθήκευσης δεδοµένων. Οταν τελειώσει η εκτέλεση, τα δεδοµένα µετακινούνται απο τη ΚΜΕ πίσω στην RΑΜ και απο εκεί αποστέλλονται στην κατάλληλη έξοδο ή προς µόνιµη αποθήκευση σε κάποια δευτερεύουσα µνήµη. Εχουµε τριών ειδών µνήµες: Μόλις επέλθει διακοπή ρεύµατος τα δεδοµένα της RAM Random Access Memory (RAM) Read Only Memory (ROM) χάνονται CMOS 5-13 5-14 ROM (Read-Only Memory, Μνήµη Μόνο Ανάγνωσης) Μητρική Πλακέτα Η µνήµη αυτή δεν επιδέχεται αλλαγές. Τα περιεχόµενα της µπορούν να διαβαστούν όχι όµως και να µεταβληθούν παρά µόνο εάν αντικατασταθούν ολοσχερώς τα ίδια τα κυκλώµατα των ηµιαγωγών (chips) που την αποτελούν. Η ROM χρησιµοποιείται για καταστάσεις οπου η πληροφορία χρειάζεται να φυλαχθεί χωρίς να δεχθεί µεταβολές. Η πρωταρχική χρήση της ROM είναι κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εκκίνησης τού υπολογιστή. Η ROM βρίσκεται στη µητρική πλακέτα του υπολογιστή και περιέχει εντολές που υποδεικνύουν στη µηχανή πώς να εκτελέσει τη διαδικασία εκκίνησης ("boot process"). Η διαδικασία αυτή παρέχει πρόσβαση στον οδηγό του δίσκου και ανίχνευση στη µνήµη CMOS για την ανεύρεση των δεδοµένων διαµόρφωσης (configuration) του συστήµατος. 5-15 5-16
Μητρική Πλακέτα (συν.) ROM κώδικας εντολές εκκίνησης: POST (Power On Self Test) Setup (παραµετροποίησης) εντολές, οι οποίες ενεργοποιούν εντολές του CMOS BIOS εντολές που αφορούν τη διαχείριση των περιφερειακών συσκευών του υλικού Boot εντολές που καλούν το λειτουργικό σύστηµα (DOS, OS/2, or Windows) Ολες αυτές οι εντολές είναι στα chips της ROM και ενεργοποιούνται µία προς µία κατα τη διάρκεια της εκκίνησης. Μητρική Πλακέτα (συν.) ROM BIOS - CMOS BIOS (Basic Input-Output Service): δίνει τη δυνατότητα ελέγχου της αλληλεπίδρασης του υπολογιστή µε τον χρήστη. CMOS (Complimentary Metal Oxide Semiconductor): Η µνήµη CMOS περιέχει δεδοµένα ζωτικής σηµασίας για το setup. Η πρόσβαση σε αυτή γίνεται µε την εκκίνηση για να προσδιορισθεί ποιο υλικό εχει ο υπολογιστής, και πως είναι διαµορφωµένο (configured). Η χρήση αυτής της µνήµης, η οποία φυλάσσει τη διαµόρφωση του συστήµατος, καθιστά δυνατή την αλλαγή του υλικού της µηχανής και µαζί την αναγνώριση της αλλαγµένης διαµόρφωσης απο τον υπολογιστή. Εποµένως, όταν αλλάζουµε τη διαµόρφωση του υλικού πρέπει να αλλάξουµε (manually) το περιεχόµενο της CMOS. Το CMOS Setup είναι αποθηκευµένο σε ενα ειδικό chip στη µητρική πλακέτα. 5-17 5-18 Μητρική Πλακέτα (συν.) Οι σταθερές τιµές του CMOS Setup χρησιµοποιούνται για τη διαµόρφωση: - Ηµεροµηνίας και ώρας - Πληκτρολογίου - Οθόνης - Οδηγού ισκέττας ίαυλοι ΟΗ/Υ δέχεται και στέλνει δεδοµένα από και προς τούς διαύλους. Οι δίαυλοι µπορούν να χωρισθούν σε: - Ο κεντρικός δίαυλος (system bus), ο οποίος συνδέει την CPU και την RAM - ιαύλους εισόδου/εξόδου (I/O buses), που συνδέουν την CPU µε άλλα συστατικά Ο κεντρικός δίαυλος συνδέεται µε τους διαύλους εισόδου/εξόδου, όµως η σχετική αρχιτεκτονική ειναι πολυπλοκώτερη αυτής του παρακάτω σχήµατος το οποίο µας δίνει µια γενική αντίληψη - Σκληρού δίσκου, οδηγού CD-ROM, etc. 5-19 5-20
Η διαδικασία εκκίνησης (Boot Process) Ειναι η ακολουθία των εντολών που εκτελεί ενας υπολογιστής κατά την διαδικασία εκκίνησης πριν ειναι έτοιµος να δεχθεί τις εντολές του χρήστη. Υπάρχουν 7 βασικά στάδια: 1. Ηλεκτρικό ρεύµα διοχετεύεται στη µητρική πλακέτα. 2. Ο Η/Υ εκτελεί εντολές αποθηκευµένες στη ROM BIOS προκαλώντας πρόσβαση στις CMOS εντολές. 3. Χρησιµοποιώντας τις ενολές της CMOS, ο Η/Υ πραγµατοποιεί διάφορα διαγνωστικά τέστ του συστήµατος. 4. Το λειτουργικό σύστηµα φορτώνεται στη RAM. 5. Ο επεξεργαστής φορτώνει δεδοµένα απο τους διάφορους οδηγούς (π.χ. σκληρό δίσκο, δισκέττα) 6. Ο επεξεργαστής "τρέχει" ιδιαίτερα προγράµµατα σχετικά µε το συγκεκριµένο χρήστη. 7. Μια οθόνη υποδεικνύει ότι η µηχανή είναι έτοιµη να δεχθεί τίς εντολές του χρήστη. 5-21 Συσκευές Αποθήκευσης ευτερευούσης Μνήµης Επειδή το µεγαλύτερο µέρος της κύριας µνήµης είναι volatile και περιορισµένη, είναι σηµαντικό να υπάρχουν και άλλοι τύποι συσκευών αποθήκευσης όπου προγράµµατα και δεδοµένα να µπορούν να είναι αποθηκευµένα όταν δεν βρίσκονται πλέον υπό επεξεργασία. Οι συσκευές αποθήκευσης δευτερευούσης µνήµης µπορούν να είναι εγκατεστηµένες απο την αρχή η να προστεθούν αργότερα αν υπάρχει ανάγκη 5-22 Μαγνητική Ταινία Mαγνητικοί ίσκοι Είναι η πρώτη πραγµατικά συσκευή µαζικής βοηθητικής αποθήκευσης Μια κεφαλή διάβασε/γράψε διατρέχει ενα περιστρεφόµενο µαγνητικό δίσκο, βρίσκοντας η εγγράφοντας δεδοµένα Figure 5.4 A magnetic tape Figure 5.5 The organization of a magnetic disk
ίσκοι Compact Σύγχρονη Επεξεργασία Μια συσκευή CD χρησιµοποιεί laser για να διαβάζει πληροφορίες αποθηκευµένες οπτικά σε ένα πλαστικό δίσκο Μια προσέγγιση παραλληλισµού είναι να έχουµε πολλούς επεξεργαστές που εφαρµόζουν το ίδιο πρόγραµµα σε πολλαπλά σύνολα δεδοµένων CD-ROM είναι Read-Only Memory DVD σηµαίνει Digital Versatile Disk Figure 5.6 Processors in a synchronous computing environment 5-25 5-26 Pipelining Εχουµε πολλούς επεξεργαστές µαζοί όπου καθένας τους συµβάλει µερικώς στον συνολικό υπολογισµό Figure 5.7 Processors in a pipeline 5-27