RAČUNALNIŠKA ARHITEKTURA

RAČUNALNIŠKA ARHITEKTURA 1 Uvod RA - 1 2017, Igor Škraba, FRI

Spletne strani: http://ucilnica.fri.uni-lj.si Moj e-naslov: igor.skraba@fri.uni-lj.si Govorilne ure: ponedeljek od 11:30 do 13:00 v R2.40 Občasne spremembe bodo pravočasno objavljene na učilnici Literatura: Dušan Kodek: ARHITEKTURA IN ORGANIZACIJA RAČUNALNIŠKIH SISTEMOV, Bi-TIM, 2008 Andrew S. Tanenbaum: STRUCTURED COMPUTER ORGANIZATION, Sixth Edition Pearson Prentice Hall, 2013 Prosojnice so na http://ucilnica.fri.uni-lj.si RA - 1 2 2017, Igor Škraba, FRI

Razvoj in uporaba računalnikov: informacijska revolucija (tretja revolucija v naši civilizaciji) Izredno hiter razvoj v zadnjih 25 letih Aplikacije, ki so bile do nedavna ekonomsko nemogoče, so naenkrat postale vsakdanje: Računalniki v avtomobilih Mobilna telefonija Analiza DNK (projekt Človeški genom) Svetovni splet Iskalniki (iskalnik Google: i7 200.000.000 zadetkov v nekaj desetinkah sekunde) RA - 1 3 2017, Igor Škraba, FRI

Med računalniki so v izvedbi ogromne razlike: Enostaven računalnik na enem čipu Superračunalnik Z vsakim, tudi najenostavnejšim, pa lahko izračunamo vse, kar se da izračunati (je izračunljivo). RA - 1 4 2017, Igor Škraba, FRI

Trenutno najzmogljivejši računalnik na svetu: SunwayTaihuLight National Supercomputing Center v mestu Wuxi, Kitajska 10.649.600 procesorjev (jeder) 1.310.720 GB glavnega pomnilnika Zmogljivost 93.014 TFLOPS Poraba energije 15.371 kw RA - 1 5 2017, Igor Škraba, FRI

Računalnik FRI-SMS Mikrokrmilnik AT91SAM9260 iz družine mikrokrmilnikov ARM9 120 mm RA - 1 6 2017, Igor Škraba, FRI

V današnjem času se je delitev računalnikov poenostavila na tri kategorije: Osebni računalniki (namizni, tablični,...) Strežniki Med strežniki so velike razlike v ceni in zmogljivosti Malo zmogljivejši namizni računalnik na spodnjem nivoju Superračunalnik s terabajti glavnega pomnilnika in petabajti zunanjega pomnilnika na zgornjem nivoju Vgrajeni (embedded = vsebovani) računalniki Najštevilčnejša skupina računalnikov Mikroprocesorji (ali mikrokrmilniki) v avtomobilih, mobilnih telefonih, igralnih konzolah, gospodinjskih aparatih, avdio in video napravah, RA - 1 7 2017, Igor Škraba, FRI

Analogno digitalno Zvezno diskretno RA - 1 8 2017, Igor Škraba, FRI

Analogno Digitalno - zvezna predstavitev - diskretna predstavitev RA - 1 9 2017, Igor Škraba, FRI

RA - 1 10 2017, Igor Škraba, FRI

Analogno Digitalno - zvezna predstavitev - diskretna predstavitev Čas v sekundah Številka vzorca 100 vzorcev v sekundi RA - 1 12 2017, Igor Škraba, FRI

x(n) 100 vzorcev v sekundi RA - 1 13 Številka vzorca 2017, Igor Škraba, FRI

Analogno računanje zvezna predstavitev števil Digitalno računanje diskretna predstavitev števil RA - 1 16 2017, Igor Škraba, FRI

Analogno računanje poteka s predstavitvijo števil z neko drugo fizikalno veličino: Z razdaljo Logaritmično računalo Ideja: log10( a b) log10 a log10 b RA - 1 17 2017, Igor Škraba, FRI

Primer množenja npr. 21 x 52 z logaritmičnim računalom: 21 1090 52 21 x 52 1090 Odčitan rezultat 21 x 52 = 1092 Točen rezultat RA - 1 18 2017, Igor Škraba, FRI

Z napetostjo Analogni računalnik RA - 1 19 2017, Igor Škraba, FRI

Diskretno računanje s kroglicami S številkami od 0 do 9 RA - 1 20 2017, Igor Škraba, FRI

S številkama 0 in 1 Dvojiški številski sistem: osnova številskega sistema je 2 številki 0 in 1 Dvojiška številka angl. binary digit = bit Bit = ena od dveh številk (0 ali 1) dvojiškega številskega sistema Digitalni računalnik RA - 1 21 2017, Igor Škraba, FRI

Vsebina predmeta: Zgradba in delovanje (digitalnih) računalnikov Računalniška arhitektura je zgradba računalnika, kot jo vidi programer, ki programira v strojnem jeziku. Strojni jezik je jezik, ki ga sestavljajo ukazi, ki jih računalnik direktno izvaja. Te ukaze imenujemo strojni ukazi. Strojni ukazi so ukazi, ki so vgrajeni v računalnik. Računalniki različnih proizvajalcev imajo različne strojne ukaze. RA - 1 22 2017, Igor Škraba, FRI

Kaj dela računalnik? (Kako deluje?) Izvaja ukaze! RA - 1 23 2017, Igor Škraba, FRI

Digitalni računalnik je stroj za reševanje problemov tako da izvaja ukaze, ki jih vanj vnašajo ljudje. Zaporedje ukazov, ki določajo kako naj stroj izvede določeno nalogo, imenujemo program. Elektronsko vezje v računalniku prepoznava in direktno izvaja samo omejeno število strojnih ukazov, v katere se morajo pred izvajanjem spremeniti vsi programi. Različni procesorji imajo različne strojne ukaze. RA - 1 24 2017, Igor Škraba, FRI

Ti osnovni ukazi (strojni ukazi) so zelo enostavni kot npr.: Seštej dve števili Testiraj ali je število enako nič Kopiraj podatek iz enega dela računalnikovega pomnilnika v drugi del. Vsak program, ki je napisan z nekimi drugačnimi ukazi (npr. z ukazi jezika Java, C++, VisualBasic, ) je zato treba spremeniti (prevesti) v te osnovne ukaze. RA - 1 25 2017, Igor Škraba, FRI

Povezava med ročnim in strojnim računanjem RA - 1 26 2017, Igor Škraba, FRI

Ročno računanje Možgani Kontrolna funkcija Izvršilna funkcija Ukazi Operandi Papir Kalkulator RA - 1 27 2017, Igor Škraba, FRI

Zgradba tipičnega računalnika CPE Kontrolna enota Ukazi ALE Operandi Glavni pomnilnik Registri CPE Centralna procesna enota ALE Aritmetično logična enota Vhodno-izhodni sistem RA - 1 28 2017, Igor Škraba, FRI

Informacije (ukazi in operandi) so v računalniku predstavljene v dvojiški obliki, s pomočjo električnih signalov Dve stanji (simbola) 0 in 1 sta predstavljeni z dvema nivojema električne napetosti. Stanje 0 je lahko predstavljeno z nizko napetostjo (okrog 0V) Stanje 1 je lahko predstavljeno z visoko napetostjo (do +5V) Enostavna realizacija s stikalom - primer: Stanje 0 - stikalo odprto - nizka napetost Stanje 1 - stikalo sklenjeno - visoka napetost RA - 1 29 2017, Igor Škraba, FRI

Eno stikalo je lahko v dveh stanjih, v stanju 0 ali 1. Količina informacije, ki jo eno tako stikalo hrani, je 1 bit. Osnovno celico pomnilnika si lahko predstavljamo kot tako stikalo, ki navzven izkazuje svoje stanje in vanjo lahko shranimo 1 bit informacije. (0 ali 1) Če želimo shraniti več informacije, ne samo en bit, potrebujemo več celic. RA - 1 30 2017, Igor Škraba, FRI

Realizacije stikala v razvoju digitalnih računalnikov razvoj tehnologije RA - 1 31 2017, Igor Škraba, FRI

30 mm Uvod Rele - elektromehansko stikalo - leto 1939, čas preklopa (0 1) 1-10ms (milisekunda = 0,001s = 10-3 s) RA - 1 32 2017, Igor Škraba, FRI

Predpone merskih enot Oznaka Ime Vrednost Zapis s potenco (znanstveni zapis) p piko 0,000 000 000 001 10 12 n nano 0,000 000 001 10 9 µ mikro 0,000 001 10 6 m mili 0,001 10 3 K kilo 1 000 10 3 M mega 1 000 000 10 6 G giga 1 000 000 000 10 9 T tera 1 000 000 000 000 10 12 RA - 1 33 2017, Igor Škraba, FRI

50 mm Uvod Elektronka elektronsko stikalo 1945-1955 čas preklopa ~ 5 s ( s=10-6 s) Stekleno ohišje Anoda Katoda Mrežica RA - 1 34 2017, Igor Škraba, FRI

5 mm Uvod Tranzistor, 1955, čas preklopa ~10ns (ns=10-9 s) C - kolektor B - baza 0 E - emitor RA - 1 35 2017, Igor Škraba, FRI

5 mm Uvod Tranzistor, 1955, čas preklopa ~10ns (ns=10-9 s) C - kolektor B - baza 1 E - emitor RA - 1 36 2017, Igor Škraba, FRI

Integrirano vezje (več tranzistorjev na eni Si ploščici) čip 1958 SSI, MSI integrirana vezja (Small Scale Integration, Medium Scale Integration) Logične funkcije, flip-flopi, registri, seštevalniki,... RA - 1 37 2017, Igor Škraba, FRI

Realizacija logične funkcije NEGACIJA (NOT) A Simbol Y A Y 0 1 1 0 Pravilnostna tabela IC (Integrated Circuit) s 6 negatorji A Vcc (+5V) R - upor Y +5V 1 0V 0 Tranzistor, ki deluje kot stikalo GND (0V) RA - 1 38 2017, Igor Škraba, FRI

Realizacija logične funkcije NAND (Negirana konjunkcija) Vcc = npr. +5V R - upor X1 A1 B1 X1 A1 B1 A1 B1 X1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 GND = 0V RA - 1 39 2017, Igor Škraba, FRI

Realizacija stikala: Elektromehansko stikalo Rele, 1939, čas preklopa 1-10ms Elektronsko stikalo Elektronka, 1945-1955, čas preklopa ~ 5 s Tranzistor, 1955, čas preklopa ~10ns Integrirano vezje - čip, 1958 VLSI (Very Large Scale Integration) integrirana vezja RA - 1 40 2017, Igor Škraba, FRI

Postopek izdelave VLSI čipa David A. Patterson, John L. Hennesy: Computer Organization and Design, Fourth Edition RA - 1 41 2017, Igor Škraba, FRI

6 mm Uvod 2,5 mm RA - 1 44 2017, Igor Škraba, FRI

22 nm proces (feature size 22 nm) Parameter feature size pri integriranih vezjih v največji meri določa število tranzistorjev na integriranem vezju in tudi njihove lastnosti Določa najmanjšo možno velikost kateregakoli objekta na integriranem vezju Objekt je lahko del tranzistorja, povezovalna žica, presledek med dvema objektoma. Celoten tranzistor je običajno večji Število tranzistorjev na čipu je odvisno od površine, ki jo zaseda tranzistor, zato se število tranzistorjev povečuje s kvadratom zmanjševanja parametra feature size RA - 1 47 2017, Igor Škraba, FRI

Tranzistor kot del integriranega vezja feature size npr. 22 nm RA - 1 48 2017, Igor Škraba, FRI

Prvi procesor na enem čipu Intel 4004 (leto1971) 2.250 tranzistorjev na ploščici 3,2 x 4,2 mm 10 μm proces (feature size 10 μm = 10x10-6 m = 0,00001 m, človeški las ima premer približno 100 μm) 16 kontaktov Izvedba ukaza 10,8 μs (= 0,0000108 s) ali 21,6 μs Poraba 1,0 W Cena (preračunana na današnja razmerja) $26 RA - 1 49 2017, Igor Škraba, FRI

Mikroprocesor Intel 4004 RA - 1 50 2017, Igor Škraba, FRI

Procesor Intel i7 7700 (mikroarhitektura Kaby Lake 7. generacija leto 2017): Število transistorjev - Intel tega podatka ne objavlja več 14 nm proces (14nm = 14x10-9 m = 0,000000014 m) Velikost čipa - Intel tega podatka ne objavlja več 4 jedra (4 procesorji, 8 niti), grafični procesor 1155 kontaktov Poraba (TDP) 65 W Priporočena cena (Intel) 303 $ - 312 $ RA - 1 51 2017, Igor Škraba, FRI

Kazalo Vsebina predavanj: 1. RA-1 Uvod 2. RA-2 Razvoj strojev za računanje 3. RA-3 Osnovni principi delovanja 4. RA-4 Strojni ukazi 5. RA-5 Predstavitev informacije v računalniku 6. RA-6 Zgradba in delovanje CPE 7. RA-7 Merjenje zmogljivosti CPE 8. RA-8 Pomnilnik 9. RA-9 Pomnilniška hierarhija 10. RA-10 Vhod in izhod RA - 3 55 Igor Škraba, FRI