Számítógépek architektúrák. Architektúrák

Számítógépek architektúrák Architektúrák

Bemutatkozom … Dr. Vadász Dénes, egyetemi docens [email protected] http://www.iit.uni-miskolc.hu/vadasz Informatikai Intézet épülete, I. emelet, 111. szoba Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Informatikai és villamosmérnöki tanszékcsoport Általános informatikai tanszék http://www.iit.uni-miskolc.hu Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 2

Bemutatkozom … Dr. Kovács Szilveszter, egyetemi docens [email protected] http://www.iit.uni-miskolc.hu/~szkovacs Tel: +36 46 565-136 Informatikai Intézet épülete, I. emelet, 106a. Szoba, 21-07 mellék Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Informatikai Intézet Általános informatikai tanszék http://www.iit.uni-miskolc.hu Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 3

A tárgy célja • Számítógép (computer) – Egy programozási nyelv segítségével leírt számítási feladat végrehajtására szolgáló eszköz1

• Architektúra (felépítés, szerkezet)2 – Funkcionális specifikáció az irányultság: specifikáció, – Megvalósítási célú irányultság: egységek és kapcsolódásuk. – Bármelyik irányultságnál különböző részletezettség

• A tárgy célja: általános hardverismeret megszerzése, továbbá felhasználói felületek (parancsértelmezős és grafikus) megismerése. Szemléletmód kialakítás. Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 4

Az oktatási módszereink … • Vetített képes előadások … – http://www.iit.uni-miskolc.hu/~szkovacs/ • Oktatási oldalaimon a GEIAL301B kurzus anyaga • itt az előadások képei nyomtatható formában (Acrobat Reader) • A Számítógépek, számítógép rendszerek c. jegyzet

• Az előadásokon a lényeges dolgok kiemelése, fontos definíciók, konvencionális szóhasználat stb. • Laboratóriumi gyakorlatok – Kötelező a látogatásuk

• Önálló feladatok Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 5

Ajánlott irodalom • Sima, Fountain, Kacsuk: Korszerű számítógép-architektúrák, SZAK Kiadó, 1998. • Csala: A számítástechnikai hardver alapjai, BKE, Aula, 1993. • Vadász: Számítógépek, számítógép rendszerek, Jegyzet, ME, http://www.iit.uni-miskolc.hu/~szkovacs/Szgepek-jegyzet.pdf • Számítógép architektúrák, Előadás vázlatok, ME, http://www.iit.uni-miskolc.hu/~szkovacs

Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 6

Az ütemterv • A tárgy honlapján, a tanszéki hirdetőtáblán … • Témák: – – – – – – – –

Számítási modellek, architektúrák A felhasználó szemlélete. Szolgáltatások. Parancsnyelvek. A CPU Memória Sínek Eszközök: képernyő, billentyűzet, mutatók Háttértárak, nyomtatók Esettanulmányok Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 7

A teljesítés feltételei • Aláírás és vizsga • Az aláírás feltételei – A gyakorlatokon aktív jelenlét, az ottani feladatok eredményes elvégzése. Legalább 10 gyakorlatot el kell ismertetni! Köztük évközi ZH kötelező (13. hét)! – Aláírást csak a tanulmányi időszakban szerezhetnek!

• A vizsga írásbeli és szóbeli vizsga – Írásbeli: rövid kérdésekre rövid válaszok – Szóbeli, lehet javítani is, rontani is


Ea1 8

A teljesítés feltételei • Az aláírás feltétele a gyakorlatokra való felkészülés és azokon való aktív részvétel. • Minden gyakorlaton minden hallgatót értékel a gyakorlatvezető, és megállapítja, hogy az adott gyakorlatot teljesítettnek veszi-e vagy sem. • Az aláíráshoz legalább 10 gyakorlatot teljesíteni kell. • Betegség miatti hiányzásokat is pótolni kell. • Az aláírás további feltétele az évközi feladatok eredményes elkészítése és az évközi zárthelyi dolgozat eredményes teljesítése. Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 9

A teljesítés feltételei • Az évközi zárthelyi dolgozat időpontja a 13. tanulmányi hétre esik. • A zárthelyi időtartama 50 perc, elégséges szintű megoldásához legalább 50%-os eredmény szükséges. • A gyakorlat hiányosságai miatt elmaradt aláírás pótlásra a vizsgaidőszakban már nincs lehetőség.


Ea1 10

A vizsga • A vizsga írásbeli és szóbeli vizsga. • Az írásbeli vizsgán belépő dolgozatot írnak, melyhez több, röviden megválaszolható kérdést kapnak. • Ezt 50%-nál jobb teljesítéssel kell megírni, hogy a szóbeli részre sor kerüljön. • A szóbelin a tárgy témaköreihez kapcsolódó kérdésekre kell felelniük.


Ea1 11

Számítógép történet • Tanulmányozzák Katona István A számítógép története c. prezentációját! http://www.ektf.hu/mediainf/inf/ktoth/konyvtar/Szamitogeptortenet_elemei/frame.htm

• Ebből fontos: a Neumann elvű gép • A Neumann elv röviden: – A számítógép legyen teljesen elektronikus, külön vezérlő- és végrehajtó egységgel. – Kettes számrendszert használjon. – Az adatok és a programok ugyanabban a belső tárban, a memóriában legyenek. – A számítógép legyen univerzális Turing-gép1 (soros utasítás végrehajtás elve érvényesüljön) (Turing 1937) Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 12

Fontos mérföldkövek Év Név

Készítő

Megjegyzés

1834 Analytical Engine

Babbage

Az első általános célú számítógép

1936 Z1

Zuse

Első működő, relés technikával

1943 COLOSSUS

Brit kormáy

Első elektronikus gép. Szupertitkos

1944 Mark I

Aiken

Első amerikai általános célú (Harward arch.)

1946 ENIAC

Ecker/Mauchley

A modern számítógépek története indul

1948

Neumann

A Neumann elv megszületik

1949 EDSAC

Wilkes

Első tárolt program elvű

1952 IAS

Neumann

A mai géptervezés alapjai

1961 1401

IBM

Üzleti célú, népszerű

1962 7094

IBM

Tudományos számításokhoz

1964 360

IBM

Általános célú


Ea1 13


Készítő

Megjegyzés

1964 6600

CDC

Első tudományos célú szuperszámítógép

1965 PDP-8

DEC

Tömegesen elterjedt mikroszámítógép

1970 PDP-11

DEC

Tömegesen elterjedt mikroszámítógép

1974 8080

Intel

8 bites lapkán általános célú gép

1974 CRAY-1

Cray

Első vektoros szuperszámítógép

1978 VAX

DEC

32 bites miniszámítógép, 1 MIPS-es

1981 IBM PC

IBM

Személyi számítógépek kora indul

1985 MIPS

MIPS

RISC korszak indul

1987 SPARC

Sun

SPARC alapú munkaállomások

1990 RS6000

IBM

Az első szuperskalár gép


Ea1 14


Készítő

Megjegyzés

1991 R4000

MIPS

Már 64 bites a processzor

1992 Alpha

DEC

Kiváló RISC processzor

1994 IA-64

Intel

Bejelenti terveit, 98-99-re tervezik bevezetni

2001 Itanium

Intel

Valódi 64 bites

2003 PowerPC

Apple

Mc OS operációs rendszer

2003 AMD64

AMD

32 bitessel kompatibilis (azt emulálja) Opteron, Athlon


Szimuláláció: tettetés, színlelés; Emuláció: utánzás, példa követés

Ea1 15

Az utóbbi évtizedek a számítástechnikában Az évek

70-es

80-as

90-es

A Kötegelt paradigma feldolgozás

Időosztás

Asztali gépek

Hálózatok

Számítóközpontban

Terminálszobában

Íróasztalon

Mobil

Numerikus Szövegek + adatok számok

…+ rajzok

Multimédia

Számítások Hozzáférés

Megjelenítés

Kommunikáció

Hol? Az adatok Fő cél

60-as

Számítógépek © Vadász, 2008. Paradigma: Bizonyításra, összehasonlításra alkalmas példa, minta. Követése jó döntések meghozatalát segítheti. Elfogadott tételek, koncepciók együttese, ami persze minta lehet.

Ea1 16

Az utóbbi évtizedek a számítástechnikában 2 Az évek

60-as

70-es

80-as

90-es

A paradigma

Batch

Time sharing

Desktop

Network

Az interfész

Lyukkártya

Billentyűzet + CRT

Lásd és kattints

Kérdezd és mondd

Kapcsolódás

Nincs

Terminál vonalak

LAN

Internet

Tulajdonos

Intézeti sz.központ

Osztályok

Osztályok dolgozói

Mindenki


Ea1 17

Szemléletek ... • Számítógép (computer) – Egy programozási nyelv segítségével leírt számítási feladat végrehajtására szolgáló eszköz1

• Architektúra (felépítés, szerkezet)2 – Funkcionális specifikáció az irányultság: specifikáció, – Megvalósítási célú irányultság: egységek és kapcsolódásuk. – Bármelyik irányultságnál különböző részletezettség

• A tárgy célja: általános hardverismeret megszerzése, továbbá felhasználói felületek (parancsértelmezős és grafikus) megismerése.

• Különböző szerepköri szemléletek is vannak ...


Ea1 18

Általános felhasználói látásmód • Többnyire felső szint • Grafikus v. parancsnyelvi felhasználói felület (ikonok, ablakok, eszközök, fájlok, könyvtárak stb., parancs, megnyitás, indítás, kattintás vonszolás stb.) • Szolgáltatások – – – – –

Irodai Kommunikációs Információszerző Védelmi, menedzselő Adott célú alkalmazások Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 19

Programozói látásmód • Közeledünk a konkrétumokhoz ... • Amit a felhasználó lát, azt a programozó is • Fejlesztői felület (editorok, make, fordító és taszképítő, debugger stb.) – Ezt a szemléletet más tárgyakban oktatjuk

Rendszergazdai látásmód • Közelebb a valódi géphez • Az operációs rendszert, szolgáltatásokat, ezek menedzselését ismernie kell Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 20

Hardverismeret • Kell-e? – Könnyebb az egyszerű felhasználónak is, ha vannak bizonyos ismeretei – Programozónak több ... – Rendszergazdának sok ... – Hardvereseknek egész sok, villamosmérnökségi szint

• Figyeljünk fel arra, hogy a egy számítógépet a hardver és szoftver architektúrája együtt határozza meg. Kijelentjük: ez a Neumann elvből származtatható gondolat! (Magyarázzák a származtatást!) Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 21

Az eredeti Neumann gép

Tár (Memória)

Vezérlő egység

Végrehajtó egység (ALU+Accum.)

I/O egység


Ea1 22

A Neumann architektúra (mai fogalmakkal) Architektúra: itt fő részek és kapcsolódásuk.

CPU CU ALU

Central Memory

I/O Peripheries

Regs Bus • • • • • • •

Control Unit: Vezérlő egység ALU: Aritmetikai és logikai egység Regs: Regiszterek Central Memory: Központi memória, tár I/O Peripheries: Ki/bemeneti egységek, perifériák Bus: Sín, adattovábbító áramkörök Central Processing Unit: Központi feldolgozó egység, processzor Számítógépek © Vadász, 2008.

Periféria: perem, szegély külső rész, határon (túl) lévő

Ea1 23

Egy másik funkcionális modell


Ea1 24

A központi tár és perifériák • A memória – – – –

Adatokat (bit, bájt, szó, blokk, mezőkből álló rekord, fájl stb.) és gépi instrukciókat tartalmazó, címezhető cellák (rekeszek) készlete. Valamilyen fizikai hatásra kialakuló állapot, állapotkülönbség (mágnesezettség, töltöttség, feszültségszint, fény törés stb.)

• A perifériák (ki/bemeneti egységek) – Periféria vezérlő áramkörökkel (controller, adapter) kapcsolódó eszközök (devices).

• A CPU – A gépi instrukciókat feldolgozó (processzáló) egység, a processzor. Több funkcionális elemből áll (CU, ALU, Regs stb.)


Ea1 25

A Neumann gép működése • A memória rekeszeiben ott vannak a gépi instrukciók (a kód, a program) és az adatok. • A CPU memóriából felhozza (fetch) a soron következő gépi instrukciót • A CU elemzi az instrukciót. Értelmezi. • Ha szükséges, a memóriából felhozza az instrukció operandusát • Az ALU végrehajtja az instrukciót • A végrehajtás eredménye a regiszterekbe, esetleg a memória megfelelő rekeszébe kerül • Folytatódik a soron következő instrukcióval … Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 26

Az állapotterek • Vegyük észre e következő absztrakciókat – A „soron következő instrukció” koncepció egy instrukció folyam (instruction stream) képzetet ad – Ezen folyamon egy mutató mutathatja a soron következő elemet. Ez a mutató a programszámláló regiszter (PC: Program Counter, IP: Instruction Pointer) – Az instrukció folyam instrukcióinak készlete vezérlési állapotteret határoz meg. Ebből egy állapotot az ad meg, hogy az i-edik lépésben mely instrukciót hajtja végre a processzor – Létezik számunkra egy adat folyam is: a memória rekeszeknek és regisztereknek az a sora, mely az egymás utáni instrukciókban operandusként szerepelnek. – Az adat folyam elemei adat állapotteret határoznak meg. – Egy-egy instrukció végrehajtása állapot változást hoz. Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 27

Kis előleg a félév végéről ... Kérdések • Csakis egy IS és DS képzelhető el? Dehogy! – SIMD: ugyanazt az instrukció folyamot változó (különböző, többszörös) adatfolyamon el tudjuk-e képzelni? – Hol lehetne ezt? (pl. vektorprocesszor)

• Mi képezi a vezérlési állapotteret? – Mi a vezérlési állapot (az állapottér egy eleme)?

• Adat állapottér? Ennek egy eleme? • Állapot változás? Mi okozza?


Ea1 28

Az instrukció folyam végrehajtása • A program (az instrukció folyam, a kód) futása állapot-átmenetek láncolatát hozza. • A vezérlés állapot-átmenet láncolat kulcsjellemzője a programszámláló regiszter egymás utáni értékei: a vezérlés menete (flow of control). (processz, vagy thread, szál fogalom) • A Neumann elvű gépekre jellemző ez az egy vezérlésmenet (Single Instruction Stream) egy adatfolyamon (on Single Data Stream): SISD Flinn 1966-os osztályozása (SISD, SIMD, MIMD) Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 29

Állapotfüggés • Hogy egy instrukció milyen állapotba „billent”, az függ az előző állapottól ... • Állapot-érzékeny a Neumann gép • El tudunk-e képzelni állapot-független gépet?


Ea1 30

A Neumann gép és az imperatív programozás • Az imperatív nyelvekkel a vezérlés menetét manipuláljuk – Tedd ezt ezzel, utána ezt stb. – FORTRAN, C, Pascal, Basic

• Ezért az imperatív programozási paradigma jól megfelel a Neumann gépnek

Imperatív paradigma: teljesen specifikált lépések teljesen specifikált adatokon


Ea1 31

Hiba és eseménykezelés a Neumann gépen • Az eseményekhez kezelő (handler) instrukciófolyam tartozik • Az esemény bekövetkeztekor a vezérlés menete ugorjon a kezelőre (a CPU állapot, a kontextus „lementése” után) • A kezelés után (ha lehetséges) a vezérlés menete térjen vissza a „normál” instrukció folyamra, folytatódjon a processz futása (az állapot, a kontextus vissza-emelése után persze). • Összegezve: a hiba és eseménykezelés a vezérlés menetének manipulálásával történik. Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 32

Egy más elvű gép: adatfolyam gép A Dataflow Machine (kontrasztként) ideája: • szeparált processzorok minden operációra (operáció lehet: aritmetikai, logikai, függvényhívás stb.) • Az operációk (processzorok) várnak, míg operandusuk értéke előáll, utána adják eredményüket. • A processzorok (operációk) függetlenek. A legkorábbi lehetséges pillanatban adják az eredményüket. • Az operációk végrehajtásának sorrendje az adatfolyamból adódik. Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 33

Példa: adott a és b, kiszámítandó átlaguk és négyzeteik átlaga Egy virtuális Neumann gép (szekvenciális végrehajtás) A flow of control IP a sum := a + b

1

av := sum/2

2

asq := a * a

3

bsq := b * b

4

sumsq := asq + bsq

5

avsq := sumsq/2

6

b sum av asq bsq sumsq avsq x x x x x x

Az állapotvektor a 3. absztrakt instrukció végrehajtása után Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 34

Gyakran használt fogalmak • Virtualitás, virtuális (látszólagos) – Valami, ami valóságosan nem létezik, de mégis úgy használhatjuk, mintha létezne – Pl. virtuális meghajtó, emulált terminál, virtuális gép stb.

• Transzparencia, transzparens (átlátszó) – Valami, ami ott van, de nem látjuk, nem vesszük észre, nem kell törődni vele, mert átlátszó. (Pl. az előbbi virtuális diszk-meghajtót a hálózaton át egy fájlszerver biztosítja, akkor a hálózat transzparens, nem kell vele törődni.) – Világos, tiszta, nem titkolt …


Ea1 35

Példa: adott a és b, kiszámítandó átlaguk és négyzeteik átlaga Neumann gép (szekvenciális végrehajtás) IP

800

804

808

80C

810

814

600 a 604 b 608 sum 60C av

x x

610 asq 614 bsq 618 sumsq 61C avsq

x x x x

800 ADD a,b,sum 804 DIV sum, 2, av 808 MUL a, a, asq 80C MUL b, b, bsq 810 ADD asq, bsq, sumsq © Vadász, 2008. 814 DIV sumsq, 2, Számítógépek avsq

Ea1 36

Példa: adott a és b, kiszámítandó átlaguk és négyzeteik átlaga Adatfolyam gép a

sum := a + b

b

av := sum/2 asq := a * a

*

bsq := b * b sumsq := asq + bsq

+ sum asq

2

/

avsq := sumsq/2

Hibakezelés: explicit hibaértékekkel

av

bsq

*

A nyilak: neves, vagy névnélküli értékek.

+ sumsq 2

A körök: az operációkhoz rendelt processzorok.

/ avsq


Ea1 37

Példa: adott a és b, kiszámítandó átlaguk és négyzeteik átlaga • Adatfolyam gép – – – –

Van 6 processzor a 6 operációhoz, nincsenek “változók“ (név, érték, típus, cím), névvel ellátott értékek vannak (a,b,asq,bsq,sum stb). A neves értékek nem definiálhatók át! Redefinició esetén nem tudnák a processzorok, melyik értékre várjanak! – A neves értékeknek típusa és explicit hibaértéke van! Ui. egy processzor mindenképp kell eredményezzen értéket, legföljebb hibás eredményt! Kaphat hibás inputot is. Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 38

Számítógép - nyelvek - számítási modell • A számítási modellek összetevői – a számítás alapelemei – a problémaleírás modellje • a leírás jellege és • módszere;

– a végrehajtás modellje • a végrehajtási szemantika • a végrehajtás kontrollja


Ea1 39

A Neumann modell • Az alapelemek: azonosítható entitásokhoz rendelt (típusos) adatok. (Változók, többszörös értékadás) • Problémaleírás – procedurális/imperatív (lépésenként megadva …)

• A végrehajtás modellje – a szemantika: állapotátmenet szemantika – a kontroll: közvetlen vezérlés (… a vezérlés menete … )

Szemantika (görög): jelentéstan, a nyelvtudománynak a nyelvi formák jelentésével és jelentésváltozásával foglalkozó ága Entitás: Lényeges létező valami. Elem. Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 40

Az adatfolyam modell • Az alapelemek: azonosítható entitásokhoz rendelt (típusos) adatok. (Egyszeri értékadás) • Problémaleírás – deklaratív (az operációk felsorolása pl. függvények használatával …)

• A végrehajtás modellje – a szemantika: applikatív – a kontroll: adatfolyam vezérelt Deklaratív paradigma: A deklaratív program csak felsorol. Az ilyen program „utasításainak” a sorrendje nem számít Deklaratív jellegű lehet egy logikai programozási nyelv is (ahol a következtetési motor a teljes szabályteret „bejárja”). Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 41

Neumann elvű gép • A gép fő részei, követelmények: – ALU, vezérlő egység, memória, perifériák, – 2-es számrendszer, elektronikus. Előtte?

• Tárolt program elv: – A tárban az adatok és a program is. Előtte? – Következményei: jók és rosszak.

• Automatikus működés (közvetlen vezérlés): – program szerint, állapotok, állapotátmenetek, a vezérlés menete, PC/IP szerepe.

• Babbage Analitical Engine: megfelel?


Ea1 42

Neumann elvű gép

• Babbage Analitical Engine: megfelel?

• The first fully-automatic calculating machine. British computing pioneer Charles Babbage (1791-1871) • Foreground: "operational cards", for instructions; background: "variable cards", for inputting data. Ea1 43 Számítógépek © Vadász, 2008.

Számítógép: hardver és szoftver architektúra • A legáltalánosabb SW architektúra • Direkt futtatás, monitor, operációs rendszer • Az OS fogalma

Alkalmazás

– Kiterjesztett gép – Erőforrás menedzser

Felhasználói felület

Operációs rendszer Hardver

A rétegezettség (layered architecture) Egy réteg elrejti az alatta fekvő rétegek részleteit. Elegendő csak az alattad lévő réteg felületét (interface) ismerni Számítógépek © Vadász, 2008.

Ea1 44

Operációs rendszer osztályozás • • • •

Cél szerint: általános, cél HW “nagyság“ szerint: PC, kis, nagy, szuper Processzorok, processzek, felhasználók száma szerint Időosztás szerint: szekvenciális, time sharing: kooperativ, beavatkozó • Memóriamenedzselés szerint: valós, virtuális • Fájlrendszer implementáció szerint


Ea1 45

Összefoglalás • • • • •

Bevezetés Egy kis história … A Neumann elvű gép és az adatfolyam gép. Számítási modellek


Ea1 46

Számítógépek architektúrák Architektúrák VÉGE

Számítógépek architektúrák. Architektúrák

Recommend Documents