Arhitectura Calculatoarelor - mail.uaic.rogasner/FI2_Arhitectura_Calculatoarelor/01... ·...

Copyright Paul GASNERCopyright Paul GASNER 1

Arhitectura Arhitectura CalculatoarelorCalculatoarelor

Fizică - Informatică an IIFizică - Informatică an II

[email protected]@uaic.ro


Conţinutul cursuluiConţinutul cursului

● Introducere● Circuite digitale şi funcţii booleene● Arhitectura setului de instrucţiuni● Magistrale, CPU, I/O● Arhitectura memoriei● Arhitectura x86● Arhitectura DEC Alpha


IntroducereIntroducere

● Ce este o maşină de calcul?● Istorie şi clasificări ale calculatoarelor


Ce este o maşină de calcul?Ce este o maşină de calcul?

● se urmăreşte automatizarea calculului● definirea maşinii depinde de noţiunea de calcul

– adunare – abac

– adunare şi înmulţire

– instrucţiuni externe

– calcul paralel

– calcul probabilistic

– calcul neuronal

– calcul cuantic etc.


Ce este o maşină de calcul?Ce este o maşină de calcul?● se urmăreşte automatizarea calculului● definirea maşinii depinde de noţiunea de calcul

– adunare – abac (chinezi, sec. 13)

– adunare şi înmulţire – maşinile lui Leibnitz sau Pascal

– instrucţiuni externe – maşina lui Babbage

– execuţie secvenţială, program memorat – von Neumann

– calcul paralel – multiprocesor, cluster, grid

– calcul probabilistic

– calcul neuronal

– calcul cuantic etc.


Evoluţia maşinii de calcul - concepteEvoluţia maşinii de calcul - concepte● scrierea poziţionată a numerelor (indieni)● algoritmii (Napier)● algebra booleană● calculatorul von Neumann

● se ajunge la conceptul de maşină universală de calcul – maşina care programată corespunzător se comportă ca o maşină specializată de calcul:– procesare grafică

– tehnoredactare

– etc


Evoluţia maşinii de calcul - tehnologieEvoluţia maşinii de calcul - tehnologie

● mecanice/electromecanice (roţi dinţate/relee electromagnetice)

● tuburi electronice● Tranzistori● Circuite integrate● Very Large Scale Integration (VLSI) – Microprocesorul● Procesoare Paralele


Calculatoare mecanice (1)Calculatoare mecanice (1)● rigla lui Edmund Gunter (1624)

– înmulţiri şi împărţiri folosind logaritmii lui Napier

● calculatorul lui Wilhelm Schickard (1624)– Kepler pentru calculul efemeridelor

● maşina lui Blaise Pascal – la pascaline (1643)– adunări şi multiplicări

– prima maşină de calcul comercializată

● calculatorul lui Gottfried Wilhelm Liebniz (1685)


Calculatoare mecanice (2)Calculatoare mecanice (2)● Variante ale maşinilor lui Liebniz şi Pascal

– Lepine (1725)

– Hillerin (1730)

– Pereire(1751)

– Earl Stanhope (1775)

– etc.

● războiul de ţesut al lui Joseph Jacquard (1805)– prima maşină programabilă (cartele perforate)

● Arithmometerul Charles Thomas (1820)– primul calculator mecanic comercializat pe scară largă (timp

de 100 ani)


La PascalineLa Pascaline


Maşina lui LeibnizMaşina lui Leibniz


Calculatoare mecanice (3)Calculatoare mecanice (3)● maşina lui Charles Babbage (1833, 1837, 1853)

– motoare diferenţiale şi analitice

– calcul de tabele

● maşina Herman Hollerith (1890)– materializarea maşinii Babbage

● Analizorul diferenţial Vannevar Bush (1931)– ecuaţii diferenţiale

● calculatoare electromecanice Konrad Zuse (1936, 1939)● Mark I - Howard Aiken, Grace Hooper (Harvard-1944)

– 0.3 sec pentru o adunare

– 6 sec pentru înmulţire


Mark IMark IIBM automatic sequence controlled calculator (ASCC)

– 750 000 componente

– 5 tone

– 18m lungime

– 3m înălţime


Calculatoare cu tuburi electronice (1)Calculatoare cu tuburi electronice (1)● Atanasoff (1940)

– tuburi şi relee– memorii cu condensatoare (ca la RAM-ul modern)

● COLOSSUS (1943)

– British Intelligence, decriptare● ENIAC (1946)

– Moore School of Engineering, John von Neumann● MADM (1948)

– Manchester Automatic Digital Machine (pentru teste)● EDVAC şi EDSAC (1949)


ENIACENIACElectronic Numerical Integrator and Calculator● maşină programabilă pentru calcul de tabele balistice


EDVACEDVAC● Electronic Discrete Variable Calculator● von Neumann stochează programul în maşină


Calculatoare cu tuburi electronice (2)Calculatoare cu tuburi electronice (2)● UNIVAC (1951)

– memorii cu tuburi catodice– primul computer digital programabil comercializat

● IAS (1952)● JOHNNIAC (1953)● Whirlwind (1953)● IBM 701 (1953)● IBM 709 (1958)


Calculatoare tranzistorizate (1)Calculatoare tranzistorizate (1)● TX-0 (1955)

Ken Olsen înfiinţează Digital Equipment Corp. (DEC)● DEC PDP-1 / 4 / 7 / 9 / 15

– 18 bits● DEC PDP-5 / 8 / 12

– 12 bits– primul minicomputer comercializat

● DEC PDP-6 / 10

– 36 bits


Calculatoare tranzistorizate (2)Calculatoare tranzistorizate (2)● IBM 7090 / 7094 / Stretch

– 36 bits– calcul cu virgulă mobilă

● IBM 1401

– reprezentare BCD● CDC1604 (1958)

– Seymour Cray● CDC 6600 (1964)

– primul supercomputer– 60 bits


Calculatoare cu circuite integrateCalculatoare cu circuite integrate● IBM 360/370● DEC PDP-8/I● DEC PDP-11/40● DEC VAX 11/780● TI ASC● CDC Cyber● Illliac IV● STARAN


VAX780VAX780


VLSI – familia IntelVLSI – familia Intel● Intel 4004 (1971)● Intel 8008 (1972)● Intel 8080 / 8085● Zilog Z80 / Z8 / Z8000● Intel 8086 / 8088 - 16 bits● Intel 80186 / 80286 / 80386 / 80486● Intel IA-32: Pentium, PII, PIII, P4, Celeron, Xeon...● Intel Itanium: Merced, McKinley, Madison, Deerfield...


VLSI (2)VLSI (2)● Motorola 6800

● MOS Technology 6502

● Motorola 68000 / 68010 / 68020 / 68030/68040/68060

● Intersil 6100

● Western Digital / DEC PDP-11/03

● DEC MicroVAX

● Texas Instruments 9900

● MIPS R2000 / R3000 / R4000, R8000, R10000, R12000

● SPARC-1 / SPARC-2 / SuperSPARC, HyperSPARC, UltraSPARC

● IBM RISCSystem-6000, Power series

● IBM/Motorola/Apple PowerPC 601/603/604/620, 750, 7450

● DEC Alpha

● HP Precision Architecture

● Intel i860


Procesoare paraleleProcesoare paralele● propus de Babbage (von Neumann)● Staran● MPP● Transputer● Connection Machine CM-2, CM-5● MasPar, DAP● Intel iPSC, Paragon, Teraflop● IBM SP, Meiko CS● Sequent Symmetry, SGI Challenge, SGI Origin etc.


Unităţi de măsurăUnităţi de măsură● MIPS -- million instructions per second● BIPS, BOPS, GIPS, GOPS - billions (giga = 109) of

instructions/operations per second● TOPS -- Trillions or tera operation per second. Often

teraops.● FLOPS -- floating point operations per second

(MFLOPS, GFLOPS, TFLOPS)● LIPS -- logical inferences per second● CPS or COPS -- Connections per second


Calculatorul von Neumann 1946Calculatorul von Neumann 1946● program memorat – ideal memorie infinită, timp de

acces egal, practic însă:● ierarhii de memorii● programul şi datele sunt stocate în aceeaşi memorie

● execuţie secvenţială a instrucţiunilor● Program Counter (PC) – adresa instrucţiunii următoare

se află într-un registru– conţinutul PC este actualizat la execuţia fiecărei instrucţiuni

● la un moment dat, o singură instrucţiune este încărcată pentru execuţie– regulă: locaţii succesive, incrementare PC

– excepţie: instrucţiuni de salt


Arhitectura unei maşini de calculArhitectura unei maşini de calcul

Aplicaţii(programe utilizator)

Sistem de operare

Limbaj maşinăCompilator Firmware

Procesor+memorie intrări/ieşiri

calea de date şi control

design digitaldesign electronic

circuit


Arhitectura unei maşini de calcul (2)Arhitectura unei maşini de calcul (2)arhitectura setului de

instrucţiuni (ISA)

+ organizarea maşinii

+ componente hardware

set de instrucţiuni

software

hardware

Arhitectura calculatoarelor =


Arhitectura unei maşini de calcul (3)Arhitectura unei maşini de calcul (3)

● Instruction-set architecture (ISA) – arhitectura setului de instrucţiuni

– determină caracteristicile de calcul ale calculatorului● Hardware system architecture (HSA) – arhitectura

hardware a sistemului

– subsistemele hardware şi interconectarea acestora (CPU, sisteme de stocare, I/O)

● O arhitectură poate avea diferite implementări. O familie de computere este un set de implementări care au aceeaşi ISA sau similare.


Arhitectura von NeumannArhitectura von Neumann

● 3 subsisteme hardware: un CPU, un sistem de memorie principală şi un sistem I/O

● program stocat în memoria maşinii de calcul● interpretarea secvenţială a instrucţiunilor● o singură cale de acces (magistrală, bus) între memorie

şi unitatea de control a CPU (sau cel puţin aşa se „vede” din exterior) – von Neumann bottleneck


Arhitectura non-von Neumann (Flynn)Arhitectura non-von Neumann (Flynn)● Single instruction stream, single data stream (SISD)

– un singur flux de instrucţiuni, un singur flux de date

– de ex. calculatorul von Neumann● Single instruction stream, multiple data stream

(SIMD) – un singur flux de instrucţiuni, multiple fluxuri de date

● Multiple instruction stream, single data stream (MISD) – multiple fluxuri de instrucţiuni, un singur flux de date (nu există în realitate)

● Multiple instruction stream, multiple data stream (MIMD) – multiple fluxuri de instrucţiuni, multiple fluxuri de date


Maşini multiprocesor: SIMD şi MIMD Maşini multiprocesor: SIMD şi MIMD ● Sistemele SIMD utilizează de obicei memoria globală● Sistemele MIMD utilizează şi memoria locală şi cea

globală, existând următoarele posibilităţi:

– procesoarele partajează doar memoria globală, nu şi memoria locală

– procesoarele partajează memoria globală şi memoria locală

– procesoarele nu partajează memoria globală● Notă: memoria cache este diferită de memoria locală

(datele din cache sunt dependente de ceea ce există în memorie). Datele din cache trebuie să fie aceleaşi cu cele din memorie!


Componentele unui sistem von NeumannComponentele unui sistem von Neumann● CPU care conţine:

– o unitate de control – control unit (CU)– o unitate aritmetica şi logică – arithmetic and logic

unit (ALU)– un set de regiştri de stocare în decursul operaţiilor

calculatorului● program counter (PC) – de foarte multe ori PC este

inclus în setul de regiştri ● sistemele de memorie (ierarhii de memorii)● magistrale – bus● subsistemul I/O


Arhitectura tip IntelArhitectura tip Intel

CPU

I/O BUS

Bridge Memory

KeyBoardMouse

Scanner

LAN

LanAdap

USBHub

GraphicAdapt

VideoBuffer

Mem BUSCPU BUS

Cache

Scsi/IDEAdap

Scsi Bus

HardDisk

North

South


Arhitectura tip SPARCArhitectura tip SPARC

Arhitectura Calculatoarelor - mail.uaic.rogasner/FI2_Arhitectura_Calculatoarelor/01... ·...

Documents

Transcript of Arhitectura Calculatoarelor - mail.uaic.rogasner/FI2_Arhitectura_Calculatoarelor/01... ·...