Architektura komputerów

2. PRZETWARZANIE W

KOMPUTERZE

2 PRZETWARZANIE W KOMPUTERZE

2.1 „Klasyczny” komputer
2.1.1 Model von Neumanna
2.1.2 Model Harvard
2.1.3 Realizacja, implementacja, architektura -
warstwowy model komputera
2.2 Model Flynna
2.3 Przetwarzanie w klasycznym komputerze

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

2 - 2

2.1 „Klasyczny” komputer

• Przetwarzanie informacji (wejście, wyjście)

sterowane informacją – czarna skrzynka

• Przetwarzanie na ciągach liczb zerojedynkowych
• Przetwarzanie w oparciu program – od ENIAC

(1946) - programmed computing, tzn. algorytm
(zbiór precyzyjnych reguł) precyzyjnie
zakodowany w program,

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

3

• modele/abstrakcje komputerów

– architektura – zachowanie się z punktu

widzenia użytkownika

– implementacja – jaka jest struktura i jak

działa – organizacja logiczna

– realizacja – z czego zbudowano

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

4

2.1.1 Model von Neumann

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

5

MEMORY

CONTROL

UNIT

ARITHMETIC

LOGIC

UNIT

accumulator

INPUT

OUTPUT

CPU

Jak to działa?

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

6

CONTROL

INPUT

ALU

MEMORY

OUTPUT

Data/Instructio
n Flow
 

Control Flow
 

Instrukcja/rozkaz/liczba  słowo

29.10.2013

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

7

opcode

addressis

s

magnitude

Cykl rozkazowy (Instruction cycle)

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

8

START

 

HALT

Fetch the next Instruction

Execute the Instruction

Fetch Cycle

Execute Cycle

Przykład

• Zadanie. Dodać dwie liczby i wynik

ulokować w pamięci

• kody operacyjne:

–

0001  1 – pobierz rozkaz z pamięci i

prześlij go do rejestru rozkazów

–

0010  2 – zapamiętaj wartość

akumulatora w pamięci

–

0101  5 – dodaj do akumulatora

komórkę pamięci

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

9

A.   Załadowanie pierwszego rozkazu do rejestru IR

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

10

MEMORY

30

0

94

1

94

0

30

2

30

1

1 940

0002

0003

2 941

5 941

CU

300

1 940

PC

IR

 

ALU

  ACC

B   załadowanie do ACC liczby z komórki „940” oraz
zwiększenie o 1 rejestru PC

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

11

 

MEMORY

300

941

940

302

301

1 940

0002

0003

2 941

5 941

 

ALU

 0003 ACC

 

CU

300

1 940

PC

IR

+
1

C   Pobranie do rejestru IR kolejnego rozkazu (adres w pamięci
„301”)

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

12

 

MEMORY

300

941

940

302

301

1 940

0002

0003

2 941

5 941

 

CU

301

5 941

PC

IR

 

ALU

 0003 ACC

D   Wykonanie dodawania i lokowanie wyniku w
ACC. Zwiększenie licznika PC

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

13

 

MEMORY

30

0

94

1

94

0

30

2

30

1

1 940

0002

0003

2 941

5 941

 

CU

301

5 941

PC

IR

+
1

 
 

ALU

 0005

ACC



E   Pobranie rozkazu 302

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

14

 

MEMORY

30

0

94

1

94

0

30

2

30

1

1 940

0002

0003

2 941

5 941

 

CU

302

2 941

PC

IR

 

ALU

 0005 AC

C

F   Wykonanie rozkazu 302, czyli wysłanie
wyniku dodawania do komórki pamięci „941”

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

15

 

MEMORY

30

0

94

1

94

0

30

2

30

1

1 940

0005

0003

2 941

5 941

 

CU

302

2 941

PC

IR

+
1

 
 

ALU

 0005

AC

C

• System komputerowy zbudowany w oparciu o

architekturę von Neumanna powinien:

– mieć skończoną i funkcjonalnie pełną listę rozkazów
– mieć możliwość wprowadzenia programu do

systemu komputerowego poprzez urządzenie
zewnętrzne i jego przechowywanie w pamięci w
sposób identyczny jak danych

– dane i instrukcje w takim systemie powinny być

jednakowo dostępne dla procesora

– informacja jest przetwarzana dzięki sekwencyjnemu

odczytywaniu instrukcji z pamięci i wykonywaniu
tych instrukcji w procesorze.

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

16

2.1.2 Model Harvard

• Architektura harwardzka – w odróżnieniu od

architektury von Neumanna pamięć danych
programu jest oddzielona od pamięci rozkazów.

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

17

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

18

ALU

 

CU

 

I/O

 

Instructio

ns

Memory

 

Data

Memory

 

 

• Prostsza budowa przekłada się na większą szybkość

działania - dlatego ten typ architektury jest często
wykorzystywany w procesorach sygnałowych oraz
przy dostępie procesora do pamięci cache.

• Separacja pamieci danych od pamięci rozkazów

sprawia, że architektura harwardzka jest obecnie
powszechnie stosowana w mikrokomputerach
jednoukładowych, w których dane programu są
najczęściej zapisane w nieulotnej pamięci ROM
(EPROM/EEPROM), natomiast dla danych
tymczasowych wykorzystana jest pamięć RAM
(wewnętrzna lub zewnętrzna).

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

19

2.1.3 Realizacja, implementacja,
architektura - warstwowy model komputera

• Realizacja – technologie umożliwiają:

– rozbudowę i wbudowanie różnych

funkcjonalności (cache, specjalizowane
układy/bloki – np. zmiennoprzecinkowe
jednostki)

– zwiększenie szybkości działania
– miniaturyzację
– ograniczenie mocy wydzielanej itd.

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

20

• Implementacja / organizacja /

organizacja logiczna – opisuje
współdziałanie bloków
funkcjonalnych komputera ≡ sposób
przechowywania informacji +
sposób i harmonogram przepływu w
strukturze komputera

• Organizacja komputera może być

opisana na różnych poziomach
szczegółowości struktury

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

21

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

22

KOMPUTER

BLOKI FUNKCJONALNE

(block level)

 

REJESTRY

(register-transfer level; RTL)

[hardware description/design level;

HDL]

 

UKŁADY LOGICZNE

(gate level)

 

ELEKTRONIKA

(electronic circuits level)

 

• Architektura - opis zachowania się komputera

z punktu widzenia użytkownika, ale abstrahuje
od jego organizacji logicznej

• Użytkownik działa w języku wysokiego

poziomu i nie chce znać budowy komputera, a
„architektura” interpretuje te ‘zapisy” do
poziomu języka maszynowego (język
programowania w kodzie binarny zrozumiały
bezpośrednio przez CPU) opisującego
zachowanie sprzętu w oparciu, o który działa
oprogramowanie.

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

23

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

24

• 5.11.2013

Atrybuty architektury - (Instruction-

Set Architecture) [WK]

 

• Lista rozkazów

• Formaty danych

• Struktura rozkazu

• Sposoby adresowania

• System przerwań

• Rejestry i pamięć

• Dąży się do zachowania np. listy rozkazów przy

zmianach organizacji, np. liczby rejestrów,
długości słowa

• Architektura decyduje o kompatybilności

komputerów

Języki i tłumaczenia/interpretacje  model
warstwowy komputera

• Model warstwowy: każda warstwa

może być rozpatrywana jako
maszyna wirtualna; każda warstwa
definiowana jest przez własny język;
każda warstwa korzysta z usług
warstwy niższej (bliższej sprzętowi)

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

25

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

26

Aplikacje

 

Języki wysokiego poziomu

Asembler

Sprzęt

Język

maszynowy

• Język wysokiego poziomu (High Level Language – HLL)
• Asembler (assembler) – program tłumaczący język

wysokiego poziomu na język maszynowy - specyficzny dla
danego procesora

– Tłumaczy „mnemoniki  słowa kluczowe” na kody operacyjne

oraz etykiety (nadane przez programistów) na adresy

– Tłumaczy również dyrektywy – polecenia dodatkowe związane z

realizacją tłumaczenia, np. dot. rezerwacji pamięci, nadania
zmiennym wartości początkowych, sygnalizacji błędów
translacji

– Tłumaczy jeden/jeden program HLL na język maszynowy, czyli

powstaje program binarny!

– Pomaga mu system operacyjny

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

27

• Rozróżnia się

tłumaczenie/translacja:

• Kompilatory (compiler) – tłumaczą cały

program na cały program w kodzie
maszynowym

• Interpreter – tłumaczą sukcesywnie

instrukcje programu źródłowego na kod
maszynowy – nie ma programu wynikowego

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

28

2.2 Model Flynna

• Taksonomia ≡ Systematyka klasyfikacji

architektur komputerów;

–

podział na kategorie

–

definiowanie / określenie własności

• Taksonomia Flynn (1968)

Komputer = przetwarza strumienie danych i

strumienie instrukcji

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

29

 

 

Liczba strumieni danych

 

 

1

N

Liczba
strumie

ni
instrukcj

i

 

1

SISD

Single
Instruction

stream; Single
Data stream

SIMD

Single Instruction
stream;

Multiple Data
stream

 

N

MISD

Multiple

Instruction
stream; Single

Data stream

MIMD

Multiple

Instruction stream;
Multiple Data

stream

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

30

•

SISD – pojedynczy strumień instrukcji i

danych – von Neumann – najbardziej
rozpowszechniony typ architektury

•

SIMD – jedna instrukcja powoduje wykonanie

tej samej operacji na wielu kompletach danych –
procesor wektorowy, procesor macierzowy

•

MISD - ??? (procesor potokowy?)

•

MIMD – wieloprocesor, wielokomputer

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

31

2.3 Przetwarzanie w klasycznym komputerze

• Przykład - Czajnik
• Sterowanie gotowaniem wody w czajniku

elektrycznym

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

32

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

33

• if T:=TW=100 then I:=0; nigdy taka temperatura
• if T>99 then t+D I=0; woda musi się gotować przez

pewien czas (bakterie)

• if TW= TW(P) then t+D I=0; temperature wrzenia

wody zależy od ciśnienia atmosferycznego  Morze
Martwe – Mont Everest

• TW≈100-h/100
• skąd wziąć tabelę; if TW(P)  T>T* then t+D I=0
• czas opóźnienia zależy temperatury wrzenia, czyli od

ciśnienia, czyli od wysokości

• zbiór rozmyty – temperatura wrzenia
• model matematyczny

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

34

Czajnik 1 – Funkcja przynależności
temperatury wrzenia

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

35

100 105

85

75

0,8

1

1,0

0

Czajnik 1 – Zależność czasu opóźnienia od
temperatury wrzenia

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

36

opóźnienie

temperatura

100

20

  Kroki

Uwagi

12.11.2013

1 Opis problemu

Sformułowanie i werbalny opis problemu

2 Model

matematyczny

Przetworzenie problemu w matematyczny zapis;

1) zawsze uproszczenie i w wielu przypadkach

nie da się zbudować jednoznacznego modelu,

2) należy dopasować do danych,

3 Rozwiązanie

„modelu

matematycznego”

Nie każdy model da się rozwiązać;

1) brak „aparatu” matematycznego,

2) ograniczenia komputera  pamięć, złożoność

obliczeniowa,

4 Algorytm

Opracowanie algorytmu często wprowadza

kolejne uproszczenia i ograniczenia do modelu

i precyzji jego rozwiązania

5 Program

Kolejne ograniczenia i utrudnienia

6 Testowanie na

zbiorach danych

Nie zawsze program liczy w zakładanym zakresie

zmienności danych

7 Obliczenia

 

ArKom 2013 – 2 Przetwarzanie w

komputerze

1 - 37