Komputer – maszyna (urządzenie) licząca, Dwie logiki:
Architektura – określa zachowanie się (efekty służąca do przetwarzania wszelkich
dodatnia :
działania) komputera z punktu widzenia informacji, które da się zapisać w formie ciągu 1 (stan wysoki UH) odpowiada istnieniu użytkownika.
cyfr (dyskretnej) albo sygnału ciągłego napięcia na wyjściu
* Architektura definiuje język maszynowy Sygnał analogowy – sygnał, który w danym 0 (stan niski UL) brak napięcia na wyjściu
* Komputery o tej samej architekturze są przedziale swojej zmienności może
ujemna :
kompatybilne (ten sam język maszynowy) przyjmować nieskończoną liczbę wartości.
1 brak napięcia
Implementacja (organizacja) – opisuje Sygnał analogowy jest sygnałem ciągłym.
0 obecność napięcia
współdziałanie bloków funkcjonalnych
Sygnał cyfrowy (dyskretny) – sygnał, który w Zalety techniki cyfrowej:
komputera oraz sposób przechowywania i danym przedziale swej zmienności przyjmuje
- odporność na zakłócenia i szumy
przepływu informacji w strukturze komputera skończona liczbę wartości.
- łatwe przetwarzanie (korekcja błędów) (schemat str. 57)
historia komputerów (slajdy)
_możliwość zapisu danych różnych typów na Model von Neumanna komputera –
Abakus pierwsze mechaniczne liczydła jednym nośniku (np. tekst i grafika na uniwersalny model struktury komputera (str.
starożytne – początek informatyki
dyskietce
58)
Prawo Moore’a - Podwojenie wydajności _układy cyfrowe są mało wrażliwe na rozrzut układów scalonych odbywa się średnio co 18-parametrów elementów
Procesor – wykonuje elementarne operacje 24 miesięcy
_łatwa konwersja sygnału (programowa) arytmetyczno - logiczne (lista rozkazów) System pozycyjny – wartość cyfry zależy od Główna zaleta systemu binarnego –
- układ sterowania – koordynuje wszystkie jej pozycji w liczbie. Liczby przedstawiane są jednoznaczność sygnału (jest lub go nie ma) operacje komputera (np. pobiera dane z jako łańcuchy cyfr (ai)
System dziesiętny – wymaga 10 różnych pamięci.
TECHNIKA ANALOGOWA – dziedzina poziomów sygnału (napięć lub prądów)
- arytmometr – realizuje elementarne operacje elektroniki zajmująca się wytwarzaniem, Przetwornik A/C (ADC – Analog Digital logiczne i arytmetyczne, współpracuje z przetwarzaniem i przesyłaniem sygnałów Converter) przetwarza sygnał Analogowy na rejestrami
analogowych (ciągłych).
sygnał Cyfrowy
- rejestry – pamięć podręczna procesora.
Ogólnie sygnał analogowy – sygnał, w Dwa etapy konwersji:
Przechowują tymczasowe wyniki obliczeń którym wartość sygnału wyjściowego jest
- próbkowanie
(rejestr danych), ich miejsca w pamięci proporcjonalna do wartości sygnału
- kwantyzacja
operacyjnej (rejestry adresowe) i.t.d wejściowego.
Próbkowanie – badanie wartości sygnału co Pobranie danych + operacje elementarne =
Podstawowe funkcje realizowane przez układy pewien określony czas
cykl pracy procesora
analogowe to:
Kwantyzacja – zamiana otrzymanych
- wzmacnianie sygnałów
wartości dyskretnych badanego sygnału na Pamięć – przechowuje wprowadzoną
- generowanie różnych przebiegów
system binarny
informację (operacja zapisu), udostępnia ją na
- porównywanie sygnałów
Kwantyzacja – konwersja poziomu zewnątrz (operacja odczytu). W pamięci musi
- regulacja wartości sygnałów (np. stabilizacja analogowego na najbliższy skwantowany być umieszczony program.
napięcia)
poziom. (1111 – poziom najwyższy, 0000 –
Dwa rodzaje pamięci:
Najczęściej stosowane układy analogowe to: poziom najniższy)
- stała ROM (zapisana konfiguracja
- wzmacniacze operacyjne
Ts – czas próbkowania (zależy od komputera BIOS)
- komparatory (układy porównujące napięcia) częstotliwości sygnału podlegającego
- operacyjna RAM (zapisany system
- stabilizatory
konwersji)
operacyjny, program, itd.)
- przetworniki C/A i A/C
Układy we/wy – zapewniają komunikację Zasada Nyquista - szybkość (częstotliwość komputera ze światem zewnętrznym
Najpowszechniej stosowany układ to
próbkowania) musi być przynajmniej dwa razy (klawiatura, drukarka, monitor)
wzmacniacz operacyjny – wzmacniacz o b.
większa od najwyższej częstotliwości
dużym wzmocnieniu (>1000V/V),
próbkowanego sygnału.
Magistrale (szyny) – zespół łączy bezpośrednich sprzężeniach, przeznaczony do Przykłady:
elektronicznych i układów logicznych
pracy z zewnętrznym sprzężeniem zwrotnym.
- sygnał telefoniczny - max. częstotliwość zapewniających wymianę (transmisję)
(sprzężenie zwrotne w niezwykle istotny 4kHz – próbkowanie 8kHz (125 ms)
informacji między urządzeniami systemu sposób wpływa na parametry wzmacniacza)
- wieża Hi-Fi – max. częstotliwość 20kHz –
komputerowego.
wpływ wielkości sprzężenia zwrotnego na próbkowanie 40 kHz (25 ms)
Systematyka magistral:
charakterystykę wzmacniacza - gdy R /
- sygnał video – max. częstotliwość 6MHz –
A. Podział ogólny
wzmocnienie / częstotliwość maksymalna \
próbkowanie 12MHz (83,3 ns)
1. Wewnętrzne (OPB – On-chip Peripherial Komparator napięcia
Przetwarzanie informacji można zrealizować Bus (linia łącząca moduły wewnątrz układu
– układ porównujący napięcie wejściowe z dwojako:
scalonego)
napięciem odniesienia.
- przy pomocy specjalizowanego systemu 2. Zewnętrzne (łączy różne moduły
– układ przetwarzający sygnał analogowy na cyfrowego,
wewnątrz komputera)
cyfrowy.
- przy pomocy systemu mikroprocesorowego.
B. Z punktu widzenia funkcji w
Stabilizator napięcia - układ utrzymujący komputerze
stałą wartość napięcia niezależnie od wahań Specjalizowany układ cyfrowy – zestaw 1. Magistrala adresowa (przesyła adresy napięcia wejściowego i prądu obciążenia.
różnych układów cyfrowych, które mogą komórek w których znajdują się kody danych, Podstawowe cechy charakterystyczne sygnału realizować tylko określony sposób
i rozkazów lub identyfikatory urządzeń analogowego:
przetwarzania informacji (np. tylko
zewnętrznych)
- niemożliwość przechowywania różnych dodawanie, sortowanie itd.)
2. Magistrala sterująca (przesyła sygnał
typów danych na jednym rodzaju nośnika System mikroprocesorowy – system sterujący określający rodzaj wykonywanej
- duża wrażliwość układów analogowych na uniwersalny bo system przetwarzania
operacji)
rozrzut parametrów elementów
informacji (danych) jest zmienny.
3. Magistrala danych (wymiana informacji
- „odszumienie” sygnału analogowego bardzo Informacja wejściowa – postać zrozumiała miedzy procesorem a pamięcią lub
trudne
dla komputera (binarna)
urządzeniami zewnętrznymi)
- konwersja sygnału analogowego wymaga Informacja wyjściowa – postać zrozumiała zastosowania dodatkowych urządzeń
dla odbiorcy (np. tekst, rysunek)
Podsumowanie:
(konwersja sprzętowa).
6.1 Model komputera von Neumanna
- pamięć jest adresowana sekwencyjnie Trzy pojęcia przy opisie komputera:
- pamięć komputera jest pamięcią
Układem cyfrowym nazywamy układ
- realizacja,
jednowymiarową (komórka pamięci ma adres elektroniczny, który służy do przetwarzania
- architektura,
wyrażony liczbą)
sygnałów cyfrowych (nieciągłych)
- implementacja (organizacja).
- w pamięci przechowywane są instrukcje Układy cyfrowe - działają zwykle Realizacja – określa z czego komputer jest (program) oraz dane (nierozróżnialne) dwustanowo (jest napięcie na wyjściu lub go zbudowany (elektronika) np. rezystory,
- instrukcje wykonywane są sekwencyjnie wg nie ma)
kondensatory, tranzystory, moce wydzielane wzoru:
* Stany te odpowiadają dwu wartościom itd.
pobranie instrukcji z pamięci (zapisanie do logicznym 1 lub 0
rejestru)
zdekodowanie instrukcji (określenie rodzaju Modularna budowa komputera:
- możliwość dołączenia L 3
wykonywanej instrukcji)
- standaryzacja elementów w oparciu o Pamięć cache –> pamięć bardzo szybka (np.
pobranie operandów, (danych) z pamięci publicznie dostępne specyfikacje,
RAM 60ns, cache <10ns)
realizacja instrukcji
- otwarta architektura urządzeń
zapamiętanie wyniku operacji w pamięci wejścia/wyjścia – możliwość rozbudowy Ad.4 Gniazdo procesora – interfejs między zestawu i dostosowania do posiadanego procesorem a płytą główną determinuje rodzaj Podstawowe założenie architektury von oprogramowania
procesora. typ gniazda musi być zgodny z Neumanna to: rozdział pamięci i procesora.
danym procesorem
Architektura von Neumanna to tzw model Płyta główna
- Slot
„referencyjny” , lub architektura sekwencyjna.
- tablica obwodów drukowanych łączących
- Socket
Konsekwencje:
wszystkie elementy komputera wraz ze
[Obecnie stosowane podstawki to Socket 775
- efekt „wąskiego gardła” (bottleneck) – niska sterującymi układami elektronicznymi i (Pentium IV), Socket 939 (AMD) oraz Socket prędkość transferu informacji między
standardowymi gniazdami I/O
AM2 (dla dwurdzeniowych procesorów)]
procesorem a pamięcią (procesor musi
- ciągła wymiana informacji między
„czekać” na dane),
elementami umieszczonymi na płycie głównej Ad.5 FSB (Front Side Bus) – magistrala
- źle funkcjonujący program może zniszczyć
- płyta główna stanowi również miejsce, do łącząca procesor z płytą główną (dokładnie z samego siebie, inny program lub system którego dołączane są urządzenia zewnętrzne kontrolerem pamięci).
operacyjny.
Częstotliwość taktowania FSB to 66 MHz., Najważniejsze urządzenia montowane na 100 MHz., 133 MHz., 166 MHz., 200MHz.
Aby złagodzić efekt „wąskiego gardła” stosuje płycie głównej:
itd.. W najnowszym procesorze Intel Core 2
się m.in. nymi:
- procesor
Duo stosuje się 1066 MHz, a mówi się o 1333
- pamięć cache między procesorem a pamięcią
- chipset
MHz.
operacyjną
- magistrale - gniazda rozszerzeń
Częstotliwość zegara procesora jest
- stosowanie tzw „branch prediction”
* pamięć główna (RAM i ROM)
wielokrotnością częstotliwości szyny FSB (np.
algorytmów
* karta graficzna
współczynniki mnożenia 1,5; 2; 2,5;3). W
* karta sieciowa
niektórych modelach można ustawiać ręcznie Obliczenia równoległe – jednoczesne
* modem
(zworki na płycie głównej) lub jest blokowane wykonywanie tego samego zadania przez dwa
* karta dźwiękowa
.
lub więcej procesorów w celu szybszego
- porty we/wy
Gdy fFSB /> to szybkość przesyłu informacji otrzymania wyników
/>
* Zastosowanie w pojedynczym komputerze Procesor
np. fFSB = 66MHz to 8 bajtów (64 bitów) wielu procesorów (komputer równoległy) Podstawowe zadania procesora:
przesłane jest z szybkością 8*66MHz = 528
* Rozproszone systemy komputerowe
- wykonywanie obliczeń
MB/sek
(architektury wielomaszynowe – sieci
- przesyłanie danych
komputerowe)
Najważniejsze parametry procesora: Wpływ wymiaru technologicznego na gęstość 1. częstotliwość zegara (taktowania)
mocy wydzielanej w procesorach (str. 86) Podział z punktu widzenia połączeń między 2. długość słowa w bitach
Wymiar technologiczny a technologia
procesorami oraz procesorami i pamięcią: 3. wielkość pamięci cache (L1 i L2)
wykonania (str. 87)
1. SIMD (Single Instruction/Multiple Data) –
4. rodzaj podstawki (gniazda)
wszystkie procesory jednocześnie wykonują te 5. częstotliwość szyny FSB (magistrala INTEL – plany:
same instrukcje.
łącząca procesor z płytą główną)
- Rok 2006 – Technologia 65nm (UV)
2. MIMD (Multiple Instruckion/Multiple 6. technologia wykonania
- Rok 2008 – Technologia 45nm (koniec Data) – procesory realizują różne instrukcje Z technologicznego punktu widzenia procesor technologii optycznej UV)
to układ scalony VLSI zbudowany z b. dużej
- Rok 2010 – Technologia 32nm (technologia Podział z punktu widzenia dostępu procesorów liczby tranzystorów ( Pentium IV ma 125 mln.
Extreme UltraViolet (13,5nm); koszt
do pamięci:
tranzystorów, Core 2 Dou 291 mln.
urządzenia ok.. 50mln$; potrzeba 10 maszyn; 1. Shared memory – cała pamięć dostępna tranzystorów , pow. 143Mm2)
technologia próżniowa)
jest dla każdego procesora (SMP - Symmetric
- Układy wielordzeniowe (optymalizacja do multiprocessing) – układy z pamięcią
Ad.1 Częstotliwość taktowania – liczba wybranych zadań)
współdzieloną (każdy procesor ma jednakowy operacji/sek. wykonana przez procesor.
dostęp do pamięci.
najnowsze procesory ok. 3GHz
AMD - plany
2. Distributed memory – każdy procesor ma
- Rok 2006 – technologia 65nm (procesor dostęp tylko do fragmentu pamięci procesory Ad.2 Długość słowa (w bitach) przetwarzana dwurdzeniowy)
są bardziej lub mniej uprzywilejowane.
przez procesor.
- Ponad 2006r. – pamięci i procesory 45nm
>>Każda liczba w komputerze przedstawiona (litografia immersyjna)
Z punktu widzenia liczby procesorów
jest jako ciąg zer i jedynek np. 510 to 1012
- Okres ok. 10 lat – struktury<30nm 1. MMP (massivelly parallel processor) –
(słowo 3-bitowe)
(litografia nanowytłaczalna)
architektura wieloprocesorowa (nawet do kilku Max liczba 3-bitowa to 111 czyli 7.
tysięcy procesorów), każdy procesor ma Jak prowadzić obliczenia na liczbach >7 np.
Tendencje rozwojowe:
własna pamięć i własną kopię systemu
13?
1. 100 W/cm2 graniczna gęstość mocy
operacyjnego. Układy połączone są ze sobą a) zastosować dwa słowa 3-bitowe
- efekt miniaturyzacji
szybkimi łączami.
b) zastosować jedno słowo 6 -bitowe
- efekt wzrostu częstotliwości taktowania W wypadku a wykonanie większej liczby procesorów
Podsumowanie:
rozkazów niż w b (dłuższy czas operacji).
2. Nowe zadanie to zmniejszenie
problem ze skalowalnością (komputer z n-W wypadku b bardziej skomplikowany
zapotrzebowania chipów na prąd
procesorami powinien wykonać zadanie n razy procesor (cena!)<<
3. Wzrost znaczenia przetwarzania
szybciej niż komputer z jednym procesorem) Aby w pełni wykorzystać długość słowa równoległego
Zadanie musi być podzielone na osobne wątki maszynowego musi być odpowiednie
4. Układy wielordzeniowe (tymczasowość) (odpowiednie oprogramowanie)- mała
oprogramowanie (system + aplikacje)
5. Materiały hybrydowe
szybkość transmisji danych między CPU’s a 6. Magnetyzm, spin, nanorurki
pamięcią (szczególnie w SMP) – pomaga Ad.3 Pamięć cache – tzw. pamięć NUMP (Non-uniform Memory Access) -
wspomagająca (buforowa) służy do
Nanorurki są strukturami o średnicy ASMP (Asymmetric multiprocessing) –
tymczasowego przechowywania informacji.
wewnętrznej wynoszącej od ułamka do
procesory przeznaczone do wykonywania
[odczyt z pamięci ~> kopia do cache kilkuset nanometrów, oraz długości rzędu specjalnych zadań (np. grafika 3D –rzadko powtórny odczyt najpierw z cache (b. szybko)]
nawet kilku tysięcy nanometrów Nanorurkę stosowane)
Dwa rodzaje pamięci cache:
można sobie wyobrazić jako jedną warstwę
- pamięć wewnętrzna L1 (level 1)
grafitu zwiniętą w rulon.
- pamięć zewnętrzna L2 (level 2)