Architektura

systemów

komputerowych

PWSZ Elbląg, dr inż., Ryszard Frydryk

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

2

Architektura - definicje



dział informatyki zajmujący się
koncepcyjną i funkcjonalną strukturą
systemów komputerowych

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

3

Program zajęć



Wstęp – własności zależą od budowy



Architektura komputera

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

4

Informatyka

Nauka o

przetwarzaniu,
pobieraniu,
przesyłaniu,
przechowywaniu
interpretacji

INF

ORM

ACJ

I

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

5

Czynniki rozwoju:

Silna konkurencja na rynku informatycznym
wymusza szybki rozwój

R(technologii sprzętu) >>

R(oprogramowania)

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

6



znaczny i trwały wzrost przepustowości sieci

komputerowych,



nowe technologie półprzewodnikowe,



nowe architektury procesorów i

komputerów,



rozwój technologii przechowywania i

wykorzystywania dużych zbiorów danych

zróżnicowanego typu,



stały wzrost bezpieczeństwa i niezawodności

sprzętu i oprogramowania oraz ochrony i

poufności informacji,



duża dynamika prac w zakresie inżynierii

oprogramowania dotyczących



wzrost zastosowań o charakterze globalnym,

jak na przykład

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

7

Dynamika prac w zakresie
inżynierii oprogramowania



algorytmów obliczeniowych,



nowych paradygmatów i modeli
obliczeniowych,



usług sieciowych o bardzo zróżnicowanym
charakterze,

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

8

Wzrost zastosowań o charakterze
globalnym



telekomunikacja,



teleedukacja i biblioteki wirtualne,



telemedycyna,



usługi multimedialne,



handel elektroniczny i eksploracja
danych,



przetwarzanie języka naturalnego,



animacja komputerowa i
rozpoznawanie obrazów

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

9

Obliczenia naukowo-
techniczne:



w zakresie nowych źródeł

energii,



biologii molekularnej,



modelowania zjawisk

klimatycznych i wielu innych.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

10

Architektury komputerowe
dla zastosowań przemysłowych
i komercyjnych



Wybór odpowiedniego systemu dla konkretnego
celu powinien się dokonywać według sprawdzonych
kryteriów. Można w tym celu wykorzystać kryteria
określone przez konsultantów z Gartner Group.
Należą do nich między innymi:



wydajność i skalowalność, sprawdzona i
współczesna technologia,



możliwość etapowej realizacji inwestycji poprzez
rozbudowę instalacji pilotażowej, wymagany
poziom integracji z istniejącymi zasobami,

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

11

Komputery systemów otwartych
i modele programowania

Cechy charakterystyczne współczesnych komputerów, ze

szczególnym uwzględnieniem

architektur wielokomputerowych i
wieloprocesorowych.
Omówiono modele obliczeń równoległych oraz
klasyfikacje architektur komputerowych.
Szczególną uwagę poświęcono systemom otwartym,

pracującym pod kontrolą systemu operacyjnego typu

Unix.



Ukazano także metody oceny wydajności obliczeń

równoległych (zwłaszcza naukowo-technicznych), służące

określeniu jakości algorytmu i jego równoległej

implementacji. Mogą być one stosowane także do

porównań różnych typów architektur komputerowych.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

12



wysoka dostępność,



popularność, dostępność i cena
oprogramowania użytkowego,



długowieczność systemu,



wymagane nakłady finansowe,



wizerunek produktu i producenta,



aktualne umiejętności użytkownika,



zakres i jakość usług producenta,
serwis, usługi gwarancyjne i
pogwarancyjne.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

13

Porównanie wybranych klas
systemów komputerowych
przeznaczonych do zastosowań
przemysłowych i komercyjnych

Największy udział w rynku:



produkty firm: SUN, IBM, HP i Compaq

Wybor producenta na podstawie



cech sprzętu,



wskaźników ekonomicznych

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

14

Cechy pożądane przez
użytkownika



wydajność, dostępność,



funkcjonalność, powszechność.



Systemy muszą być rozbudowywalne.



Oferowane przez producenta usługi serwisowe

(gwarancyjne i pogwarancyjne), podobnie



jak plany i kierunki rozwoju jego technologii są

istotnym elementem oceny. Bardzo ważny jest



wizerunek produktu i producenta w oczach

użytkowników, jak również



popularność jego rozwiązań sprzętowych i

programowych wśród twórców

oprogramowania użytkowego.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

15

Wspomaganie zarządzania



z wykorzystaniem przetwarzania
transakcyjnego,



eksploracji danych,



realizacji usług sieciowych,



realizacji usług obliczeniowych

niezbędnych do wypełnienia celów

stojących przed daną instytucją.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

16

Cechy systemów
komputerowych:

1.

Wysoka dostępność systemu,

2.

Ciągłością pracy sprzętu i zainstalowanych
aplikacji.

3.

Bezpieczeństwo danych

Polega na ich ochronie przed przypadkowym bądź

umyślnym zniszczeniem, ujawnieniem lub
modyfikacją.

Przez środki bezpieczeństwa w systemach

komputerowych należy rozumieć zabezpieczenia
technologiczne i środki administracyjne,

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

17

ARCHITEKTURA
KOMPUTERA
całość spełnia określone
wymagania użytkowe



Ogólna koncepcja struktury komputera,
określająca jego składniki:



Współdziałanie



Łączenie

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

18

ARCHITEKTURA
KOMPUTERA



Architektura komputera jest też
związana, choć nie tożsama, z jego
implementacją



Architektura komputera jest też
związana, choć nie tożsama, z jego
implementacją.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

19

ARCHITEKTURA
KOMPUTERA



Architektura obejmuje te właściwości,

które wpływają na

1.

projektowanie

2.

opracowywanie oprogramowania



Implementacja –

1.

na wydajność systemu

2.

koszty jego eksploatacji

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

20

Kierunki rozwoju:

1.

konstruowanie możliwie najszybszych

w danym okresie komputerów (przy

narzuconych z góry ograniczeniach,

np. cenowych)

2.

nowe możliwości - jednoczesne

wykonywanie wielu programów oraz

dostosowanie architektury komputera

do struktury języków programowania

wysokiego poziomu.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

21

KOMPUTER

Komputer składa się z czterech głównych

elementów sprzętowych:



pamięci,



procesora,



urządzeń peryferyjnych,



łączy komunikacyjnych.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

22

Funkcje



Pamięć służy do przechowywania
danych i programów



procesor steruje pracą całego systemu
i przetwarza dane



urządzenia peryferyjne służą do
wymiany danych ze światem
zewnętrznym



łącza natomiast umożliwiają wzajemne
komunikowanie się elementów systemu

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

23

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

24

Pamięć

W pamięci są przechowywane:

1.

dane przetwarzane przez komputer

2.

instrukcje określające wykonywane

czynności.

Informacje te są przechowywane

w postaci binarnej, czyli są

reprezentowane przez ciągi bitów

Bity są logicznie łączone w bajty (osiem

bitów), a te w słowa (zwykle od

jednego do ośmiu bajtów).

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

25

Pamięć:

ma z reguły strukturę hierarchiczną
podstawowe elementy strukturalne to:

1.

rejestry,

2.

pamięć wewnętrzna (główna)

3.

pamięć zewnętrzna (pomocnicza).

Rejestry są najszybszymi komórkami

pamięci. Są częścią procesora

i zawierają dane aktualnie w nim

przetwarzane.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

26

Pamięć wewnętrzna

przechowuje dane, które mają być

przetworzone, oraz instrukcje opisujące,
jak mają być przetworzone.

Głównym celem, jaki stoi przed

architektem-projektantem, jest
uzyskanie możliwie szybkiej pojemnej
pamięci wewnętrznej bez
dramatycznego wzrostu jej ceny.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

27

Techniki zwiększenia szybkości
pamięci



przeplatanie (scalenie wielu
niezależnych pamięci w jeden szybszy
system działający jako całość);



zastosowanie pamięci podręcznej (ang.
cache; mała, bardzo szybko dostępna
pamięć przechowująca zawartość
niektórych - często używanych -
komórek pamięci wewnętrznej).

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

28

Techniki zwiększenia efektywnej
pojemności pamięci

pamięć wirtualna

stwarza wrażenie

dysponowania pamięcią wewnętrzną o bardzo

wielkiej pojemności, podczas gdy naprawdę tak nie

jest.

Technika ta polega na przechowywaniu

dużej części zawartości pamięci

wewnętrznej w powolnej pamięci

zewnętrznej, przy czym odpowiednie jej

fragmenty są przenoszone (w sposób

niewidoczny dla działających

programów) do pamięci wewnętrznej

tylko wtedy, gdy są aktualnie potrzebne.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

29

Pamięć zewnętrzna

Najpowolniejsza, najtańsza i najbardziej

pojemną część pamięci całego systemu
komputerowego.

Stanowi magazyn wszystkich danych

i programów.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

30

Typy pamięci zewnętrznej:

o dostępie sekwencyjnym;

Pamięć o dostępie sekwencyjnym (np. taśma

magnetyczna) wymaga przeglądania
zawartości w ustalonej kolejności.

o dostępie bezpośrednim

Dane zapisane w pamięci o dostępie

bezpośrednim (np. na dysku magnetycznym)
mogą być przeglądane w dowolnej
kolejności.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

31

Składowanie i udostępnianie
dużych zbiorów danych



Metody, środki i narzędzia obsługi potrzeb

użytkowników w zakresie dużych zbiorów

danych stanowią bardzo dynamicznie

rozwijającą się problematykę.



Brane są pod uwagę trzy zasadnicze systemy

zapisu informacji:



układy dysków magnetycznych,



systemy dysków optycznych i

magnetooptycznych oraz



taśmy magnetyczne.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

32

Bezpieczeństwo danych

polega na:



ich ochronie przed przypadkowym bądź

umyślnym zniszczeniem, ujawnieniem lub

modyfikacją.

Przez środki bezpieczeństwa w systemach

komputerowych należy rozumieć



zabezpieczenia technologiczne i



środki administracyjne przyjęte dla

zapewnienia ochrony interesów danej

instytucji.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

33

modele pracy
przedsiębiorstw



Informatyczne środki zapisu,
przechowywania i udostępniania
informacji zmieniają modele pracy
przedsiębiorstw. Pozwalają
przechowywać wszystkie dokumenty w
formie elektronicznej, minimalizując
koszty własne. Stają się one
strategicznymi zasobami, pozwalając na
wypełnienie różnorodnych norm jakości
produkcji oraz zarządzania jakością.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

34

Duże pamięci masowe o
dostępie bezpośrednim on-line



uzyskuje się drogą instalacji odpowiedniej

liczby dysków magnetycznych, wyposażonych

w układy podnoszące niezawodność pracy.



Z doświadczeń eksploatacyjnych wynika

jednak, że wykorzystanie pamięci masowych

jednego rodzaju jest niewystarczające.



Dlatego też krytyczne dane powinny być

archiwizowane na nośnikach taśmowych lub

magnetooptycznych, najlepiej w kilku kopiach

i przechowywane w rozproszonych

lokalizacjach.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

35

Kopie bezpieczeństwa (ang.
backup)

W małych systemach komputerowych często

spotykane jest ręczne tworzenie kopii

bezpieczeństwa na pojedynczych taśmach.

Większe instytucje powinny posiadać możliwość

trwałego gromadzenia i zabezpieczenia danych

w sposób automatyczny.

Możliwość taką oferują nowoczesne,

zautomatyzowane systemy pamięci masowych

pracujące z wykorzystaniem napędów

taśmowych albo dysków magnetooptycznych

(jednokrotnego lub wielokrotnego zapisu).

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

36

Trzy podstawowe modele
zarządzania:

We współczesnych systemach zarządzania składowaniem i

udostępnianiem danych implementowane są:

1.

tworzenie i obsługa kopii zapasowych,

2.

archiwizacja

3.

składowanie hierarchiczne.

Większość systemów jednoczy kilka funkcji,

oferując większą elastyczność eksploatacji
oraz pozwalając na geograficzne
rozproszenie zasobów celem podniesienia
poziomu ochrony danych przed
zniszczeniem.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

37

LAB - Czym jest algorytm ?

Algorytm jest zbiorem reguł postępowania,
które w skończonej liczbie kroków

przetwarzają

informację wejściową.

Algorytm zapisany w języku zrozumiałym dla
komputera nosi nazwę programu.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

38

LAB - Kiedy komputer
rozumie algorytm?

Aby komputer zrozumiał algorytm

musi on zaistnieć w postaci listy
rozkazów określających wykonanie
pewnych elementarnych operacji,

które muszą być zapisane w języku

maszynowym (wewnętrznym
komputera).

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

39

LAB - Czym jest bit?



W technice komputerowej stosowane są sygnały
dwustanowe - binarne.



Są to sygnały dyskretne, które przyjmują dwie
wartości 0 lub 1.



Sygnały binarne są niewrażliwe na zakłócenia, co
gwarantuje prawidłowy proces przetwarzania
danych.



Elementarną jednostką informacji jest bit, czyli
cyfra w zapisie dwójkowym.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

40

LAB - Czym jest bajt?



Bajt zawiera 8 bitów i jest najmniejszą
adresowaną
jednostką pamięci komputera.



Jego wielokrotności to
1kB - kilobajt (1024 bajty)
1MB - megabajt
1 GB - gigabajt



Kombinacje 0 i 1 umożliwiają reprezentację
2

8

czyli 256 różnych liczb

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

41

Jak zapisać liczbę 147 w
kodzie dwójkowym?

1*2

7

+ 0*2

6

+ 0*2

5

+ 1*2

4

+ 0*2

3

+ 0*2

2

+ 1*2

1

+

1*2

0

=147

128*1+16*1+2*1+1= 147

128

1

64

0

32

0

16

1

8
0

4
0

2
1

1
1

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

42

Schemat logiczny budowy
komputera

Arytmometr

Jednostka sterująca

Rejestry

Procesor centralny

Pamięć stała ROM

Pamięć operacyjna

RAM

Pamięć
wewnętrzna

Kanał (magistrala)

Monitor

Dysk

Klawiatura

Drukarka

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

43

Organizacja pamięci:
mapowanie (odwzorowywanie)
pamięci



Przed wykonaniem programu jest on wczytywany
w jakieś, z góry nieznane, miejsce w pamięci
fizycznej.



Mapowanie pamięci polega na odwzorowaniu

1.

logicznej przestrzeni adresowej programu (zbioru
adresów instrukcji i danych występujących
w programie)

2.

na fizyczną przestrzeń adresową programu
(aktualne adresy fizyczne komórek pamięci
wewnętrznej, w których program i dane są
zapisane).

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

44

Sposoby mapowania pamięci:

1.

stosowanie rejestrów bazowych

(b-rejestrów).

Do rejestru bazowego programu jest

wpisywany fizyczny adres pierwszej

komórki, od której zaczyna się zapis

programu w pamięci.

2.

stronicowanie

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

45

Rejestry bazowe

Mapowanie polega wówczas na

przetłumaczeniu adresów logicznych
występujących w napisanym programie
na adresy fizyczne przez dodanie do
każdego adresu logicznego wartości b-
rejestru. Oczywiście, wartości rejestrów
bazowych różnych programów muszą
być różne, aby zapobiec zakłócaniu się
programów podczas ich wspólnego
przebywania w pamięci.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

46

Stronicowanie

Podzielenie przestrzeni adresowych

(logicznej i fizycznej) na

jednakowej wielkości fragmenty

zwane stronami.

Mapowanie uzyskuje się przypisując

stronom pamięci logicznej strony

pamięci fizycznej, co można

traktować jako ciąg rejestrów

bazowych.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

47

Procesor komputera -
przetwarzanie

Składa się:



z modułu sterującego, nadzorującego
pracę systemu,



z modułu arytmetyczno-logicznego,
wykonującego przetwarzanie.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

48

Architektura procesora

Określa:

1.

zbiór jego rejestrów,

2.

możliwe sposoby wymiany danych między

rejestrami i pamięcią

3.

zestaw rozkazów (instrukcji), które

procesor potrafi zinterpretować

i wykonać.

Zwykle procesorem steruje

PROGRAM

złożony z kolejnych instrukcji,

znajdujący się w pamięci wewnętrznej.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

49

Procesor - interpretowanie
instrukcji

1.

Jest wykonywane przez odpowiedni układ
dekodujący. Zwykle taki układ jest
skomplikowany i stanowi znaczną część
obwodów procesora.

2.

W celu uproszczenia konstrukcji układów
dekodujących stosuje się mikroprogramy,
co pozwala traktować instrukcje procesora
jak makropolecenia złożone z prostszych
kroków (stanowiących mikrorozkazy, czyli
instrukcje mikroprogramu)

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

50

mikroprogramowanie nie ma nic
wspólnego z mikroprocesorami

instrukcje mikroprogramu dot.

przesyłania danych między:



Rejestrami,



Pamięcią,



Modułem arytmetyczno-
logicznym.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

51

Mikroprocesor

procesorami zintegrowanymi w postaci

pojedynczego układu scalonego

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

52

Urządzenia peryferyjne
i łącza.



Służą one do komunikowania się systemu
z człowiekiem lub innymi urządzeniami (np.
aparaturą pomiarowo-kontrolną czy
robotami przemysłowymi)



Przykłady: drukarka, klawiatura czy
wyświetlacz (monitor).

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

53

2 sposoby przyłączania do
komputera

1.

Kanał

bezpośrednio łączy urządzenie peryferyjne

z pamięcią. Kanał może być
multipleksowany, co umożliwia jego
wspólne wykorzystywanie przez kilka
urządzeń.

2.

Magistrala

jest odmianą multipleksowanego kanału, do

którego można przyłączyć dużą liczbę
urządzeń.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

54

Wydajność – przepustowość
połączenia



Powód:



Wymagany narzut organizacyjno-sterujący

magistrali



jednak dla systemu z wieloma

urządzeniami peryferyjnymi bardziej

wydajnym rozwiązaniem jest zastosowanie

pojedynczej magistrali niż wielu kanałów.









kanał

P

magistrala

P

max

max



PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

55

Programowe wejście-wyjście

Najprostszy sposób organizacji wymiany

danych za pośrednictwem kanałów
i magistral.

Wszystkie dane przechodzą przez

specjalny obszar pamięci obsługiwanej
bezpośrednio przez procesor, zwany
obszarem portów wejścia-wyjścia.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

56

Wejście-wyjście
z bezpośrednim dostępem do
pamięci

Oznacza metodę, w której

procesor nakazuje urządzeniu

przesłanie bloku danych - dane

te są transmitowane do pamięci

(lub z pamięci) bez

absorbowania procesora, który

w tym czasie może wykonywać

inne czynności.

PWSZ Elbląg

Architektura systemów komputer
owych

57

Przerwania

1.

Specjalnymi sygnałami służącymi

urządzeniom peryferyjnym do

informowania procesora, że transmisja

danych została zakończona.

2.

Inną ich rolą jest zgłaszanie procesorowi

chęci przesłania danych przez port wejścia-

wyjścia.

3.

Projekt procesora musi obejmować

rozstrzyganie sytuacji, w której jest

jednocześnie aktywnych wiele urządzeń

peryferyjnych.