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
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
38
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
39
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
40
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
41
Procesor komputera -
przetwarzanie
Składa się:
z modułu sterującego, nadzorującego
pracę systemu,
z modułu arytmetyczno-logicznego,
wykonującego przetwarzanie.
PWSZ Elbląg
Architektura systemów komputer
owych
42
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
43
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
44
mikroprogramowanie nie ma nic
wspólnego z mikroprocesorami
instrukcje mikroprogramu dot.
przesyłania danych między:
Rejestrami,
Pamięcią,
Modułem arytmetyczno-
logicznym.
PWSZ Elbląg
Architektura systemów komputer
owych
45
Mikroprocesor
procesorami zintegrowanymi w postaci
pojedynczego układu scalonego
PWSZ Elbląg
Architektura systemów komputer
owych
46
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
47
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
48
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
49
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
50
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
51
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.