1. Specyfikacja rozkazu

• składnia (syntax)

• funkcja (operation)

• cechy (atributes)

• opis funkconalny (decscription)

• sposób modyfikacji wskaź. w procesorze (condition codes)

• format kodu (code structure)

Cechy dobrej listy

• łatwo rozszerzalna, przenośna

• uniwersalna

• pozwala na sprawną implementacje narzędzi do programowania „na niskim poziomie”

• dogodnie może wykorzystana przez oprogramowanie wyższego poziomu

• Topografie rozproszonych systemów komputerowych

• przełącznica

• magistrala

• pierścień

• siatka

• gwiazda

• drzewno

• mieszany

• hipersześcian

• Cechy architektury potokowej

• instrukcje wykonujemy na „zakładkę”

• każdy blok arch. proc. jest wykorzystywany w każdym cyklu zegarowym, przetwarzając inne fazy różnych instrukcji

• czas wykonywania wszystkich instrukcji musi być identyczny

• czas wykonywania pojedynczych instrukcji w przetwarzaniu potokowym nie zmniejsza się

• Klasyfikacja FLYNN'a

Klasyfikacja opiera się na rozmiarach strumieni danych i instrukcji

• (a) SISD

• (b) SIMD

• (c) MIMD

• (d) MISD

• Klasyfikacja TRELEAVENA

Klasyfikacja oparta na mechanizmach sterowania oraz wymiany danych w

jednostkach obliczeniowych

Mechanizm sterowania

• przekazywanie danych

• przekazywanie żądania

• poszukiwanie skojarzeń

Mechanizm wymiany danych

• xx

• BENCHMARK

Wzorcowy zestaw operacji wykorzystywanych przez maszynę dla określenia wydajności przetwarzania . Typowa rzeczywista aplikacja w ustalony sposób obciążająca system komputerowy .

Reprezentacja klasy aplikacji

• numeryczne

• graficzne

• kompilatory

• obsługa zapytań do bazy danych

8. SPEC ( System Performance Evaluation Cooperative)

Pozwala ocenić wydajność maszyn i jakość Benchmarków

Znaczenie Benchmarków

Pozwalają ocenić

• wydajność systemów komputerowych opartych o różne archit.

• wpływ zmiany konfiguracji sprzętu na prędkość działania

• wpływ na rozwój metod zwiększania wydajności komputera

9. Prawo MOORea

Co 18 miesięcy podwaja się liczba (zmienia się ilość) tranzystorów w układzie scalonym

Tempo rozwoju technologii VLSI

• liczba tranzystorów w układzie scalonym

• pojemności pamięci

• częstotliwości zegara

• wydatek energetyczny na przełączanie

• wymiar charakterystyczny

• szybkość mikroprocesora

• szybkość super komputera

10. Komputer jako automat

Można potraktować jako automat skończony FSM (finite state machine)

Stan komputera jest superpozycja stanu procesora i stanu pamięci.

Zmiana stanu jest skutkiem wykonania rozkazu przez CPU.

Czas pomiędzy kolejnymi zmianami stanu - cykl.

Cykl pamięci lub rozkazowy - zmiana stanu pamięci

11. Miary wydajności

Czas pracy procesora (CPU)=(liczba taktów * okres zegara)

• lub (CPU)=(liczba taktów/ częstotliwość zegara) wymagany na wykonanie zadanego programu

• liczba taktów procesora (cykli)=(liczba instrukcji * średnia liczba taktów wykonania instrukcji)

• lub (CPI)= (liczba taktów procesora/ liczba instrukcji ) wymaganych na wykonania zadanego programu

CPI - jest miarą wskazującą jakość archit. syst., efektywność listy instrukcji, jakość zastosowanych algorytmów i oprogramowania.

12. Wydajność systemu komputerowego

Cechy konfiguracji sprzętu wpływające na wydajność

• prędkość wykonywania programów

• prędkość wymiany danych

Własności oprogramowania wpływające na wydajność systemu

• złożoność algorytmu

• sposób zarządzania zasobami systemu komputerowego

Czas odpowiedzi

• ile czasu potrzeba na wykonanie zadnia

• po jakim czasie uzyskuje się odpowiedź na zapytanie

• jak długo trzeba czekać aby skorzystać z zasobów systemu

Przepustowość

• liczba zadań wykonywana przez system jednocześnie

• średni czas wykonania zadania

• liczba zadań wykonywanych w jednostce czasu

• Przetwarzanie potokowe

• kompilacja sprzętu

• wprowadzenie „długich” rejestrów pośrednich przekazujących wszystkie informacje dotyczące wykonywanej instrukcji do następnej fazy

• instrukcje wykorzystujące po kolei wszystkie zasoby procesora

• wzrost wydajności odbywa się za cenę uproszczenia zestawu instrukcji

• konsekwencją uproszczenia instrukcji jest łatwiejsza realizacja sterowania

• Przetwarzanie potokowe

[ L ] [ D] [ P ] [ M ]

[ L ] [ D] [ P ] [ M ]

[ L ] [ D] [ P ] [ M ]

15. Przetwarzanie super-skalarne

[ H ] [ H ] [ H ] [ H ]

[ H ] [ H ] [ H ] [ H ]

[ H ] [ H ] [ H ] [ ]

16. Przetwarzanie super-potokowe

[_] [_] [_] [_] [_] [_]

[_] [_] [_] [_] [_] [_]

[_] [_] [_] [_]

[_] [_] [_] [_]

17. Wyrównanie (adresowanie) danych BIG- ENDIAN i LITTLE - ENDIAN

Wyrównanie danych w pamięci

ADRESmod(długość słowa)=0 /dana, rozkaz jest wyrównany

Tryby adresowania

• natychmiastowy

• rejestrowy

• rejestrowy pośredni

• bezpośredni

• pośredni

• z przemieszczeniem

• indeksowy ze skalowaniem

• Projektowanie listy rozkazów

• częstość użycia rozkazów

• częstość użycia trybów adresowania

• koncepcja architektury

• struktura kodu rozkazu

• Pamięć statyczna

• cztero lub sześć-o tranzystorowe komórki

• informacja wprowadzana przez...(przerzutnik)

Sygnały kostki pamięci

-adres

dane

..

20. Pamięć dynamiczna

21. Strategie przydziału

22. Strategia wymiany danych

Pamięć z blokami o stałych rozmiarach

• losowa - przydatna dla programów bazo - danowych

• FIFO - nie uwzględnia intensywności użytkowania

• FINUFO (firstin, notused, firstout) - uwzględnia znaczki używalności

• LRU (last recently used)- wymienia blok najdawniej używany

• Zarządzanie pamięcią

Zasady kopiowania informacji z pamięci masowej do pamięci operacyjnej

STRATEGIA

• pobrania - decyzje o załadowaniu danych do pamięci operacyjnej

• przydziału - reguły i algorytmy wpisywania bloków nie zapełnioną pamięć

• wymiany - reguły usuwania informacji z pamięci operacyjnej

24. STOS

Stos jest zbiorem lokacji funkcjonującym za zasadzie ostatnie na wejściu- pierwszy na wyjściu . Stos znajduje się w znanym położeniu i często przynajmniej jego 2 szczytowe dane znajdują się w rejestrach procesora.

Wskaźnik stosu -(stach pointer) - rejestr procesora, adresuje pamięć o organizacji typu stos, wskazując tzw. wierzchołek stosu, czyli adres ostatnio zapisanych danych

Wykorzystanie STOSU

• do tymczasowego zapisu danych

• przechowywanych w rejestrach

• w fazie wykonywania rozkazu przez mikrokomp.

• Przechowywania danych ... za pomocą notacji przyrostkowej

• Zapis zawartości licznika rozkazów PL

25. Rodzaje rozkazów

Przesyłania danych między komórkami pamięci bez zmiany wartości

• ładowanie LOAD źródłem jest pamięć , miejscem docelowym -rejestr

• zachowanie STORE źródłem jest rejestr, miejscem docelowym pamięć

Operacje AR - LO

Rozgałęzianie - zmiana kolejności progr.

• bezwarunkowe

• warunkowe

• Cechy dobrej listy rozkazów

• łatwo rozszerzalna , przenośna

• uniwersalna

• pozwala na sprawną implementację narzędzi do programowania na „niskim poziomie”

• dogodnie może być wykorzystywana przez oprogramowanie wyższego poziomu

27. Równanie AMDAHL'a (prawo)

Określa stopień zwiększania wydajności systemu komputerowego wynikający

Ze zmiany czasów wykonania operacji skł. Się programu użytkownika

Przyspieszenie = czsa_wykonania / poprawny_czas_wykonania

Nowy_czas_wykonania = ( popr_czas_wyk / przysp + czas_wykon_reszty)

Pwypadkowe=1/(1-n)+n/p

27. Historia komputera

• dodawanie i odejmowanie 1000pne

• suwaki logarytmiczne - mnożenie i dzielenie 17w

• maszyna różnicowo - analityczna, programowanie działań 19wiek

• maszyna Turinga 1937 każdy algorytm jest automatycznie jako skończony ciąg operacji logicznych

• Konrad Zuse -1941 Versuchsmodel 3 elektromechaniczny komputer działający w systemie dwójkowym sterowany programem, 22 bitowe zmiennoprzecinkowe liczby, 2600 przekaźników, prototyp j. Algorytmicznego

• ABC - 1939 prototyp częściowo elektronicznego kalkulatora z pamięcią dynamiczną ale bez programu

• Collosus I, II -1943 Wlk. Brytania całkowicie elektroniczny ( na lampach) rozszyfrowywanie depesz z enigmy

• ENIAC 1943 pierwszy amerykański komputer służący do obliczeń trajektorii lotów pocisków, konstrukcja oparta na dziesiętnym systemie liczenia, program w tablicy krosowej

• EDVAC 1949 komputer z listą instrukcji

• Lata 50,60 arytmetyka komputerów

• Lata 70,80 projektowanie instrukcji dla komp wyższego poziomu

• Lata 90te projektowanie procesorów, rozwiązań wieloprocesorowych, doskonalenie układów we/wy komputerów systemów pamięci

• Generacje komputerów

• I generacja (1951-1960) lampowe, pierwszy IBM seria 700

• II generacja (1956-1964) tranzystorowe z pamięciami ferrytowymi” z klawiaturą i monitorem PDP 1 (1960)

• III generacja (1964-1975) układy scalone w technologii TTL

• IV generacja (1975-+...) technologia MOS układ VLSI , pierwsze mikroprocesory

• Licznik rozkazów

Generuje adres kolejnego rozkazu, adres może nie być kolejnym w sekwencji, gdy wykonano skok lub rozgałęzienie

30. Nowe cechy komputera zaproponowane do zwiększenia wydajności przetwarzania

• Stos programowy - część pamięci o dostępie typu LIFO, upraszcza obsługę (komp) procedur

• Tryby adresowania - metody określania adresu ułatwiają wymianę danych

• Pamięć wirtualna - metoda adresowania organizacji pamięci umożliwiające ominięcie ograniczeń fizycznych rozmiarami pamięci

• Nowe typy danych - liczby zmiennoprzecinkowe , łańcuchy znaków

• MIPS FLOPS

• MIPS ( miliony instrukcji procesora na sekunde) MIPS = (częstotl.zegara)/(CPI*10 do 6)
  nie miarodajne dla porównań prędkości wykonania programów ponieważ

• Maszyny posiadają różne listy instrukcji

• Programy mają różne częstości użycia instrukcji

• MFLOPS miliony instrukcji zmiennoprzecinkowych proc.na sekundę

• Czas odpowiedzi i przepustowość

• Czas odpowiedzi

• Ile czasu potrzeba dla wykonania zadania

• Po jakim czasie

• DMA Direct memory akcesses bezpośrednia wymiana danych bez udziału procesora

• Magistrala zestaw linii połączeń między elementami systemu komputerowego. Wadą jest ograniczoność, tylko żadna ilość urządzeń, opóźnienie przez sprzęt . Prędkość magistrali (czas obsługi wymiany danych, czas dostępu)

• Mikroprogram, realizacja sterowania w postaci sterowania o n bitowych słowach zwanych mikroinstrukcjami które reprezentują wartość lini sterujących mikroprocesor i która jest adresowana przez licznik mikroinstrukcji.
  -W kolejnych cyklach zegara mikroinstrukcje są podawane na wyjscie pamięci zapewniając prawidłową realizację każdej instrukcji.
  -Sekwencje mikroinstrukcji realizujące wszystkie instrukcje procesora nazywa się mikroprogramem.
  -Niektóre mikroinstrukcje mogą być wspólne dla instrukcji mikroprocesora co ogranicza pamięć mikroprogramu a liczba wszystkich mikroinstrukcji może być równa liczbie stanów maszyny stanowej.
  -Mikroprogram musi mieć możliwość zarówno wykorzystywania sekwencyjnego jak i wykonywania skoków bezwarunkowych bezwarunkowych warunkowych wewn.

36. Dostęp do pamięci DRAM

- pobieranie danych z wiersza pamięci - w trybie „burst”

- skrócenie średniego czasu dostępu do danych

- czas odświerzania przypada na odczyt wiersza danych

37. Reguły odwzorowania PAO w pam .podręcznej

-całkowicie skojarzeniowa - dowolna linia w PAO może być skopiowana do pamięci

podręcznej

-z odwzorowaniem bezpośrednim - rozłączane zbiory lini w PAO odwzorowane przez

linie pamięci podręcznej .

-wielodrożna - rozłączne zbiory linii w PAO odwzorowanie przez rozłączone zbiory linii

(bloku) w pamięci podręcznej.

38. Architektura Harwardzka - opracowania przez Aikensa w 1948 rozdzielane rozkazy od

danych (2 obszary adresowania.





39. strategie pobrania

-żądanie pobrania nowych danych

-brak danych w pamięci operacyjnej np. brak strony segmentu

strategie przydziału BF, WF , FF , BB

40. strategie przydziału w toku gospodarowania zasobami pamięci ulega ona fragmentacji

strategia przydzialu zasobów ma min. obszar niewykorzystanej pamięci .

[Pamięć jest przydzielana jest blokami o stałych lub zmiennych rozmiarach]

-BF (bst fit) blok umieszczony w pierwszej „dziurze” o wystarczającym rozmiarze , lista dziur o rosnącym rozmiarze , adresy nie uporządkowane.

-WF (worst fit), blok umieszczony w pierwszej „dziurze” o wystarczającym rozmiarze lista dziur o malejącym rozmiarze , adres nieuporządkowany ,(pozostałe dziury są duze)

-FF (first fit) blok umieszczony w pierwszej „dziurze” o wystarczającym rozmiarze ,adresy uporządkowane rosnąco (kumulując małe dziury)

-BB (binary buddy) blok umieszczony w pierwszej „dziurze” o wystarczającym rozmiarze ,dziury uporządkowane wymiarami ,adresy uporządkowane kolejno.

Co pewien czas dokonuje się defragmentacja stąd istotną cechą strategii przydziału jest łatwość realizacji tego zadania . Obraz pamięci po BF i WF trudny do defragmentacji

41. zarządzanie pamięcią -zasady kopiowania informacji z pamięci masowej do pamięci

operacyjnej

-pobrania -decyzje o załadowaniu danych do pamięci operacyjnej

-przydziału -reguły i algorytmy opisywania bloków nie zapełnionej pamięci

42. zasady lokalności

-czasowa - w zadanym niewielkim odcinku czasu zakresy używanych adresów pamięci przez program jest zwarty i nie wielki np.: wykonywanie pętli programowych.

- przestrzenna - treści i dane programu zajmują zwartą przestrzeń adresową .Program wykonywane są sekwencyjnie z kolejnych komórek pamięci .

43. pamięci o dostępie sekwencyjnym (masowe) (pamieci dyskowe , dyskietki ) pamięć

zorganizowana za pomocą rekordów , dostęp jest możliwy w określonej sekwencji

liniowej . Do oddzielania rekordów i do pomocy przy odczycie są wykorzystywane do

przechowywania informacji adresowych , w rezultacie czas dostępu do różnych rekordów

może się bardzo różnić.

44. pamięci skojarzeniowe - rodzaj dostępu swobodnego , słowo jest wyprowadzane raczej

na podstawie części swojej zawartości niż na podstawie adresu . Każda lokacja ma własny mechanizm adresowania , a czas dostępu jest stały i nie zależny od poprzednich operacji dostępu <pamięci podręczne>

45.

segmentacja pamięci pozwala wielu użytkownikom korzystać z kodu ,np. procesora tekstów mając własne części pamięci wykorzystywane do przechowywania swoich tekstów i konfiguracji programów.

46. tablicowanie - służy do zidentyfikowania miejsc wzajemnie równoważnych

47. -pamięć wirtualna odwzorowuje używane zasoby dyskowe w pamięci operacyjnej.

Mechanizm Pamięci Wirtualnej działa jak „cache” do dysku .

-tłumaczenie adresów Pamięci wirtualnej zamienia adresy wirtualne nieistniejące fizycznie

Zalety pamięci wirtualnej

-pozwala wielu programom dzielić tę samą pamięć fizyczną

-programiści mogą pisać kod korzystając z bardzo dużej przestrzeni adresowej

-mechanizm Pam. Wirtu. dba o właściwą wymianę stron lub segmentów danych na dysk.

-blok pamięci cache => strona lub segmenty

-chybienie cache => brak strony w pamięci operacyjnej lub błąd adresowania

48. wydajność pamięci

-czas dostępu - czas nie zbędny do przeprowadzenia operacji odczytu lub zapisu

-czas cyklu pamięci - czas dostępu + dodatkowy czas 10 następnego dostępu

-prędkość transferu - szybkość z jaką dane mogą być wprowadzane do jednostki pamięci z niej wyprowadzane.

49. Organizacja pamięci - podstawowym elementem jest komórka pamięci

wszytskie komórki mają wspólne cechy

-mają 2 stabilne (lub półstabilne ) stany , które mogą być użyte do reprezentowania 1 i 0

-umożliwiają zapis (przynajmniej jednokrotny )

-umożliwiają odczyt..

50. hierarchia pamięci komputerowych





51. Czas dostępu

-czas który upływa od podania adresu : sygnał odczytu 10 pojawienie się odczytanych danych na magistrali danych pamięci

Vcc






adres 2ⁿ komórek



dane

CS



RD/WR


OE

52. Pamięci Statyczne

- 4 lub 6 -cio tranzystorowe komórki

-Informacja reprezentowana przez stan przerzutnika.

Sygnały kostki pamięci

-Adres 2ⁿ komórek

- dane - rozmiar magistrali danych , bit , bajt ,słowo

CS - wybór , RD - odczyt , WR- zapis , OE - otwarcie bufora we/wy

53. Pamięci dynamiczne

DRAM

-jedno tranzystorowe komórki

-Informacja reprezentowana przez ładunek w kondensatorze

-kondensator ulega rozładowaniu

odświeżanie

Okres odświeżania do kilkunastu ms

w czasie odświeżania pamięć niedostępna.

multipleksowanie adresów

-adres dzielony na adres wiersza i kolumny

-dla dużych pamięci wyróżnione są dodatkowo „banki pamięci”

SDRAM

taktowanie 100MHz ,150MHZ,....

długość słowa = 8 bajtów SDRAM DIMM oznaczane są PC 100 , PC 150

Double Data Rate (DDR ) SDRAM

- Oba zbocza zegara podają dane z pamięci

- Taktowanie 100 MHz , 150 MHz , 200MHz, ...

-przepustowosć 2x zegar x 8B = 1600, 2400,3200 MB/s

- DDR ,SDRAM DIMM oznaczenia wskazują na przepustowość PC1600,

PC 2400 ,PC 3200.

Dostęp do pamięci DRAM

- pobieranie danych z wiersza pamięci - w trybie „burst”

- skrócenie średniego czasu dostępu do danych

- czas odświerzania przypada na odczyt wiersza danych

54. klasyfikacje pamięci





ARCHITEKTURA SYSTEMÓW KOMPUTEROWYCH



pytania i odpowiedzi do egzaminu

Jacek Hrynowiecki

AL

we/wy

CPU

pamięć danych

pamięć programu

adresy

rozkazy

czas dostępu 1 10 100 10 ms 10 sec

10,000,000 10,000,000,000

rozmiar B 100 K M G T

Składnica

danych

(taśmy,

cdrom'y)

Pamięć

masowa

(dyski)

L2 cache

(SRAM)

rejestry

Cache

PAO (DRAM)

sterowanie

procesor

Pamięci

O dostępie swobodnym

O dostępie sekwencyjnym

Skojarzeniowe

Taśmowe

dyskowe

RAM

ROM

SRAM

DRAM

---