Računarstvo i informatika III

RS03 Sastav računarskog sistema - 1 Matematička gimnazija Beograd

Računarstvo i informatika III

Lekcija 3 – Sastav računarskog sistema


Šta ćemo učiti

° Šta je u kompjuteru

° Sastav jednostavnog mikroračunarskog sistema

° CPU

° Memorija

° Ulaz, izlaz i spoljašnje memorije

° Poboljšanja arhitekture

U ovoj lekciji...U ovoj lekciji...


RAČUNARSKI SISTEMI

° Šta podrazumevamo pod računarskim sistemom?

° Konfiguracija• sastav hardvera – komponenete, OD ČEGA je napravljen

° Arhitektura• osobine značajne za programiranje (mašinski jezik, broj i namena registara u

procesoru, komunikacija procesora sa drugim uređajima sistema,...) - ŠTA može sistem da radi

° Organizacija • KAKO su mogućnosti realizovane • Familiju računara čine računari iste arhitekture, a razlićite organizacije, konfiguracije.

Iza oznake familije računara obično se nalazi oznaka modela računara. Modeli=računari iste arhitekture i organizacije, npr. IBM 360/44, PC AT,…


Karakteristike Fon Nojmanove arhitekture

° 1. Kompjuter se sastoji od 4 osnovna podsistema• 1.1 Memorije• 1.2 Ulaza-izlaza• 1.3 Aritmetičko-logičkog organa (ALU)• 1.4 Upravljačkog organa (Control Unit - CU)


Modularni mikroračunari

° Sistem = moduli povezani sistemskom magistralom• Sistemska magistrala (system bus) - prenosi informacije između modula• Interna magistrala - Prenosi informacije unutar modula

° Prednosti• standardni moduli povezani u formu kompjutera• Raspoloživ velik broj tipova modula• Kompjuter se lako može prilagoditi zahtevima aplikacije

° Standardizovane sistemske magistrale• Svi proizvođači drže se propisanih standarda • Standarde za sistemske magistrale obično propisuju industrijski komiteti


CLOCKCLOCK

MAGISTRALA

CPU• Kontrolna jedinica

• ALU jedinica+ Math (co.p), MMX,…

PRIMARY/MAIN MEMORY• ROM (sadrži BIOS)• RAM (nestalna)

SPOLJAŠNJA MEMORIJA• Magnetski Hard Disk• Floppy Disk• Optički Disk (CD-…)• Magnetna Traka

Ulaz Miš• Tastatura• Touch Screen• Skener• ...

Izlazni uredjaji• Monitor• Zvučnik• Štampač• ...

ISA, EISA, [MCA], PCMCIA, PCI, ...

kontroler IDE, SCSI, ...

Komunikaciona Oprema• FAX/Modem/• Mrežna oprema

LAN Phone Line

Hardverske komponente računarskog sistema


Pogled iznutra


Pogled na PC matičnu ploču


Uprošćena struktura centralnog procesora

Sistemska magistrala

Adrese Podaci Kontrola

Obradnajedinica

Registri

Upravljačkajedinica

CPU


Procesorski čip


Struktura Pentium 4 procesora


Organizacija centralnog procesora - CPU

° Upravljačka jedinica (Control Unit, CU)• upravlja tokom izvršavanja naredbi programa i • usklađuje rad svih delova računara

° Obradna jedinica (Arithmetic-Logic Unit, ALU)• sadrži elektronska kola koja mogu da realizuju sve mašinske naredbe

(instrukcije) obrade konkretnog računara

° Registri • Interna memorija centralnog procesora• Sadržaj registra naziva se “reč” (word)• Veličina reči = broj bitova koji mogu istovremno da se pocesiraju


MIKROPROCESORI

° Mikroprocesor je čip koji sadrži CPU, kao i malu količinu memorije koja se koristi za specijalne namene.

° mogu da se programiraju,

° imaju internu memoriju i/ili registar statusa,

° sposobni su da pristupaju memoriji i

° urađeni su u visokointegrisanoj tehnologiji• Tehnologija proizvodnje definiše osnovne tehničke karakteristike:

- vrsta kućišta, broj izvoda, snaga napajanja, temperaturni opseg, pouzdanost...


Trendovi u razvoju mikroprocesora

° Stalni zahtev za povećanje brzine mikroprocesora

° Debljina silicijumskih ploča ima tehnološka ograničenja (ispod odredjene debljine, silicijumske ploče postaju krte i neupotrebljive)

° Inače, poluprovodnički čipovi se ne koriste SAMO za izgradnju procesora, već se koriste i u telekomunikacionim uređajima, perifernim uređajima računara, poluprovodničkim memorijama,...


Memorija računara

° Čuva programe i podatke

° Deli se na unutrašnju i spoljašnju.

° Unutrašnju čini glavna memorija (računara), registri procesora, keš memorija procesora.

° Spoljašnja memorija sadrži programe i podatke koji se ne koriste aktivno u određenom trenutku.

• Za razliku od unutrašnje memorije, njen sadržaj je stalan, jer se ne gubi prestankom električnog napajanja. Spoljašnja memorija je dosta sporija od unutrašnje, ali ima i veći kapacitet. Čine je različite vrste memorijskih MEDIJUMA (magnetni diskovi, optički diskovi,...) na kojima se smeštaju podaci i uređaji (jedinice magnetnih diskova, jedinice magnetnih traka,...) koji upisuju podatke na medijum ili čitaju podatke sa medijuma i komuniciraju sa procesorom.

° Efikasnost upotrebe računarskog sistema u velikoj meri zavisi i od načina organizacije podataka na spoljašnjoj memoriji.


Spoljašnja memorija - Operativna memorija

Operativna memorija• privremena• brza• Omogućava procesiranje

Spoljašnja memorija– permanentna– spora– Samo read/write


TIPOVI POLUPROVODNIČKIH MEMORIJA

° ROM=Read Only Memory, PROM=Programmable ROM, EPROM=Erasable PROM, EEPROM=Electrically Erasable PROM, RAM=Random Access Memory

Tip memorije Kategorija Brisanje Način upisa

ROM ReadOnly nemoguće maska

PROM ReadOnly nemoguće električno

EPROM Upis, ali najčešće za čitanje

UV zraci, ceo čip

električno

EEPROM --||-- električno, na nivou bajta

električno

Flash --||-- električno, na nivou bloka

električno

RAM ReadWrite električno, na nivou bajta

električno


Karakteristike memorije

° Značajne karakteristike memorije su: stalnost zapisa, fizički tip medijuma, kapacitet, jedinica prenosa, cena, mogući način pristupa, performanse i mogućnost promene sadržaja.

STALNOST ZAPISA-Memorije sa stalnim i memorije sa privremenim zapisom

FIZIČKI TIP MEDIJUMA- Poluprovodničke memorije (najviše su u upotrebi; napravljene u LSI ili VLSI

tehnologiji)- Memorije sa magnetnom površinom (diskovi, trake,...)- Memorije koje koriste optičku tehnologiju (CD-ROM, DVD,...)



KAPACITET količina informacija koju memorija može da sadrži. Obično se izražava u bajtovima tj.

KB, MB, GB, TB. Za razliku od međunarodnog MKS sistema mera u računarstvu važi da 1K=1024

JEDINICA PRENOSA (MU) Kod interne memorije, MU je broj bitova koji mogu istovremeno da se pročitaju iz

memorije ili upišu u memoriju. Kod spoljašnje memorije, MU je blok koji sadrži od nekoliko KB do nekoliko MB podataka.

ADRESIVOST predstavlja svojstvo memorije da joj se može pristupiti preko adrese. Memorije mogu

biti

- adresive (ako se pomoću adrese može pristupiti jednom bajtu ili jednoj reči, npr. operativne memorije su po pravilu adresive.)

- poluadresive (ako se pomoću adrese može pristupiti grupi bajtova većoj od reči, npr. diskovi)

- neadresive (ako se pomoću adrese ne može prići sadržaju memorije, npr. spoljne memorije)

- Ova podela važi za sve tipove memorija, sem manjeg broja internih registara procesora kod kojih je moguće pristupiti jednom bitu.



NAČIN PRISTUPA

1. Sekvencijalni pristup podaci smešteni u slogove, upisuju se u redosledu unosa, ćitaju u redosledu upisa ili

obratno, vreme pristupa proizvoljnom slogu je relativno veliko; npr. magnetna traka

2. (Polu)direktan pristup podaci smešteni u slogove, a na osnovu adrese se direktno pristupa lokaciji gde je slog

smešten ili nekoj okolini; npr. magnetni disk

3. Slučajni (direktan) pristup svaka adresibilna lokacija poseduje adresni mehanizam ugrađen u memorijski sklop, te

je vreme pristupa svakoj lokaciji konstantano, npr. glavna memorija računara

4. Asocijativni pristup omogućeno je poređenje između posebne maske i vrednosti određenih pozicija bitova u

reči, te se iz takve memorije reč čita na osnovu sadržaja; npr. keš memorija



PERFORMANSEVreme pristupa se meri u ns za memorije sa slučajnim pristupom, a u ms za ostale.

Kod memorija sa slučajnim pristupom meri se vreme koje protekne od trenutka obraćanja memoriji preko adrese lokacije do trenutka kada podaci bivaju upisani ili pročitani.

Za ostale tipove memorija meri se vreme koje je potrebno za pozicioniranje upisno-čitajućeg mehanizma na želejnu lokaciju.

MOGUĆNOST PROMENE SADRŽAJA 1. Upisnočitajuće memorije (ReadWrite) su one kojima se može izmeniti tekući sadržaj.

2. Samočitajuće memorije (ReadOnly) su memorije čiji sadržaj ne može da se izmeni (sem možda fizičkim uništenjem memorijskog medijuma).


Hijerarhija memorije

° Kroz istoriju su se koristile različite tehnologije za proizvodnju memorije, ali je ostajala stalna veza između TRI karaktersitika memorije (cene, kapaciteta, vremena pristupa) koja se odlikuje sledećim svojstvima

1. Što je kraće vreme pristupa memoriji, cene memorije je veća

2. Memorije većeg kapaciteta imaju duže vreme pristupa od memorija kraćeg kapaciteta

3. Što je kapacitet memorije veći, cena po bitu je niža

4. Svaka nova tehnologija donosi sniženje cena po bitu memorije uz očuvanja prethodna tri svojstva


HIJERAHIJA MEMORIJA

HIJERAHIJA MEMORIJA (od vrha ka dnu smanjuje se cena bita memorije, povećava kapacitet, povećava vreme pristupe, opada učestalost pristupa memoriji od strane centralnog procesora)

° Registri

° Keš

° Glavna memorija

° Magnetni disk

° CD ROM

° Disketa

° Magnetna traka


Memorija

PRIMARNA / MAIN: – svim kompjuterima su potrebne obe

• ROM (Read Only Memory) – permanentna, trajno čuva informacije- ‘firmware za startup & I/O rutine

• RAM (Random Access Memory), DRAM, SRAM, ...- Čuva vrednosti internih pormenljivih - Omogućava read/write operacije brzinom koja se meri

nanosekundama- Kapacitet se meri u MB- Nije permanentna (gubi sadržaj kad se isključi napajanje)

SEKUNDARNA:Npr. trake (sekvencijalni pristup), Disk (poludirektan pristup), Flash

• Brzina se meri u ms• Kapacitet se meri u GB• permanentne, memorije koje dugotrajno čuvaju informacije• Fiksni ili promenljivi memorijski medijum • interna ili eksterna

1995=$100/Mb.

2002~$0.25/Mb.


Periferni uređaji: ulaz/Izlaz i spoljašnje memorije

° Primeri:• Tastatura (ulaz)• Ekran (izlaz)• Hard disk (ulaz/izlaz)• Flopi (ulaz/izlaz)• Traka (ulaz/izlaz)• Modem (ulaz/izlaz)


Ulaz/Izlaz i spoljašnje memorije

° Vrlo sporo u poređenju sa pristupom memoriji• Memorija: npr. 10 nsec (SDRAM PC100)• Disk: npr. 10 msec (= 1000000*10 nsec)• Vreme traženja (Seek tim)e: vreme potrebno za postavljanje glave na stazu

- što manje, to bolje- Meri se u ms, manje od 10ms, a za brze uređaje ~ 7.5 ms

• Latencija (Latency): vreme potrebno za pronalaženje sektora- U proseku 1/2 vremena obrtaja ~ 8.33 ms pri brzini 3.600 o/min. - Disk koji rotira dvostruko brže ima dvostruko manju latenciju.

• Prosečno vreme pristupa = vreme traženja + latencija• Vreme prenosa (Transfer time): vreme potrebno za read/write sektora

- Zavisi od tipa kontrolera. (Brzina kod EIDE 11.1 - 16.6 MB/s, kod novijih ULTRA DMA EIDE 33.6 MB/s, kod SCSI 10-40 MB/s)


° Memorije sa sekvencijalnim pristupom (trake)• Nisu adresive• Sekvencijalni pristup zasnovan na sadržaju (kao kod audio kaseta)

° Razlika između brzine memorije/procesora i I/O uređaja je ogromna

U/I kontroleri se koriste da vrše ove spore poslove

Ulaz/Izlaz i spoljašnje memorije


Poboljšanja arhitekture

° Balansiranje sistema za postizanje boljih performansi• Sistemski parametri• Procesor• Memorijski sistem• Ulazno/Izlazni sistem

Brži kompjuteri


Procesor

° Glavni faktori koji ograničavaju brzinu procesora1. Potreba za interakcijom sa OM koja je višestruko sporija od procesora

- Instrukcije programa i podaci čuvaju se u OM- Instrukcije i podatke treba donositi u procesor (registre) onim redom kojim se

se izvršavaju i koriste- Obično procesori nemaju dovoljno registara i zato se ne može izbeći veliki

memorijski saobraćaj

2. Nedostatak hardverskih resursa u samom procesoru- Nedostatak procesorskih registara prouzrokuje veliki memorijski saobraćaj- Nedostatak veza među komponentama procesora (zasebnih busova)

ograničava njegovu brzinu- Nedostatak funkcionalnih blokova i njihovih veza ograničava brzinu

Brži kompjuteri


Interakcija sa memorijom

° Ako procesor ima samo jedan registar (Instruction Register IR) u koji se dovode instrukcije

• U jednom trenutku samo jedna instrukcija može da bude doneta u CPU na izvršavanje• Nije moguće konkurentno izvršavati više od jedne instrukcije

° Ako procesor ima samo jedan registar (Data Register) za čuvanje podataka

• Nedostatak registara za čuvanje međurezultata• Posle izvršenja svake instrukcije rezultat se mora odlagati u OM, čak i onda kada bi

mogao da se iskoristi kao argument u sledećoj instrukciji

Poboljšanje arhitekture


Procesor

° Više hardverskih resursa sa istom funkcijom• 1 > registara instrukcija (za konkurentno izvršavanje instrukcija)• 1 > registara podataka (za smanjenje memorijskog saobraćaja)• 1 > sabirača za paralelno sabiranje

- Jedan za izračunavanje memorijskih adresa i drugi za sabiranje podataka

° Više hardverskih resursa sa različitim funkcijama• 1 > različitih funkcija može da se izvršava konkurentno

- sabiranje, logičke operacije, množenje, deljenje,…- 1 > različitih vrsta informacija može biti upamćeno u CPU istovremeno

° Podela hardverskih resursa u podblokove koji mogu da rade nezavisno i paralelno

• 1 > instrukcija može da izvršava konkurentno u različitim fazama• 1 > računanja može da izvršava konkurentno u različitim fazama

° Obezbeđivanje više različitih puteva kroz procesor• Informacije kroz procesor mogu da se prenose alternativnim putevima• Omogućava konkurentne operacije

Ubrzavanje procesora


Memorijski sistem

° Brzina OM je značajno sporija od brzine CPU• Usporava CPU• Usporava kompletan računarski sistem

° Kapacitet OM često nije dovoljan

• Povećava saobraćaj između OM i spoljašnjih memorija• Dodatno usporava računarski sistem



Brzina glavne memorije

° Više memorije u CPU• Veći broj specijalizovanih i registara opšte namene

° Keš• Brza memorija malog kapaciteta smeštena između CPU i OM (obično brzine

kompatiblne sa CPU)• Uvek kada se informacije (instrukcije ili podaci) koji su neophodni za izvršavanje

programa pronađu u kešu, donose se procesoru značajno brže nego da su morali da se prenose iz OM

• Neophodna je neka vrsta predviđanja

° Više memorijskih banki• Memorijskim bankama može da se pristupa istovremeno• Podaci su raspoređeni po memorijskim bankama tako se bankama pristupa

sekvencijalno

Ubrzavanje memorijeUbrzavanje memorije


Više memorijskih banki

Memory timingMemory Cycle

Više memorijskih banki

Send Address andR control signal to M

Access M Send data read from M to CPU

M0 M1 M2

Multiplexer

CPUMemory Cycle time

Ubrzanje memorijeUbrzanje memorije

M0 M1 M2

Multiplexer

CPU


Ulazno/Izlazni sistem

° Ulaz i izlaz su najsporiji procesi u računarskom sistemu• U najjednostavnijim sistemima, CPU čeka dok spori I/O uređaji ne kompletiraju

operaciju • Troši se mnogo procesorskog vremena

° Napredni sistemi• I/O sistem realizuje I/O operacije autonomno, dok CPU vrši drugi produktivan posao

koji ne zavisi od te I/O informacije• I/O sistem treba da ima nešto veće mogućnosti (kontoleri ili I/O procesori)



Pitanja i zadaci

1. Šta podrazumevamo pod mikroračunarskim sistemom?

2. Definišite konfiguraciju, arhitekturu i organizaciju računarskog sistema.

3. Koje komponenete imaju Fon Nojmanove mašine?

4. Koje su osnovne komponenete u konfiguraciji modularnih MRS?

5. Koje su osnovne hardware-ske komponente MRS?

6. Koje su osnovne komponente CPU?

7. Kako se mogu unprediti performanse kompjutera?

8. U kom pravcu se vrše poboljšanja tehnologije proizvodnje kompjuterskih komponenti i kakva ograničenja postoje?

9. Kako se može unaprediti organizacija računarskih sistema?

10. Šta podrazumevamo pod balansiranjem računarskih sistema za postizanje boljih performansi?


Pitanja i zadaci

11. Kakve memorije sadrže MRS?

12. Navedite osnovne karakeristike memomorija

13. Navedite hijerarhiju memorija koja odražava vezu između cene, kapaciteta, pristupa. Koje svojstva važe među parametrima te veze?

14. Koji faktori ograničavaju brzinu procesora?

15. Kako se može izvršiti ubrzavanje procesora?

16. Kako se može ubrzati operativna memorija?

17. Objasnite prednosti korišćenja više memorijskih banki.

18. Kako može biti organizovan Ulazno/Izlazni sistem?

19. Koje poslove obavljaju kontroleri perifernih uređaja i U/I procesori?


Pogled unapred

Mikroračunarski sistemi

Modul 1: Uvod u mikroračunarske sisteme

Modul 2: Pravci razvoja

Module 6:Periferni uređaji

Modul 5:UI magistrale

Modul 4:Karakteristike izrade

mikroprocesora, mikročipovi

Modul 3:Sastav, hw resursi

Documents

Računarstvo i informatika III