Click here to load reader

RAČUNALNIŠKA ARHITEKTURA

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of RAČUNALNIŠKA ARHITEKTURA

Diapozitiv 1RAUNALNIŠKA
ARHITEKTURA
1. Uvod :
1.3 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
1.4 Analogno – digitalno, zvezno diskretno
1.5 8 pomembnih idej v raunalniški arhitekturi (in širše)
1.6 Praktina realizacija raunalnikov
1. Uvod :
1.3 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
1.4 Analogno – digitalno, zvezno diskretno
1.5 8 pomembnih idej v raunalniški arhitekturi (in širše)
1.6 Praktina realizacija raunalnikov
Spletne strani: http://ucilnica.fri.uni-lj.si
Govorilne ure: trenutno etrtek od 16:15 do 17:00 v R2.40
Obasne spremembe bodo pravoasno objavljene na uilnici
Prijava: email ali https://calendly.com/rrozman/govorilne (poskusno)
Raunalniška arhitektura – 1.1 Predmet RA
Ekipa RA
Robert Rozman
Literatura (knjige na voljo tudi v knjinici FRI):
Vsebina predavanj, lab. vaj in prosojnic
http://ucilnica.fri.uni-lj.si
Bi-TIM, 2008
ORGANIZATION, Sixth Edition
Izhodiša :
Vedno dobrodošli
Dobro:
Kahoot! Veliko sem odnesel od kahoota ter RA walla z vprašanji.
Raunalniška arhitektura se obdela na ravno pravem nivoju. Zdi se mi, da ne gremo brez zveze v prevelike
podrobnosti, hkrati pa je program sestavljen tako, da vseeno dobimo zadostno koliino informacij.
Energija predavatelja
Izboljšati, pojasniti:
Ocene STUDISRaunalniška arhitektura – 1.1 Predmet RA
RA - 1 7 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Novosti - posebnosti Covid 2020:
Orodja :
Izhodiša:
sodelovanje, pogovor, vprašanja, komentarji, ...
RA - 1 8 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
E-uilnica : vsebina predmeta RA http://ucilnica.fri.uni-lj.si
https://padlet.com/RRobi/RAWallTedenska vsebina
Kaj boste lahko izvedeli pri predmetu
Raunalniška arhitektura?
Predavanja, vaje
RA - 1 12 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Vsebina predavanj:
RA-1 Uvod
RA-3 Osnovni principi delovanja
RA-7 Merjenje zmogljivosti CPE
Glavni pomnilnik
Vhodno-izhodni sistem
Kontrolna enota
Vsebina laboratorijskih vaj:
Spoznati osnove raunalniške
jeziku
Raunalnik FRI-SMS Mikrokrmilnik AT91SAM9260 iz druine mikrokrmilnikov ARM9
RA - 1 14 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Zakaj RA predmet pomemben ?
1. Zakaj RA, HW ?
RA - 1 16 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
2. Zakaj RA, HW ?
Primer 1: optimizacija programa za hitrejše delovanje ob
upoštevanju delovanja predpomnilnikov
2. Zakaj RA, HW ?
Primer 2: optimizacija programa za hitrejše delovanje ob
upoštevanju vzporednosti delovanja - paralelnosti
Vir: „Pomen poznavanja raunalniške arhitekture“,
avtor Miha Krajnc.
3. Zakaj še zbirnik ?
razume in zna izvajati
„ker se je „vljudno“ nauiti
domaega jezika, kulture …“
Code optimization is important but often overlooked part of a software
project. In this talk we will dive deep and discuss when and why to optimize
code, how to approach optimization and how to design data structures and
algorithms for scalable performance.
software engineer at Dewesoft
and implemented core modules
of Dewesoft application with
particular focus on application
front of competition.
3. Zakaj še zbirnik ?
RA - 1 21 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
4. Zakaj ARM arhitektura?
4. Zakaj ARM arhitektura?
1. Uvod :
1.3 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
1.4 Analogno – digitalno, zvezno diskretno
1.5 8 pomembnih idej v raunalniški arhitekturi (in širše)
1.6 Praktina realizacija raunalnikov
Razvoj in uporaba raunalnikov
aplikacije, ki so bile do nedavna „nemogoe“, so postale
vsakdanje:
Mobilna telefonija
Svetovni splet
sekunde)
Med raunalniki so
v zgradbi so razlike precej manjše
Z vsakim, tudi najenostavnejšim, pa lahko izraunamo vse, kar
se da izraunati (je izraunljivo).
Slabosti ? Prednosti ?
https://www.top500.org/lists/top500/list/2020/06/
10.649.600 procesorjev (jeder)
Poraba energije 15 371 kW (HE Medvode 26 700 kW)
Trenutno najmanjši raunalnik na svetu: ?
+ Nizka poraba
- Manjša zmogljivost
https://www.research.ibm.com/5-in-5/crypto-anchors-and-blockchain/
The university on Thursday said its engineers have produced a computer that's
0.3 mm x 0.3 mm -- it would be dwarfed by a grain of rice. While it drew
comparisons to IBM's own 1mm x 1mm computer, Michigan's team said the
creation is about more than just size.
Mikro - raunalnik FRI-SMS (nekje vmes) Mikrokrmilnik AT91SAM9260 iz druine mikrokrmilnikov ARM9
120 mm
RA - 1 29 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
V današnjem asu se je delitev raunalnikov poenostavila na tri kategorije po funkcionalnosti :
Osebni raunalniki (namizni, tablini, . . .)
Malo zmogljivejši namizni raunalnik na spodnjem nivoju
Superraunalnik s terabajti glavnega pomnilnika in petabajti zunanjega pomnilnika na zgornjem nivoju
Vgrajeni (embedded = vsebovani) raunalniki
Raunalniška arhitektura – 1.2 Raunalniki veraj in danes
RA - 1 30 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Vgrajeni (embedded) raunalniki
Raunalniška arhitektura – 1.2 Raunalniki veraj in danes
TinkerBoard
1. Uvod :
1.3 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
1.4 Analogno – digitalno, zvezno diskretno
1.5 8 pomembnih idej v raunalniški arhitekturi (in širše)
1.6 Praktina realizacija raunalnikov
Osnovni definiciji
„… to, kar vidi programer na nivoju strojnega jezika …“
Def: Organizacija raunalnika (tudi mikroarhitektura) :
obravnava logino zgradbo in lastnosti sestavnih delov raunalnika
in njihovih medsebojnih povezav [Kodek]
„ … je arhitektura posameznih delov …“
Neka arhitektura se lahko realizira z razlinimi vrstami organizacije in
obratno.
Delovanje (digitalnih) raunalnikov
Prej: Raunalniška arhitektura je tudi zgradba raunalnika, kot jo vidi programer, ki programira v strojnem jeziku.
Strojni jezik je jezik, ki ga sestavljajo ukazi, ki jih raunalnik direktno izvaja. Te ukaze imenujemo strojni ukazi.
Strojni ukazi so ukazi, ki so “vgrajeni” v raunalnike. Raunalniki razlinih proizvajalcev lahko imajo razline strojne ukaze.
Raunalnik „razume“ izkljuno strojne ukaze !!!
Raunalniška arhitektura – 1.4 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
RA - 1 34 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Kaj dela raunalnik? (Kako deluje?)
A. Samo izvaja ukaze
B. Razmišlja in ukrepa
Raunalniška arhitektura – 1.4 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
RA - 1 35 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Kaj dela raunalnik? (Kako deluje?)
Izvaja ukaze !
RA - 1 36 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Digitalni raunalnik je stroj za reševanje problemov tako da izvaja
ukaze, ki jih vanj vnašajo ljudje.
Zaporedje ukazov, ki doloajo kako naj stroj izvede doloeno
nalogo, imenujemo program.
samo omejeno število strojnih ukazov, v katere se morajo pred
izvajanjem spremeniti vsi programi.
Raunalniška arhitektura – 1.4 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
RA - 1 37 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Ti osnovni ukazi (strojni ukazi) so zelo enostavni kot npr.:
Seštej dve števili
Kopiraj podatek iz enega dela raunalnikovega pomnilnika v drugi del.
Vsak program, ki je napisan z nekimi druganimi ukazi (npr. z ukazi jezika Java, C++, VisualBasic,…) je zato treba spremeniti (prevesti) v te osnovne ukaze.
Raunalniška arhitektura – 1.4 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
RA - 1 38 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
strojni jezik <-> višjenivojski programski jeziki?
Prenosljivost vs hitrost
Povezava med ronim in strojnim raunanjem
Raunalniška arhitektura – 1.4 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
RA - 1 40 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Rono raunanje
Mogani
Raunalniška arhitektura – 1.4 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
Primerjava modelov raunanja
Zgradba tipinega raunalnika
CPE – Centralna procesna enota
ALE – Aritmetino logina enota
Pomnilnik
RA - 1 44 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Vhodno-izhodni sistem (naprave)
RA - 1 45 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Mikrokrmilnik
Zgradba tipinega manjšega (mikro) raunalnika
Raunalniška arhitektura – 1.4 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
Glavni pomnilnik
Vhodno-izhodni sistem
Kontrolna enota
Zgradba tipinega namiznega raunalnika
Glavni pomnilnik
Vhodno-izhodni sistem
Kontrolna enota
Raunalniška arhitektura – 1.4 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
1 STEV1=64
2 STEV2=16
števil (LAB vaje)
1. Uvod :
1.3 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
1.4 Analogno – digitalno, zvezno diskretno
1.5 8 pomembnih idej v raunalniški arhitekturi (in širše)
1.6 Praktina realizacija raunalnikov
Analogno – Digitalno –
Analogno – Digitalno –
Primer 2: Signal
x (n
x (n
x (n
Analogno raunanje poteka s predstavitvijo števil z neko
drugo fizikalno veliino:
baba 101010 loglog)(log
Primer mnoenja npr. 21 x 52 z logaritminim raunalom:
Raunalniška arhitektura – 1.3 Analogno – digitalno, zvezno diskretno
21 x 52 1090 Oditan rezultat
21 x 52 = 1092 Toen rezultat
21 1090
Z napetostjo Analogni ojaevalec
Z napetostjo Analogni raunalnik
Diskretno raunanje
s kroglicami
RA - 1 60 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Digitalno raunanje
dvojiški številski sistem:
števki 0 in 1
dvojiška števka angl. binary digit = bit
bit = ena od dveh števk (0 ali 1) dvojiškega številskega sistema
digitalni raunalnik temelji na dvojiškem sistemu
Raunalniška arhitektura – 1.3 Analogno – digitalno, zvezno diskretno
RA - 1 61 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
števila predstavimo s konnim številom bitov
Kako lahko predstavite/raunate s številom π v raunalniku ?
Raunalniška arhitektura – 1.3 Analogno – digitalno, zvezno diskretno
RA - 1 62 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
1. Uvod :
1.3 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
1.4 Analogno – digitalno, zvezno diskretno
1.5 8 pomembnih idej v raunalniški arhitekturi (in širše)
1.6 Praktina realizacija raunalnikov
8 pomembnih idej v raunalniški arhitekturi (in širše) [Patt]
1. Moorov zakon
2. Abstrakcija kot poenostavitev
3. Pohitriti pogoste postopke
4. Višja zmogljivost s pomojo paralelizma
Glede na razvoj tehnologije je to edina pot
Raunalniška arhitektura – 1.5 8 pomembnih idej v raunalniški arhitekturi (in širše)
RA - 1 64 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
8 pomembnih idej v raunalniški arhitekturi (in širše) [Patt]
5. Zmogljivost s cevovodnim procesiranjem
Uinkovit, transparenten nain pohitritve delovanja CPE
6. Zmogljivost s predvidevanjem
7. Hierarhini model pomnilnika
8. Zanesljivost z redudanco
Raunalniška arhitektura – 1.5 8 pomembnih idej v raunalniški arhitekturi (in širše)
RA - 1 65 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
1. Uvod :
1.3 Osnove zgradbe in delovanja raunalnikov
1.4 Analogno – digitalno, zvezno diskretno
1.5 8 pomembnih idej v raunalniški arhitekturi (in širše)
1.6 Praktina realizacija raunalnikov
Teoretini model - pogled: logina vrata logini nivoji 0,1
Elektronska realizacija : elektronsko vezje napetostni nivoji ≈0V, ≈3.3 (5) V
Teoretini model <-> Praktina realizacija
A
Fizina zgradba raunalnikov
A Y
signalov
Dve stanji (simbola) 0 in 1 sta predstavljeni z dvema nivojema
elektrine napetosti.
Stanje 1 predstavljeno z visoko napetostjo (do +5V)
Enostavna realizacija s stikalom – primer lui:
Stanje 0 nizka napetost stikalo odprto
Stanje 1 visoka napetost stikalo sklenjeno
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov
RA - 1 69 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Eno stikalo je lahko v dveh stanjih, v stanju 0 ali 1.
Koliina informacije, ki jo eno tako stikalo predstavlja ali hrani, je 1
bit.
Osnovno celico pomnilnika si lahko predstavljamo kot tako stikalo,
ki navzven izkazuje svoje stanje in vanjo lahko shranimo 1 bit
informacije. (0 ali 1)
e elimo shraniti ve informacije, ne samo en bit, potrebujemo
ve celic.
RA - 1 70 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Realizacije stikala v razvoju digitalnih raunalnikov
– razvoj tehnologije
RA - 1 71 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov
Oznaka Ime Vrednost Zapis s potenco (znanstveni zapis)
p piko 0,000 000 000 001 1012
n nano 0,000 000 001 109
µ mikro 0,000 001 106
m mili 0,001 103
K kilo 1 000 103
M mega 1 000 000 106
G giga 1 000 000 000 109
T tera 1 000 000 000 000 1012
Predpone merskih enot
Realizacija stikala kot osnovnega gradnika – povzetek :
Elektromehansko stikalo
Elektronsko stikalo
1955: Tranzistor , as preklopa ~10ns
1958: Integrirano vezje - ip, as preklopa 2-10ns
1980: VLSI integrirana vezja as preklopa < 0.1ns
Very Large Scale Integration
RA - 1 73 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Tranzistor se lahko uporabi kot :
Stikalo
RA - 1 74 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Delovanje tranzistorja kot stikala – izklop - OFF
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov
C - kolektor
B - baza
E - emitor
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov
C - kolektor
B - baza
E - emitor
RA - 1 76 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
A
IC (Integrated Circuit) s 6 negatorji
R - upor
Tranzistor, ki
A1
B1
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
R - upor
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov
Tranzistor kot del integriranega vezja VLSI feature size
npr. 22 nm
Razvoj tranzistorjev v najsodobnejših vezjih:
prehod iz vodoravne (2D) v navpino obliko (3D) -> manjša površina, veja gostota !!!
planarni 2D (vodoravna lega) 3D tranzistor (se širi v višino)
Premer Si atoma je 0.24nm!!!
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov
David A. Patterson, John L. Hennesy:
Computer Organization and Design, Fourth Edition
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov
Postopek izdelave VLSI ipa
David A. Patterson, John L. Hennesy:
Computer Organization and Design, Fourth Edition
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov
Postopek izdelave VLSI ipa
David A. Patterson, John L. Hennesy:
Computer Organization and Design, Fourth Edition
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov
Postopek izdelave VLSI ipa
David A. Patterson, John L. Hennesy:
Computer Organization and Design, Fourth Edition
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov
Postopek izdelave VLSI ipa
David A. Patterson, John L. Hennesy:
Computer Organization and Design, Fourth Edition
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov
Postopek izdelave VLSI ipa
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov
VLSI ip - notranjost
Parameter feature size pri integriranih vezjih v najveji meri doloa
število tranzistorjev na integriranem vezju in tudi njihove lastnosti
Doloa najmanjšo mono velikost kateregakoli objekta na integriranem
vezju
dvema objektoma. Celoten tranzistor je obiajno veji
Število tranzistorjev na ipu je odvisno od površine, ki jo zaseda
tranzistor, zato se število tranzistorjev poveuje s kvadratom
zmanjševanja parametra feature size
RA - 1 87 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov
Intel: The Making of a Chip with 22nm/3D Transistors
(Youtube Video)
problemi sodobnih VLSI tehnologij
hitrost narašanja gostote je vse bolj omejena
dimenzije elementov vedno manjše -> TEAVE
sproša se odvena toplota -> ODVAJANJE, HLAJENJE
manjša odpornost na motnje
RA - 1 89 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Primer 1:
prvi procesor na enem ipu Intel 4004 (leto1971)
2.250 tranzistorjev na plošici 3,2 x 4,2 mm
10 μm proces (feature size 10 μm = 10x10-6 m = 0,00001 m, loveški las ima premer priblino 100 μm)
16 kontaktov
Poraba 1,0 W
RA - 1 90 © 2020, Rozman, Škraba, FRI
Primer 2:
Število transistorjev - Intel tega podatka ne objavlja ve
14 nm proces (14nm = 14x10-9 m = 0,000000014 m)
Velikost ipa - Intel tega podatka ne objavlja ve
4 jedra (4 procesorji, 8 niti), grafini procesor
1155 kontaktov
Raunalniška arhitektura – 1.6 Praktina realizacija raunalnikov

Search related