Πρόγραμμα Αναβάθμισης Προγράμματος Σπουδών Τμήματος Πληροφορικής Α.Τ.Ε.Ι Θεσσαλονίκης

1. Πρόγραμμα Αναβάθμισης Προγράμματος Σπουδών Τμήματος Πληροφορικής Α.Τ.Ε.Ι Θεσσαλονίκης Μάθημα Οργάνωση και Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεφαλαίο Πρώτο Βασικές αρχές Αρχιτεκτονικής Μέρος: Πρώτο Καθηγητής: Α. Βαφειάδης 2009

2. Περιεχόμενα Κεφ 1. • Οργάνωση VS (εναντίον) Αρχιτεκτονικής • Κατηγοριοποίηση των Αρχιτεκτονικών • Βασική δομή και ενέργειες υπολογιστή • Γλώσσα Μηχανής • Κύκλος απόκτησης εκτέλεσης εντολών • Διακοπές(interrupts) • Χρονισμόςψηφιακών κυκλωμάτων • Διαγράμματα χρόνου

3. Οργάνωση εναντίον Αρχιτεκτονικής Άποψη των Robert Baron καιLee Higbie Δεν υπάρχει διάκριση μεταξύοργάνωσης, αρχιτεκτονικής. «Αρχιτεκτονική είναι ο σχεδιασμός των υπολογιστών, ο οποίος περιλαμβάνει: το σύνολο εντολών γλώσσας μηχανής (instruction set), τις μονάδες του υλικού και την οργάνωση του συστήματος». Υπάρχουν δύο βασικά τμήματα • Instruction Set Architecture • Hardware-System Architecture

4. Οργάνωση εναντίον Αρχιτεκτονικής Άποψη William Stalling Αρχιτεκτονική (Όσα γίνονται αντιληπτά από τον χρήστη) • Η δομή των εντολών γλώσσας μηχανής • Το μήκος μιας θέσης μνήμης • Το μέγιστο μήκος της φυσικής μνήμης • Η μέθοδος παράστασης των δεδομένων • Οι τεχνικές υπολογισμού της τελικής διεύθυνσης • Οι τεχνικές εισόδου-εξόδου (I/O) Οργάνωση (Όσα δεν γίνονται αντιληπτά από τον χρήστη) • τα σήματα ελέγχου • οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται • η υλοποίηση των μονάδων

5. Οργάνωση εναντίον Αρχιτεκτονικής Άποψη William Stalling – Παραδείγματα Αριθμοί κινητής υποδιαστολής Η παράσταση (πρόσημο, 8 bits exponent, 23 mantissa ) είναι αρχιτεκτονικό χαρακτηριστικό (ορατό στο χρήστη) Η υλοποίηση μπορεί να γίνει είτε από την ALU είτε από την FPU και είναι θέμα οργάνωσης (αόρατο στο χρήστη) Υπολογιστές με Ίδιο λειτουργικό σύστημα(ορατό στο χρήστη) Διαφορετικό hardware (αόρατο στο χρήστη)

6. Οργάνωση εναντίον Αρχιτεκτονικής Άποψη J. Hennessy καιD. Patterson Η οργάνωση είναι μέρος της Αρχιτεκτονικής Ορατό τμήμα της Αρχιτεκτονικής • Instruction set architecture Αόρατο τμήμα της Αρχιτεκτονικής • Υλοποίηση Οργάνωση Σχεδιασμός μνήμης Δομή διαδρόμων Δομή CPU Hardware ((

7. Οργάνωση εναντίον Αρχιτεκτονικής Παραδείγματα SUN SPARCstation 2 και SPARCstation 20 έχουν το ίδιο σύνολο εντολών γλώσσας μηχανής ίδιο hardware, αλλά διαφορετική οργάνωση σειρά SGI Indico ίδιο σύνολο γλώσσας μηχανής ίδια οργάνωση αλλά υλοποιούνται από διαφορετικό hardware

8. Ιστορία των Υπολογιστών και τις Αρχιτεκτονικής τους • http://www.elsop.com/wrc/h_comput.htm • http://www.computerhistory.org/ • http://www.cs.wisc.edu/arch/www/

9. Βασικές Αρχές Υπολογιστή J. Von Neumann • Ύπαρξη τριών βασικών συστημάτων • Επεξεργασίας (ΚΜΕ) • Εισόδου εξόδου (Ι/Ο) • Κεντρικής Μνήμης (KM) • Πρόγραμμα και δεδομένα αποθηκεύονται στη μνήμη • Το σύστημα Ι/Ο μεταφέρει πληροφορίες από και προς τη KM και τη ΚΜΕ • Η ΚΜΕ αποτελείται από τα υποσυστήματα: • Μονάδα ελέγχου • Μονάδα αριθμητικής και λογικής • Απαριθμητή εντολών • Σύνολο των καταχωρητών.

10. Ο υπολογιστής Princeton Institute of Advance Studies ή IAS Μήκος μίας θέσης μνήμης 40 bits Μνήμης σε θέσεις = 1000 Κάθε θέση μνήμης 2 εντολές Γλ. Μηχανής Κωδικός εντολής 8bits Μήκος διεύθυνσης 12 bits

11. Princeton Institute of Advance Studies Computer

12. Βασικοί καταχωρητές του IAS • Program Counter (PC):Περιέχει την διεύθυνση του επόμενου ζεύγουςεντολών που πρόκειται να εκτελεστεί. • Memory Address Register (MAR): Περιέχει την διεύθυνση (12 bits) της θέσης της μνήμης την οποία πρόκειται να γράψουμε η να διαβάσουμε. • Memory Buffer Register (MBR):Περιέχει το περιεχόμενο μιας θέσης μνήμης (40 bits) την οποία πρόκειται να γράψουμε ή να διαβάσουμε και τις οποίας η διεύθυνση βρίσκεται στον MAR. • Instruction Register (IR):Περιέχει τον κωδικό (8 Bits) της εντολής που πρόκειται να εκτελεστεί. • Instruction Buffer Register (IBR):Περιέχει προσωρινά την εντολή, η οποία βρίσκεται στο δεξιό μέρος μιας θέσης μνήμη. (o IBR δεν υπάρχει στις σύγχρονες αρχιτεκτονικές)

13. Καταχωρητές Εργασίας • συσσωρευτής (accumulator) (40 bits) O accumulator περιέχει προσωρινά παράγοντες (δεδομένα ή αποτελέσματα) που θα χρειαστεί η ALU ή αποτελέσματα που θα παραχθούναπό αυτή • επέκταση του συσσωρευτή (extended accumulator). Ο δεύτερος αυτός καταχωρητής ονομάζεται και Multiplier-quotient. και έχει μήκος 80 bits O extended accumulator χρησιμεύει για την προσωρινή αποθήκευση του δεξιού μέρους του αποτελέσματος του πολλαπλασιασμού ο οποίος ενώ έχει παράγοντές μήκους 40 bits παράγει αποτελέσματα μήκους 80 bits.

14. Ο κύκλος απόκτησης – εκτέλεσης του IAS • Κύκλος απόκτησης • Πραγματοποιείται κύκλος μνήμης για την απόκτηση της θέσης μνήμης που περιέχει ένα ζευγάρι εντολών. • Η αριστερή εντολή μεταφέρεται στον αποκωδικοποιητή εντολών • Η δεξιά εντολή μεταφέρεται στον IBR • Ο PC αυξάνεται κατά 1. • Κύκλος εκτέλεσης • Ο αποκωδικοποιητής μεταφέρει τον κωδικό της αριστερής εντολής στον IR και την διεύθυνση στον MAR. • H αριστερή εντολή εκτελείται • To περιεχόμενο του IBR μεταφέρεται στον αποκωδικοποιητή • Ο αποκωδικοποιητής μεταφέρει τον κωδικό της δεξιάς εντολής στον IR και την διεύθυνση στον MAR. • Η δεξιά εντολή εκτελείται.

15. Ο IAS είχε 21 εντολές γλώσσας μηχανής που ανήκουν στις παρακάτω κατηγορίες: • Αριθμητικές (8) • Μεταφορές δεδομένων (7) • Αλλαγής ροής χωρίς συνθήκη (2) • Αλλαγής ροής υπό συνθήκη (2) • Τροποποίησης διεύθυνσης (2)

16. Εναλλακτικές Αρχιτεκτονικές (Flynn 1966) Single Instruction stream Single Data stream (SISD)

17. Εναλλακτικές Αρχιτεκτονικές (Flynn 1966) Single Instruction stream Multiple Data stream (SIMD)

18. Εναλλακτικές Αρχιτεκτονικές (Flynn 1966) Multiple Instructions stream Single Data stream (MISD)

19. Εναλλακτικές Αρχιτεκτονικές (Flynn 1966) Multiple Instructions stream Multiple Data stream (MIMD)

20. Processor Organization

21. Symmetric Multiprocessor System (SMP) From Stallings

22. SMP-IBM S/390 From Stallings

23. Cluster From Stallings

24. Mia άλλη άποψη για τα cluster From Stallings

25. Μονάδες Τυπικού Υπολογιστή

26. Καταχωρητές μη προσπελάσιμοι από τον χρήστη • Program counter(PC) • Memory Address Register (ΜΑR) • Memory Buffer Register (MBR) • Instruction Register (IR) • I/O address Register • I/O buffer Register • Status register • Stack register • Segment registers

27. Καταχώρησες προσπελάσιμοι από το χρήστη Καταχωρητες εργασίας • Συσσωρευτές • Επεκτάσεις συσσωρευτών • Καταχωτητές δείκτη

28. Μονάδα Ελέγχου Η μονάδα ελέγχου αποτελεί την καρδιά της ΚΜΕ. και: • εκτελεί τον κύκλο απόκτησης-εκτέλεσης • αποκωδικοποιεί την εντολή • την αναλύει σε σήματα ελέγχου, τα οποία απευθύνονται σε κάθε μονάδα ή σύστημα διασύνδεσης των μονάδων, τα οποία συμμετέχουν στην πραγματοποίηση της εντολής.

29. Παραγωγή ΣημάτωνMicro programmed Organization Instruction Register Sequencing Logic Control Address Register ALU Flags Control Memory Control Buffer Register Control Logic Control Signals

30. Παραγωγή Σημάτων Hardwired Implementation