01 Uvod
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

01 Uvod

on

  • 5,641 views

 

Statistics

Views

Total Views
5,641
Views on SlideShare
5,633
Embed Views
8

Actions

Likes
1
Downloads
91
Comments
0

1 Embed 8

http://www.slideshare.net 8

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Microsoft PowerPoint

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

01 Uvod 01 Uvod Presentation Transcript

  • Uvod u arhitekturu računara ( Arhitektura računara ) UVOD U ORGANIZACIJU (I ARHITEKTURU) RAČUNARA
  • Rukovodilac predmeta i z OAR u 200 8 / 9
    • Doc.dr Radomir Janković, dipl.inž.el.
    • E-mail: rjankovic @ raf.edu.yu
  • Arhitektura i organizacija računara
    • Arhitektura računara su oni njegovi atributi koji su vidljivi programeru
      • Skup instrukcija, broj bitova koji se koristi za predstavljanje podataka, mehanizmi U/I, tehnike adresiranja.
      • Primer: da li postoji instrukcija za množenje?
    • Organizacija računara je način kako se implemetiraju ta svojstva
      • Upravljački signali, interfejsi, tehnologija memorije.
      • Primer: Da li postoji hardverski množač ili se to izvodi pomoću ponavljanog sabiranja?
    View slide
  • Arhitektura i organizacija računara
    • Celokupna porodica Intel x86 deli istu osnovnu arhitekturu
    • Porodica IBM System/370 deli istu osnovnu arhitekturu
    • To sobom donosi kompatibilnost koda
      • U najmanju ruku unazad
    • Organizacija se razlikuje između različitih verzija
    View slide
  • Struktura i funkcija računara
    • Struktura je način na koji su komponente u međusobnom odnosu
    • Funkcija je rad individualnih komponenata kao deo strukture
  • Fun k c ija računara
    • Sve funkcije jednog računara su :
      • Obrada podataka ( Data processing )
      • Skladištenje podataka ( Data storage )
      • Pomeranje podataka ( Data movement )
      • Upravljanje ( Control )
  • Funkcionalni pogled na računar Radno okruženje (izvor i odredište podataka) Upravljački mehanizam Sredstvo skladištenja podataka Sredstvo obrade podataka Aparatura pomeranja podataka
  • Operacije: (a) Pomeranje podataka Obrada Skladištenje Upravljanje Pomeranje
  • Opera c i je: (b) S kladištenje Pomeranje Upravljanje Obrada Skladištenje
  • Opera c i je: (c) Obrada iz / u s kladišt e Pomeranje Upravljanje Obrada Skladištenje
  • Opera c i je: (d) Obrada iz s kladišta u U / I Pomeranje Upravljanje Obrada Skladištenje
  • Najjednostavnija predstava računara Periferijski uređaji Komunikacione linije
    • RAČUNAR
    • Skladište
    • Obrada
  • Struktura računara – gornji nivo Računar Glavna memorija Ulaz Izlaz Sistemsko među- povezivanje Periferijski uređaji Komunikacione linije Centralna procesorska jedinica Računa r
  • Struktura – Centralna procesorska jedinica Računar Arithmeti- čka i logička jedinica Upravljačka jedinica Unutrašnje međupovezivanje CPJ Registri CP J CP J U / I Memorija Sistem. magist.
  • Struktura – Upravljačka jedinica CP J Upravljačka memorija Registeri i dekoderi upravljačke jedinice Logika sekvenciranja Upr. jed. ALU Registri Unutr. mag. Upravljačka jedinica
  • Zašto studirati arhitekturu i organizaciju računara?
    • IEEE/ACM Computer Curricula 2001:
    • Računar leži u srcu računarstva. Bez njega, većina računarskih disciplina danas bi bile grane teorijske matematike.
    • Da bi se danas bio profesionalac u bilo kojoj oblasti računarstva, potrebno je da se na računar ne gleda kao na crnu kutiju koja računa pomoću čarobnog štapića.
    • Svi studenti računarstva bi trebalo da dođu do izvesnog razumevanja i znanja o funkcionalnim komponentama računarskog sistema, njihovim karakteristikama, performansama i međusobnim dejstvima.
  • Zašto studirati arhitekturu i organizaciju računara?
    • IEEE/ACM Computer Curricula 2001:
    • Postoje i praktične implikacije.Studenti treba da razumeju arhitekturu računara da bi strukturirali program, tako da se on efikasnije izvršava na stvarnoj mašini.
    • U izboru sistema za upotrebu, oni bi trebalo da su sposobni da razumeju kompromise između raznih komponenata, kao što su brzina generatora takta CPU prema veličini memorije.
  • 1. razlog za studiranje arhitekture i organizacije računara
    • Pretpostavite da diplomac ulazi u industriju i da se od njega traži da izabere računar sa najboljim odnosom cene i performanse za upotrebu u velikoj organizaciji.
    • Razumevanje implikacija većeg trošenja za razne alternative, kao što su veća keš memorija ili veća brzina procesorskog generatora takta, od suštinskog je značaja za donošenje odluke.
  • 2. razlog za studiranje arhitekture i organizacije računara
    • Mnogi procesori se ne koriste u PC računarima ili serverima, nego u ugrađenim sistemima. Projektant može da programira procesor u jeziku C koji je ugrađen u nekom sistemu za rad u realnom vremenu ili većem sistemu, kao što je inteligentni kontroler elektronike u automobilu.
    • Otklanjanje grešaka u sistemu može da zahteva upotrebu logičkog analizatora koji prikazuje odnos između zahteva za prekid iz senzora motora i koda na mašinskom nivou.
  • 3. razlog za studiranje arhitekture i organizacije računara
    • Koncepti koji se koriste u arhitekturi računara nalaze primenu i u drugim kursevima. Posebno, način na koji računar obezbeđuje podršku arhitekture jezicima za programiranje i operativnom sistemu pojačava koncepte iz tih oblasti.
  • Računarski fakultet: dosadašnja nastava iz organizacije i arhitekture računara
    • I godina studija, svi :
      • UVOD U ORGANI Z ACIJU RA Č UNARA
        • Obra zovni cilj: Sticanje opštih znanja iz organizacije računara i računarskih sistema.
    • II godina studija, Opšti i Matematičko-softverski smer:
      • ARHITEKTURA RAČUNARA
        • Obra zovni cilj: Sticanje opštih i specifičnih znanja iz arhitekture i organizacije računara .
    • III godina studija, smer Nove softverske tehnologije :
      • NAPREDNE RAČUNARSKE ARHITEKTURE
        • Obra zovni cilj: Sticanje opštih i specifičnih znanja iz naprednih arhitektura računara.
  • Računarski fakultet: sadašnja nastava iz organizacije i arhitekture računara
    • I godina studija, svi :
      • UVOD U ORGANI Z ACIJU RA Č UNARA
        • Obra zovni cilj: Sticanje opštih znanja iz organizacije računara i računarskih sistema.
    • II godina studija, svi :
      • ARHITEKTURA RAČUNARA
        • Obra zovni cilj: Sticanje opštih i specifičnih znanja iz arhitekture i organizacije računara .
    • Krus iz NAPREDNIH RAČUNARSKIH ARHITEKTURA je u potrebnoj meri implementiran u odgovarajućim delovima kurseva iz organizacije i arhitekture računara
  • Uvod u organizaciju računara
    • Sadržaj kursa:
      • Uvod u računare i računarske sisteme.
      • Dosadašnji razvoj i trendovi u računarstvu.
      • Uvod u računarsku aritmetiku
      • Keš memorija, unutrašnja i spoljašnja memorija.
      • Ulazno/izlazni uredjaji i prekidi
      • Osnovni softver računara i računarskih sistema.
      • Skupovi instrukcija i načini adresiranja.
      • Napredne organizacije računara.
      • Osnovi procene performanse računara.
  • Uvod u organizaciju računara
    • Literatura:
      • Osnovna: William Stallings, Organizacija i arhitektura računara: projekat u funkciji performansi, CET, 2006.
      • Dodatna: Nenad Mitić, Osnovi računarskih sistema , RAF – CET, 2003.
    • Način formiranja ocene:
      • 1. kolokvijum 20 poena
      • 2. kolokvijum 25 poena
      • 3. kolokvijum 25 poena
      • Završni ispit 30 poena
  • Po završetku kursa:
    • Student razume računar kao sistem i osnove hardvera i softvera računara i računarskih sistema.
    • Upoznat je sa dosadašnjim razvojem i glavnim trendovima u računarstvu.
    • Poznaje osnovne hardverske i softverske podsisteme i delove računara i način njegovog funkcionisanja, po delovima, podsistemima i u celini.
    • Poznaje osnove savremenih multiprocesorskih arhitektura i razlike između namenskih i arhitektura računara opšte namene.
    • Upoznat je sa metodologijom za procenu performansi računarskih sistema.
    • Može da pravi jednostavnije analitičke modele i razume značaj simulacionog modelovanja radi procene performanse računara i računarskih sistema.
  • Arhitektura računara – sadržaj kursa
      • Bulova algebra i logička kola
      • Minimizacija
      • Kombinaciona i sekvencijalna kola
      • Tehnologije integrisanih kola
      • Funkcija i međusobno povezivanje u računaru.
      • Memorijski podsistem
  • Arhitektura računara – sadržaj kursa
      • Protočna obrada instrukcija.
      • RISC procesori.
      • Superskalarni procesori.
      • VLIW procesori.
      • Arhitekture računara obradu po više niti
      • Namenske arhitekture računara
      • Procena performansi računarskih arhitektura
  • Arhitektura računara – literatura i ocena
    • Literatura
      • William Stallings: Organizacija i arhitektura računara: projekat u funkciji performansi, CET, 2006.
    • Način formiranja ocene:
    • 1. kolokvijum .......................... 20 poena
    • 2. kolokvijum .......................... 25 poena
    • 3. kolokvijum .......................... 25 poena
    • Ispit ......................................... 30 poena
  • Po završetku kursa:
    • Student razume računar kao sistem i osnove na kojima se zasniva arhitektura računara.
    • Osposobljen je za logičko projektovanje digitalnih sklopova.
    • Poznaje namenu, hijerarhijsku organizaciju i način funkcionisanja memorijskog podsistema računara: skrivene (keš) memorije, unutrašnje i spoljašnjih memorija.
    • Poznaje strukturu i funkciju centralne procesorske jedinice.
  • Po završetku kursa:
    • Poznaje procesore sa protočnom obradom instrukcija, sa redukovanim skupom instrukcija (RISC), superskalarne procesori i VLIW procesore.
    • Poznaje osnovne arhitekture računara za paralelnu obradu.
    • Zna razliku između arhitektura računara opšte namene i namenskih arhitektura.
    • Upoznat je sa metodologijom za projektovanje i procenu performansi složenog namenskog multimikroprocesorskog računara.
    • Osposobljen je za programiranje u asembleru.
  • Uvod u organizaciju računara Arhitektura računara Napredne računarske arhitekture RAF PROFESIONALNI ŽIVOT
  • Dosadašnji razvoj i trendovi u računanju i računarskoj arhitekturi
    • Značaj računanja
    • Platon u delu Philebus (“O zadovoljstvu”), 4. vek p.n.e.
      • Na baš prvom nivou znanja treba da se nađu broj i račun
    • Pitagorejski misticizam
      • Da li brojevi vladaju svetom?
    • Naučnici su imali potrebu da pobegnu od teškoća ljudskog načina računanja
      • Kineski abakus (suan pan) 13. vek: prvi instrument za jednostavno izvođenje svih aritmetičkih operacija
      • Abakus se još uvek koristi!
  • PLATON: “ Ako ne umeš da računaš, ne možeš ni da razmišljaš o budućem zadovoljstvu i tvoj život neće biti ljudski, nego život ostrige ili meduze .” LUIGI MENABREA (1884) : “ Kako su izgledi na dugo i dosadno računanje demoralisali velike mislioce, koji su samo tražili vreme da meditiraju, ali su se videli preplavljenim ogromnom količinom aritmetike koju je trebalo izvesti pomoću neodgovarajućeg sistema! Ipak, do istine vodi staza mučne analize, ali oni ne mogu da idu tom stazom bez vođstva broja, jer nema drugog načina da se podigne veo koji pokriva misterije prirode.”
  • KINESKI ABAKUS iz 13 veka. Nekoliko šipki, pet nižih i 2 više kuglice na svakoj šipki, podeljene letvicom. Oni to koriste i danas! JAPANSKI ABAKUS soroban, usavršeniji, smanjen na 1 višu i 4 niže kuglice
    • Mašine za računanje
    • Wilhem Shickard: računski časovnik (1623), prva računska mašina u istoriji!
      • Množenje i deljenje je tražilo više intervencija operatora
      • Radio je na principu Napierovih “kostiju”
    • Blaise Pascal: mašinom “Pascaline” pokazao mogućnost mehanizacije aritmetike (1642)
      • Nizovi zupčanika, svaki numerisan od 0 do 9
      • Prva komercijalizovana računska mašina!
    • Aritmometar (1822), tastatura (1850)m, štampač (1855), elektromehanički aritmometar (1913)
  • 20 septembra 1623, Shickard piše svom prijatelju Kepleru: “Proračune koje radiš ručno, nedavno sam uspeo da postignem mehanički... Konstruisano sam mašinu koja, odmah i automatski, računa sa datim brojevima, sabira, oduzima, množi i deli. Uzvikivaćeš od radosti kada vidiš kako ona prenosi unapred desetine i stotine, ili ih odbija kod oduzimanja...” Kepler bi svakako cenio takav pronalazak prilikom izrade njegovih tabela kretanja paneta, ali na žalost, Shickardova jedina kopija sopstvene mašine uništena je u požaru 1624. godine
  • Neperove kosti ili šipke (1617) 10 drvenih šipki, četvrtastog preseka. Svaka od 4 strane svake šipke odgovarala je jednoj od cifara od 0 do 9 i i imala je svojhoj dužinom oznake devet podeljaka, sa umnošcima odgovarajuće cifre. To je vrsta tablice množenja, gde čitate proizvod kada se šipke postave jedna uz drugu.
  • Pascalova mašina (Pascaline) nije bila baš pouzdana. Kada bi se jedan točak potpuno okrenuo, sledeći bi napredovao za jedan korak. Mehanizam za automatski prenos je bio sklon da se zaglavi kada bi više točkova istovremeno bilo na 9, što bi zahtevalo više istovremenih prenosa (999 na 1000)
    • Programabilnost?
    • Problemi svih tih mašina leže u njihovoj ograničenoj sposobnosti da izvedu povezanu sekvencu proračuna
      • Trebalo je prepisati i uneti sve međurezultate!
    • Vaucanson: programabilni androidi (1738)
    • Vaucanson: konstruisao prvi automatski razboj (1749)
      • Prihvatao je komande pomoću perforiranog metalnog cilindra
    • Jacquard: usavršio programabilni razboj (1804)
      • Aktivira se pomoću sekvence bušenih kartica!
  • Basile Bouchon je izumeo (1725) razboj koji je prihvatao komande pomoću bušene trake. Vaucanson je 1738 razvio “patka koji vari”, veštački automat za Louisa XV. “On izdužuje vrat da bi uzeo zrno iz ruke, vari ga i izbacuje ga, posle probave; svi pokreti patka koji brzo guta zrno, ubrzava njegovo kretanje kroz gušu da bi stiglo u stomak, kopirani su iz prirode.” Vaucanson je svoj razboj pretvorio u programabilan, ali ciklički automat, onaj u kome su komande bile upisane pomoću performacija na hidrauličk i pokretanom dobošu i koje su se pravilno ponavljale. Jacquard je kombinovao upotrebu pokretnog doboša opremljenog sa nizom kartica i koncepta njihajuće ručice koja je podizala kuke.
  • Charles Babbage 1791-1871 prof. matematike na Cambridge University 1827-1839 Diferencijska mašina (1823) Analitička mašina (1833)
    • Charles Babbage 1791-1871
    • prof. matematike na Cambridge University 1827-1839
    • Diferencijska mašina (1823)
    • Primena?
      • Matematičke tabele – astronomija
      • Nautičke tabele - mornarica
    • Osnova
      • Svaka kontinualna funkcija može da se aproksimira polinomom (Weirstrass)
    • Tehnologija
      • Mehanička – zupčanici, Jacquardov razboj, jednostavni kalkulatori
  • Prvi digitalni kalkulatori sa automatskom sposobnošću izvršavanja povezanih sekvenci operacija sledeći unapred postavljen program u upravljačkom mehanizmu bile su diferencijske mašine Originalna i rekonstruisana mašina
    • Diferencijska mašina
    • za računanje matematičkih tablica
    • Weierstrass
      • Svaka kontinualna funkcija može da se aproksimira polinomom
      • Svaki polinom može da se izračuna iz tablice razlika
      • Dakle, treba nam samo običan sabirač!
    • Diferencijska mašina
    • 1823 – Objavljen Babbageov članak
    • 1834 – braća Scheutz iz Švedske pročitali članak
    • 1842 – Babbage odustaje od ideje da je napravi (radi na analitičkoj mašini!)
    • – Scheutz prikazuje svoju mašinu na svetskoj izložbi u Parizu
        • Može da izračuna svaki polinom 6. stepena
        • Brzina: 33 do 44 32-cifarska broja u minutu
    • Mašina se sada nalazi u muzeju Smithsonian
  • Babbage je finansiran od strane Britanskog udruženja za napredovanje u nauci, ali nije uspeo da izgradi mašinu. On nije mogao da umeri svoje ambicije i postepeno je izgubio interes za originalnu diferencijsku mašinu. Mašina braće Scheutz bila je prvi funkcionalni kalkulator u istoriji koji je štampao rezultate.
  • Analitička mašina
    • Analitička mašina
    • – Objavljen Babbageov članak
    • Analitičku mašinu je zamislio u trenucima odmora, u toku razvoja diferencijske mašine
    • Inspiracija: Jacquardov razboj
    • Skup kartica sa bušenim otvorima, fiksiranim u zavisnosti od uzorka tkanja  program
    • Isti skup kartica mogao bi da se upotrebi sa nitima različitih boja  brojevi
    • 1871 – Babbage umire – mašina ostaje nerealizovana
    • Nije jasno da li bi analitička mašina mogla da se napravi čak i danas, ako bi se koristila samo mehanička tehnologija
    • Analitička mašina
    • prva ko n cepcija računara opšte namene
    • Skladište ( memorija ) u koje se smeštaju sve promen-ljive na kojima treba da se radi, kao i međurezultati
    • Mlin ( procesor ) u koji se uvek donose veličine nad kojima treba da se izvrši operacija
    Operacija u mlinu zahtevala je unošenje dve bušene kartice i proizvođenje nove bušene kartice u skladištu . Postojala je i operacija za promenu sekvence! Program Operacija promenljiva 1 promenljiva 2 promenljiva 3
  • Ada Byron, lady Lovelace prvi programer Babbageove ideje su kasnije imale velikog uticaja, za šta su zaslužni: Luigi Menabrea , koji je objavio beleške sa Babbageovih predavanja u Italiji Lady Lovelace , koja je prevela Menabreaine beleške na engleski i temeljno ih proširila. “ Analitička mašina tka algebarske obrasce ...” Adin učitelj bio je lično Babbage!
  • Ada Byron, lady Lovelace, prvi programer
  • Ada Byron (1815 - 1852) grofica Lovelace
    • Jedina ćerka Lorda Byrona.
    • Teško je zamisliti veći kontrast
    • između pesnika i njegove ćerke,
    • koja se posvetila egzaktnim i
    • napornim proučavanjima
    • računskih mašina.
    • Ona je smislila izvestan broj programa, sa idejom da ih jednog dana uvede u mašinu svog prijatelja i učitelja.
    • “ Možemo da kažemo da će analitička mašina tkati algebarske obrasce, baš kao što Jacquardovi razboji tkaju cveće i lišće.”
    • Charles Babbage je 1840 posetio
    • Torino i sa njim diskutovao o svojoj analitičkoj mašini.
    • Menabrea je objavio članak “O analitičkoj mašini Charlesa Babbagea“(1842) u kome je proširio Babbageove ideje .
    • Na Babbageov zahtev, taj članak je prevela na engleski Ada Byron, Lady Lovelace, koja mu je dodala lične beleške, čak obimnije od originalnog rada.
    Luigi Federico Menabrea 1809 - 1896 Markiz od Valdore, državnik, general, inženjer, Dr nauka, profesor matematike
  • “ Ako bih poživeo još nekoliko godina, analitička mašina bi se ostvarila i njen primer bi se raširio po celoj planeti.” “ Ako neki čovek, koga moj primer ne odbije, jednog dana napravi mašinu u sebi sadrži sve principe matematičke analize, onda se ne brinem za moju uspomenu, jer će jedino on biti u stanju da potpuno ceni prirodu mog truda i vrednost rezultata koje sam ostvario.”
  •  
  • Elektromehaničko računanje
    • Harvard Mark I
    • Howard Alken, 1944 u IBM laboratorijama u Endicotu
    • U suštini mehanički, ali je imao nešto elektromag-netski upravljanih releja i zupčanika
    • Težio je 5 t i imao 750000 delova
    • SInhronizovan generator takta, t = 0,015s
    • Performanse:
    • 0,3 sekunde za sabiranje
    • 6 sekundi za množenje
    • 1 minut za proračun sinusa
    • Kvario se jednom nedeljno!
    • 800 km žice, 3 miliona električnih spojeva
    • 72 registra od po 23 bita
    • Vreme popravke: najbolje nekoliko minuta, u proseku 20 minuta, ponekad više sati
    • Poslenjih meseci II svetskog rata koristila ga mornarica SAD za rešavanje balističkih problema
    • Povučen iz upotrebe 1959
    Harvard Mark I
    • Nikola Tesla : elektronsko logičko kolo – kapija (1903)
    • Lee de Forest : elektronska vakuummska cev (1906) i prvi flip flop (1919)
    • Televizija (1927)
    • Vladimir Zvorikin : ekran sa katodnom cevi (1928)
    • John Atanasoff i Cliford Berry : prvi 16-bitni sabirač sa vakuumskim cevima (1939)
  • John Atanasoff, Clifford Berry Rešavač linearnih jednačina 1930-ih Atanasoff i Cliford Berry su napravili Rešavač linearnih jednačina. Imao je 300 elektromskih cevi! Primena: linearne i integralne diferencijalne jednačine Osnova: diferencijalni analizator Vannevar Busha Tehnologija: elektronske cevi i elektromehanički releji Atanasoff je odlučio da je korektan način računanja pomoću digitalnih elektronskih sredstava
  • ABC (Atanassoff Berry Computer) Fizička i logička struktura mašine bila je dosta rudimentarna. To nikad nije bio analitički kalkulator u pravom smislu reči (nije bio programabilan). Pored toga, nikada nije radio baš kako treba.
  •  
  • Diferencijalni analizator (1942)
  •  
    • ENIAC
    • Electronic Numerical Integrator and Computer
    • Eckert i Mauchly (1943-45) projektovali i napravili ENIAC, inspirisani radom Atanasoffa i Berrya
    • Prvi potpuno elektronski, analitički kalkulator opšte namene koji radi!
    • 30 t, 72 m 2 , 200 KW
    • Performanse
        • Učitavanje: 120 kartica u minutu
        • Sabiranje 200 μ s, deljenje 6 ms, dekadni sistem
        • 1000 puta brži od Mark I
    • Nije baš preterano pouzdan!
    • ENIAC:
    • Fizičar John Mouchly (1942) objavio članak “Upotreba brzih vakkumskih cevi za računanje”
    • Sredstva dodeljena 1943, mašina konačno završena 1946
    • 17648 vakkumskih cevi
    • Radio je u dekadnom sistemu
    • Memorija: 20 akumulatora koji su mogli da drže 10-cifrene brojeve
    • Generator takta: 100 KHz
  • ENIAC
    • Konstruktori su morali da instaliraju rashladi sistem u prostoriji
    • Slogan: ENIAC proračuna trajektoriju mornaričkog artiljerijskog projektila velikog kalibra brže nego što on stigne do svog cilja
    • Da bi se promenio program, trebalo je menjati instrukcije na upravljačkoj ploči i postaviti sve prekidače istovremeno
    • I sami pronalazači ENIAC-a su priznali da je, uzevši u obzir ljudsku grešku, mašina davala tačan rezultat samo 20 puta u 100 pokušaja
    Programiranje ENIAC-a
    • EDVAC
    • Electronic Discrete Variable Automatic Computer
    • Programiranje ENIAC-a je bilo spoljašnje
      • Sekvence instrukcija su izvršavane nezavisno od rezultata računanja
      • Zahtevana je intervencija čoveka da bi se izvršavale instrukcije “van redosleda”
    • Eckert , Mauchly , John von Nemannn i drugi su konstruisali EDVAC (1944) da bi rešili problem
    • Ipak, sud u Mineapolisu je 1973. godine priznao Atanasoffu da je on pronašao savremeni računar
    • John von Neumann
    • (1903 - 1957)
    • Rodio se u Budimpešti.
    • Mnogo rada posvetio je teoriji skupova u kvantnoj fizici.
    • Proslavio se svojom teorijom igara i njenom primenom u ekonomiji.
    • 30. juna 1945 . objavio je izveštaj u kome je izložio ideju konstrukcije računara koji bi imao mogućnost skladištenja programa i njegovog kasnijeg izvršavanja – EDVAC ( Electronic Discrete Variable Automatic Computer )
    • Koncept EDVAC u 5 delova: aritmetička jedinica, upravljač-ka jedinica, nemorija, uređaji za ulaz i izlaz
    • Računar sa uskladištenim programom
    • Program = sekvenca instrukcija
    • Kako upravljanti sekvencom instrukcija?
    • Ručno upravljanje Kalkulatori
    • Automatsko upravljanje
    • Spoljašnje (papirna traka) Harvard Mark I, 1944
    • Zuse Z1, II sv. Rat
    • Unutrašnje
    • Ploča sa utikačima ENIAC 1946
    • Memorija samo za čitanje ENIAC 1948
    • Memorija za čitanje/upis EDVAC 1947 (koncept)
    •  Isto skladište može da se upotrebi za program i za podatke
    • Maurice Wilkes (1949) EDSAC
  • EDSAC Electronic Delay Storage Automatic Calculator Prevođenje ulaza mašinskog jezika u simbolički oblik, automatsko učitavanje programa u memoriju, itd.
    • EDSAC
    • Maurice Wilkes , sa Cambridge University, Velika Britanija, 1949. godine
    • Prvi operativni računar koji je mogao da čuva program u memoriji
      • Ulaz/Izlaz: čitač/bušač papirne trake
      • Unutrašnja memorija: 256 35-bitnih reči
      • Memorija sa stalnim sadržajem za inicijalno pokretanje računara
      • Generator takta: 500 KHz
      • Izvršavanje većine instrukcija je trajalo oko 1500 ms
  • MANCHESTER MARK I (Max Newman i Freddy Williams, Manchester University, 1949) Max Newman i Freddy Williams, Manchester University, 1949
    • MANCHESTER MARK I
    • Max Newman i Freddy Williams , Manchester University, 1949, Velika Britanija, 1949. godine
      • Prototip SSEM (Small Scale Electronic Machine) ili “Beba” (1948)
      • Memorija: sa katodnim cevima (“Williamsove cevi”)
      • MARK I je imao mogućnost unošenja programa u binarnom obliku preki tastature
      • Izlaz je ispisivan u binarnom obliku na katodnoj cevi
      • Turing je kasnije razvio primitivni asemblerski jezik za ovu mašinu
    • Prvi “pravi” računari u SAD
    • Eckert i Mauchly su osnovali sopstvenu kompaniju i napravili BINAC (1947-49)
      • 2 procesora koji su se međusobno proveravali, zbog pouzdanosti
    • Whirlwind I sa MIT-a je bio drugi von Neumannov računar koji je napravio Jay Forrester (1947-51)
      • Imao je memoriju sa magnetnim jezgrima i jezik za programiranje
      • Upotreba: PVO SAD
    • Eckert i Mauchly konstruisali su i napravili UNIVAC-1, prvi američki komercijalni računar
      • Upotreba: za ispitivanje javnog mnjenja u za predsed-ničke izbore 1952 – predvideo Eisenhowerovu pobedu
    • BINAC
    • Binary Automatic Computer
    • Eckert i Mauchly (1949), prvi računar napravljen u SAD
      • Prvi računar sa dualnim procesorom
      • Drugi procesor redundantan, preuzimao rad u slučaju otkaza prvog procesora
      • 700 vakuumskih cevi
      • Memorija: 512 31-bitnih reči binarnom obliku na katodnoj cevi
      • 3500 sabiranja ili 1000 množenja u sekundi
    • WHIRLWIND I
    • (“Vihor”)
    • Jay Forrester , MIT (1949), prvi računar za rad u realnom vremenu
    • Konstruisan za Istraživački institut Mornarice SAD i puštan u pogon do punog opterećenja u etapama, počevši od 1949
      • Originalna verzija 3300 vakuumskih cevi (kasnije 5000) i 8900 kristalnih dioda
      • Memorija: 2048 16-bitnih reči
      • Troškovi održavanja (zamena pregorelih vakuumskih cevi) 32000 USD mesečno!
      • 50000 sabiranja ili 50000 množenja u sekundi
  •  
  • Ştruktura računara IAS Aritmetčko logička jedinica (CA) Jedinica za upravljanje programom (CC) Glavna memorija (M) U/I oprema (I,O) Centralna procesorska jedinica (CPU)
    • Dominantan problem:
    • POUZDANOST
    • Srednje vreme između otkaza (MTBF)
      • MIT-ov Whirlwind sa MTBF od 20 minuta bio je možda najpouzdanija mašina u to doba!
    • Razlozi za nepouzdanost:
        • Vakuumske elektronske cevi
        • Medijum za memoriju
          • akustičke linije za kašnjenje
          • Linije za kašnjenje od žive
          • Williamsove cevi
          • itd.
      • Jay Forrester (1951): JEZGRA
    • Komercijalna aktivnost 1948 -52
    • IBM-ov SSEC
    • SSEC Selective Sequence Electronic Calculator
    • Vakuumske cevi u upravljačkoj jedinici
    • Elektromagnetni releji na svakom drugom mestu
    • Memorija: 150 reči, mašina sa uskladištenim programom
    • Instrukcije, ograničenja i tabele podataka su učitavani sa papirnih traka
    • 66 stanica za čitanje traka
    • Ozbiljne nedoslednosti u logici
    • IBM-ovi računari
    • IBM 701  30 mašina prodato 1953-54 godine
    • IBM 650  jeftinija mašina sa magnetnim dobošem, više od 120 prodato 1954, a naručeno još 750!
    • Korisnici su prestali da prave sopstvene mašine.
    • Pitanje: Zašto se IBM relativno kasno okrenuo računarskoj tehnologiji?
    • Odgovor: Zato što su pravili suviše para i bez nje!
      • Čak i bez računara, IBM-ovi prihodi su se udvostručavali svakih 4 do 5 godina u 1940-im i 1950-im
  • Razvoj softvera Do 1955  Biblioteke numeričkih rutina, operacije u pokretnom zarezu, transcedentne f-je, rad sa matricama, rešavanje jednačina... 1955-60  Jezici visokog nivoa FORTRAN 1957 Operativni sistemi, asembleri, punioci, povezioci, kompajleri, računovodstveni programi za evidenciju naplate upotrebe Mašine su zahtevale iskusne operatore  Od većine korisnika se ne bi očekivalo da razumeju te programe, a još manje da ih pišu  Mašine su morale da se prodaju sa mnogo rezidentnog softvera
    • Generacije elektronskih računara
    • Četiri ili šest (zavisno od autora) faza razvoja koje se nazivaju generacije računara
    • Pripadnost računara određenoj generaciji utvrđuje se na osnovu tehnologije upotrebljene za izradu osnovnih elektronskih komponenata za skladištenje i obradu podataka
  • Generacije elektronskih računara 1000000000 Ultra visoki stepen integracije 1991 - na dalje 6 100000000 Veoma visoki stepen integracije 1978-1991 5 10000000 Visoki stepen integracije 1972-1977 4 1000000 Mali i srednji stepen integracije 1965-1971 3 200000 Tranzistor 1958-1964 2 40000 Vakuumska cev 1946-1957 1 Tipična brzina (broj operacija u sekundi) Tehnologija Približni datumi R.br.
  • Genera cije računara
    • Vakuumske elektronske cevi - 1946-1957
    • Tranzistor - 1958-1964
    • SSI ( Small scale integration ) - 1965 na dalje
      • Do 100 uređaja na čipu
    • MSI ( Medium scale integration ) - do 1971
      • 100-3000 uređaja na čipu
    • LSI ( Large scale integration ) - 1971-1977
      • 3000 - 100000 uređaja na čipu
    • VLSI ( Very large scale integration ) - 1978-1991
      • 100000 - 100000000 uređaja na čipu
    • ULSI ( Ultra large scale integration ) – 1991 na dalje
      • Preko 100000000 uređaja na čipu
  • Prva generacija računara: 1946.g. – 1957.g .
  • Tranzistori
    • Zamenili vakuumske
    • e lektronske cevi
    • Manji i jeftiniji
    • Odaju manje toplote
    • Uređaj od poluprovodnika (čvrsto stanje)
    • Izrađuju se od silicijuma (pesak!)
    • Pronađeni 1947 u Bell Laboratorijama
    • William Shockley i saradnici
  • Magnetna jezgra
    • Konstruisana 1951. godine
    • Čuvaju sadžaj i po prestanku napajanja
  • Računari zasnovani na tranzistorima
    • Druga generacija mašina
    • NCR & RCA su proizveli male tranzistorske mašine
    • IBM 7000
    • DEC - 1957
      • Proizveo PDP-1
  • Mikroelektronika
    • Doslovno - “mala elektronika”
    • Računar se pravi od logičkih kola, memorijskih ćelija i međusobnih veza
    • Sve to može da se proizvodi na poluprovodniku
    SSI čip sa pinovima
  • Moore ov zakon
    • Povećana gustina komponenata na čipu
    • Gordon Moore – saosnivač firme Intel
    • Broj tranzistora na čipu će se udvostručiti svake godine
    • Od 1970-ih razvoj se malo usporio
      • Broj tranzistora se udvostručava svakih 18 meseci
    • Cena čipa je ostala skoro ista
    • Veća gustina pakovanja znači kraće električne putanje, što daje veću performansu
    • Manja veličina daje povećanu fleksibilnost
    • Smanjeni zahtevi za potrošnju električne energije i hlađenje
    • Manje međusobnih veza povećava pouzdanost
  • Porast broja tranzistora u CPU CPU sa 1 milijardom tranzistora Tranzistora po čipu
  • Serija IBM 360
    • 1964
    • Zamenila (i nije kompatibilna sa) serijom 7000
    • Prva planirana “porodica” računara
      • Slični ili identični skupovi instrukcija
      • Slični ili identični O/S
      • Povećavajuća brzina
      • Povećavajući broj U/I portova (na primer, više terminala)
      • Veća memorija
      • Veća cena
    • Multipleksirana struktura komutacije
  • DEC PDP-8
    • 1964
    • Prvi miniračunar (malo posle mini suknje!)
    • Ne treba mu klimatizovana prostorija
    • Dovoljno mali da bude na laboratorijskom stolu
    • 16000 US dolara
      • U to vreme, više 100k$ za IBM 360
    • Ugrađene aplikacije & OEM
    • STRUKTURA SA MAGISTRALOM
  • PDP-8i ugrađen u uređaj PDP-8i
  • DEC - PDP-8 Struktura magistrale Omnibus Glavna memorija CPU U/I modul U/I modul Kontroler konzole
  • Poluprovodnička memorija
    • 1970
    • Fairchild
    • Veličina jednog jezgra
      • Odnosno, 1 bita memorije sa magnetnim jezgrima
    • Drži 256 bitova
    • Ne-destruktivno čitanje
    • Mnogo brža od memorije sa jezgrima
    • Kapacitet se približno udvostručava svake godine
  • Intel
    • 1971 - 4004
      • Prvi microprocessor
      • Sve komponente CPU na jednom čipu
      • 4-bitni
    • 1972 prati ga 8008
      • 8-bitni
      • Oba mikroprocesora su projektovana za specifične aplikacije
    • 1974 - 8080
      • Intelov prvi mikroprocesor opšte namene
  • Prvi PC računar – MITS Altair 8800
    • CRAY-I
    • Početak projekta 1972
    • Završetak projekta 1976
    • Brzina 166 MFLOPS
    • Tehnologija: integrisana kola
    • Generator takta: 83 MHz
    • Dužina reči: 64 bita
    • 128 instrukcija
    • Masa: 2,4 tone
    • TREND:
    • Dalji razvoj SW i OS
    • Razvoj komunikacija i računarskih mreža
    • Superračunari
  • Kako se stvar ubrzava
    • Protočna obrada ( Pipelining )
    • Keš memorija na ploči
    • Keš memorije nivoa L1 i L2 na ploči
    • Predviđanje grananja
    • Analiza toka podataka
    • Spekulativno izvršavanje
  • Ravnoteža performanse
    • Povećala se brzina procesora
    • Povećao se kapacitet memorije
    • Brzina memorije zaostaje za brzinom procesora
  • Razmak performanse logičkih kola i memorije logika memorija
  • Rešenja
    • Povećati broj bitova koji se izvlače odjednom
      • DRAM “šira” nego “dublja”
    • Promeniti interfejs DRAM
      • Keš memorija
    • Smanjiti učestalost pristupa memoriji
      • Složeniji keš i keš na čipu
    • Povećati propusni opseg međupovezivanja
      • Magistrale vellike brzine
      • Hijerarhija magistrala
  • U / I uređaji
    • Periferali sa intenzivnim U/I zahtevima
    • Zahtevi za velikim propusnim opsegom podataka
    • Procesori to mogu da opsluže
    • Problem je pomeranje podataka
    • Rešenja:
      • Keš memorije
      • Baferi
      • Magistrale za međupovezivanje veće brzine
      • Razrađenije strukture magistrala
      • Konfiguracije sa više procesora
  • T i pi čne brzine podataka U / I uređaja Gigabit Ethernet Grafički displej Čvrsti disk Ethernet Optički disk Skener Laser.štampač Disketa Modem Miš Tastatura Brzina podataka (b/s)
  • Stvar je u ravnoteži
    • Procesorskih komponenata
    • Glavne memorije
    • U/I uređaja
    • Struktura za međusobno povezivanje
  • Poboljšanja u organizaciji čipova i arhitekturi
    • Povećanje hardverske brzine procesora
      • U osnovi zbog smanjenja veličine logičkog kola
        • Više kola, pakovanih gušće, povećanje brzine generatora takta
        • Smanjeno vreme prostiranja signala
    • Povećanje veličine i brzine keš memorija
      • Namenski deo procesorskog čipa
        • Značajno smanjenje vremena pristupa kešu
    • Promena organizacije i arhitekture procesora
      • Povećanje efektivne brzine izvršenja
      • Paralelizam
  • Problem i sa brzinom generatora takta i gustinom logičkih kola
    • Potrošnja električne energije
      • Gustina potrošnje raste sa gustinom logičkih kola i brzinom generatora takta
      • Odavanje toplote
    • RC kašnjenje
      • Brzina kojom elektroni teku ograničena je otpornošću i kapacitivnošću metalnih provodnika koji ih povezuju
      • Kašnjenje se povećava kada proizvod RC raste
      • Što su tanji provodnici, veća je otpornost
      • Što su provodnici međusobno bliži, veća je kapacitivnost
    • Memorijsko kašnjenje
      • Brzina memorije zaostaje za brzinom procesora
    • Rešenje:
      • Više rada na rešenjima u organizaciji i arhitekturi
  • Performansa Intelovih mikroprocesora Poboljšanja u arhitekturi čipa Povećanja brzine generatora takta Hipervišenitna obrada (više jezgara) Duža protočna obrada, dvrostruko brža aritmetika Keš pune brzine u 2 nivoa MMX multi- medijska proširenja Spekulativno izvršavanje van redosleda Više instrukcija po ciklusu Unutrašnja keš memorija Protočna obrada instrukcija Tipična maksimalna performansa (milioni operacija u sekundi
  • Povećan kapacitet keš memorije
    • Tipično dva ili tri nivoa keša između procesora i glavne memorije
    • Povećana gustina čipa
      • Više keš memorije na čipu
        • Brži pristup kešu
    • Pentiumov čip ima oko 10% površine čipa namenjenih keš memoriji
    • Pentium 4 za to daje čitavih 50%
  • Složenija logika za izvršavanje
    • Omogućava paralelno izvršavanje instrukcija
    • Protočna obrada ( pipeline ) radi kao proizvodna traka za sastavljanje
      • Različite faze izvršenja različitihg instrukcija u isto vreme duž protočne obrade
    • Superskalarni procesor dozvoljava više protočnih obrada unutar jednog procesora
      • Instrukcije koje ne zavise jedna od druge mogu da se izvršavaju paralelno
  • Smanjivanje dobiti
    • Unutrašnja organizacija procesora složena
      • Već može da se dobije dosta paralelizma
      • Dalja značajnija povećanja će verovatno biti relativno skromna
    • Koristi od keša dostižu svoju granicu
    • Povećanje brzine generatora takta vodi u problem rasipanja energije
      • Dostignuta su neka fundamentalna fizička ograničenja
  • Novi pristup – višestruka jezgra
    • Više procesora na jednom čipu
      • Velika deljena keš memorija
    • Unutar procesora, povećanje performanse je proporcionalno kvadratnom korenu povećanja u složenosti
    • Ako softver može da upotrebi višestruke procesore, udvostručavanje broja procesora skoro udvostručava performansu
    • Prema tome, treba koristiti 2 jednostavna procesora na čipu, a ne 1 složeniji procesor
    • Sa 2 procesora, opravdane su veće keš memorije
      • Potrošnja električne energije logike memorije je manja od potrošnje procesorske logike
    • Primer: IBM POWER4
      • Dva jezgra zasnovana na PowerPC
  • Organizaija čipa POWER4
  • Evolucija procesora Pentium (1)
    • 8080
      • prvi mikroprocesor opšte namene
      • 8-bitna putanja podataka
      • Upotrebljen za prvi personalni računar – Altair
    • 8086
      • Mnogo moćniji
      • 16-bitni
      • Instrukcijski keš, unapred donosi nekoliko instrukcija
      • 8088 (8-bitna spoljnja magistrala) upotrebljen za prvi IBM PC
    • 80286
      • 16 Mbajtova adresibilne memorije
      • Počevši od from 1Mbajta
    • 80386
      • 32-bitni
      • Podrška za obradu više zadataka ( multitasking )
  • Evolucija procesora Pentium (2)
    • 80486
      • Usavršena moćna keš memorija i protočna obrada instrukcija
      • Ugrađen matematički koprocesor
    • Pentium
      • Superskalar
      • Više instrukcija izvršava se paralelno
    • Pentium Pro
      • Povećana superskalarna organizacija
      • Agresivno preimenovanje registara
      • Predviđanje grananja
      • Analiza toka podataka
      • Speculativno izvršavanje
  • Evolucija procesora Pentium (3)
    • Pentium II
      • Tehnologija MMX
      • Obrada grafike, videa i audia
    • Pentium III
      • Dodatne instrukcije u pokretnom zarezu za 3D grafiku
    • Pentium 4
      • Zapazite arapsku a ne rimsku oznaku
      • Dalja pojačanja pokretnog zareza i multimedije
    • Itanium
      • 64-bitni
    • Itanium 2
      • Hardverska poboljšanja za povećanje brzine
    • Detaljne informacije o procesorima na Intelovim veb stranicama
  • Činioci koji utiču na arhitekturu računara Arhitektura računara Kompatibilnost Tehnologija Aplikacije Softver Softver nije igrao skoro nikakvu ulogu u definisanju arhitekture pre sredine pedesetih godina! Namenske mašine prema mašinama opšte namene
    • Kompatibilnost
    • Od suštinskog značaja za prenosivost i konkurentnost
    • Njen značaj raste sa veličinom tržišta, ali je takođe i najregresivnija sila
    • ISA (Instruction Set Architecture) kompatibilnost
    • Isti asemblerski program može da se izvršava na bilo kom na gore kompatibilnom mo0delu računara
    • Nekad IBM 360/370 ... Kasnije Intel x86
    • Međutim, za razvoj SW sada se očekuje više od ISA kompatibilnosti
    • API ( application program interface ), skup rutina koje aplikativni program koristi za upravljanje izvršavanjem procedura od strane OS)
    • Ekonomika mikroprocesora
    • Projektovanje najsavremenijih mikroprocesora zahteva ogroman tim
    • Pentium ~ 300 inženjera
    • PentiumPro ~ 500 inženjera
    • Ogromna ulaganja u proizvodne linije
    •  da bi se stvar isplatila, treba prodati 2 do 4 miliona primeraka
    • Potrebna su stalna usavršavanja da bi se poboljšao prinos i brzina generatora takta
    •  Cena pada na 1/10 u 2 do 3 godine
    • Brzi novi procesori traže i nove periferijske čipove (memorijske kontrolere, U/I)  SKUPO!
    • Cena uvođenja nove ISA je preterano visoka, a prednost nije baš najjasnija!
  • Pogledi na arhitekturu računara Dizajner jezika / kompajlera i sistemskog softvera Dizajner Arhitekture / hardvera Potrebni su mu mehanizmi da podrže važne apstrakcije Predlaže mehanizme i svojstva za performansu Određuje strategiju kompi- lacije i nove apstrakcije jezika Glavna briga računarskog arhitekte su odnos cena-performansa, performansa i efikasnost u podršci široke klase softverskih sistema Dekomponuje svaki meha-nizam u suštinske mikro-mehanizme i određuje im izvodljivost i isplativost  