Οργάνωση και Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Βασικές αρχές Αρχιτεκτονικής Πρόγραμμα Αναβάθμισης Προγράμματος Σπουδών Τμήματος Πληροφορικής Τ.Ε.Ι Θεσσαλονίκης Μάθημα Οργάνωση και Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεφαλαίο Πρώτο Βασικές αρχές Αρχιτεκτονικής Μέρος: Πρώτο Καθηγητής: Α. Βαφειάδης 2008

Οργάνωση VS (εναντίον) Αρχιτεκτονικής Περιεχόμενα Οργάνωση VS (εναντίον) Αρχιτεκτονικής Κατηγοριοποίηση των Αρχιτεκτονικών Βασική δομή και ενέργειες υπολογιστή Γλώσσα Μηχανής Κύκλος απόκτησης εκτέλεσης εντολών Διακοπές (interrupts) Χρονισμός ψηφιακών κυκλωμάτων Διαγράμματα χρόνου

Οργάνωση εναντίον Αρχιτεκτονικής Οργάνωση εναντίον Αρχιτεκτονικής Άποψη των Robert Baron και Lee Higbie Δεν υπάρχει διάκριση μεταξύ οργάνωσης, 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

Οργάνωση εναντίον Αρχιτεκτονικής 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 Ο τεχνικές εισόδου-εξόδου Οργάνωση (Όσα δεν γίνονται αντιληπτά) τα σήματα ελέγχου οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται η υλοποίηση των μονάδων (π.χ ΙΕΕΕ standard – IMB 370 )

Οργάνωση εναντίον Αρχιτεκτονικής Οργάνωση εναντίον Αρχιτεκτονικής Άποψη J. Hennessy και D. 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 ((

Οργάνωση εναντίον Αρχιτεκτονικής 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

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

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 8 bits Μήκος διεύθυνσης 12 bits

Βασικοί καταχωρητές του IAS Program Counter (PC): Περιέχει την διεύθυνση του επόμενου ζεύγους εντολών 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)

Princeton Institute of Advance Studies Computer

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.

συσσωρευτής (accumulator) (40 bits) Καταχωρητές Εργασίας συσσωρευτής (accumulator) (40 bits) O accumulator περιέχει προσωρινά παράγοντες που θα χρειαστεί η ALU ή αποτελέσματα που θα παραχθούν από 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.

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)

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

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

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

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

Processor Organization

Symmetric Multiprocessor System (SMP) From Stallings

SMP-IBM S/390 From Stallings

Cluster From Stallings

Mia άλλη άποψη για τα cluster From Stallings

Μονάδες Τυπικού Υπολογιστή

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

Επεξεργαστής Pentium IV

Hardwired Implementation

Micro programmed Organization Instruction Register Sequencing Logic Control Address Register ALU Flags Control Memory Control Buffer Register Control Logic Control Signals