5 Rekenaar Organisasie

Transcription

1 5 Rekenaar Organisasie 5.1 Foundations of Computer Science Cengage Learning

2 Doel: Nadat hierdie hoofstuk bestudeer is sal jy kan: Lys die drie substelsels van `n rekenaar. Beskryf die rol van die sentrale verwerkingseenheid (SVE/CPU). Beskryf die haal-dekodeer-uitvoer fases van `n siklus. Beskryf die hoofgeheue en sy adresspasie. Definiëer die invoer/uitvoer substelsel. Verstaan die interkonneksie van substelsels. Beskryf die verskillende metodes van invoer/uitvoer adressering. Onderskei tussen twee hoof tendense in rekenaarontwerp. Verstaan hoe rekenaardeurvoer verbeter kan word deur gebruik te maak van pyplyne en parallelle verwerking. 5.2

3 Ons kan die dele waaruit `n rekenaar bestaan opddeel in drie breë kategorieë of substelsels: die sentrale verwerkingseenheid (SVE/CPU), diehoofgeheue en die invoer/uitvoer substelsel. 5.3 Figure 5.1 Computer hardware (subsystems)

4 5-1 SVE/CPU Die SVE verwerk operasies op data. In meeste argitekture het dit drie gedeeltes: n rekenkundige logiese eenheid (RLE) (arithmetic logic unit (ALU)), n beheer eenheid en `n versameling van registers (vinnige stoor areas). 5.4

5 5.5 Figure 5.2 Central processing unit (CPU)

6 Die rekenkundige logiese eenheid (RLE/ALU) Die RLE (eintlik maar die SVE) hanteer logiese, skuif, en rekenkunedige operasies op data wat gestoor is as bisse. 5.6

7 Registers Registers is vinnige, losstaande stoorposisies wat data tydelik stoor. Daar is veelvuldige registers om die operasie van die SVE te fasiliteer. Van hierdie registers word gewys in Figuur 5.2. Data registers Bevat inivoerdata en resultate op operasies Instruksie register Bevat die volgende instruksie om gedekodeer en uitgevoer te word Program teller 5.7 Hou die geheue adres van die volgende instruksie

8 Die beheereenheid Die derde gedeelte van die SVE is die beheereenheid. Die beheereenheid beheer die operasie van elke substelsel. Beheer word vervul deur seine wat gestuur word van die beheereenheid na die ander substelsels. 5.8

9 5-2 HOOFGEHEUE Hoofgeheue is die tweede hoof substelsel in `n rekenaar (Figuur 5.3). Dit bestaan uit `n klomp stoorposisies, elk met `n unieke identifiseerder, bekend as `n adres. Data word vervoer na en van geheue in groepe van bisse bekend as woorde. `n Woord kan `n groep wees van 8, 16, 32 of 64 (of meer) bisse. As die woord se lengte 8 bisse is, word dit na verwys as `n greep (byte). Theterm byte is so algemeen in rekenaarwetenskap dat ons partykeer na `n 16-bis woord verwys as `n 2-byte woord, of `n 32-bis woord word na verwys as `n 4-byte woord. 5.9

10 5.10 Figure 5.3 Main memory

11 Adress spasie Om toegang te kry na `n woord in geheue vereis `n identifiseerder. Alhoewel programmeerders `n naam gebruik om `n woord (of `n versameling van woorde) te identifiseer, word elke woord ge-identifiseer deur middel van `n adres op die hardeware vlak. Die totale aantal uniekidentifiseerbare posisies in geheue word genoem die adres spasie. Bv., wat is die reeks van adres spasies van `n geheue met 64 kilobytes en `n woord grootte van 1 byte? 64 kilobytes = bytes = bytes Dus is die adres spasie die reeks 0 tot

12 i Geheue adresses word gedefiniëer deur gebruik te maak van ongetekende binêre heelgetalle. 5.12

13 Voorbeeld 5.1 `n Rekenaar het 32 MB (megabytes) geheue. Hoeveel bisse word benodig om `n enkele bis te adresseer in die geheue? Oplossing Die geheue adres spasie is 32 MB = bytes = ( ) bytes = 2 25 bytes. Daarvoor benodig ons log ,of 25 bisse, om elke adres uniek te kan adresseer. Voorbeeld 5.2 `n Rekenaar het 128 MB geheue. Elke woord in die rekenaar bestaan uit 8 bisse. Hoeveel bisse word benodig om `n enkele woord te adresseer in die geheue? Oplossing Die geheue adres spasie is 128 MB = bytes = ( )bytes=2 27 bytes. Alhoewel, elke woord is agt (2 3 ) bytes, wat beteken ons het =2 24 woorde. Dit beteken ons benodig log ,of24 bisse, om elke woord te adresseer. 5.13

14 Geheue tipes Random access memory (RAM): skryf en lees, vlugtig Statiese RAM (SRAM) 5.14 Flip-flop hekke stoor bisse: geen refresh nodig, vinnig maar duur Dinamiese RAM (DRAM) Kapasitors stoor bisse: periodise refresh, stadig maar goedkoop Read-only memory (ROM): slegs lees, nievlugtig Programmeerbare read-only memory (PROM) Oorspronklik skoon: kan dit programmeer, maar nie oorskryf Erasable programmable read-only memory (EPROM) Soos PROM, maar dit kan uitgevee word deur UV lig te gebruik Electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM) Soos EPROM, maar geprogrammeer deur elektriese impulse

15 Geheue hiërargie Rekenaargebruikers benodig baie geheue, veral geheue wat baie vinnig en duur is. Hierdie aanvraag is nie altyd moontlik om te vervul nie baie vinnige geheue is gewoonlik baie duur. `n Kompromie moet aangegaan word. Die oplossing is hiërargiese vlakke van geheue Figure 5.4 Memory hierarchy

16 Kas (Cache) geheue Kas geheue is vinniger as hoofgeheue, maar stadiger as registers in die SVE. Kas geheue, wat gewoonlik klein is in grootte, word geplaas tussen die SVE en hoofgeheue. SVE deursoek die kas geheue vir `n spesifieke woord As die woord nie daar is nie, verkry toegang na die hoofgeheue en kopiëer die blok van geheue wat begin met die woord, en oorskryf die kas SVE kry toegang na die kas en kopiëer die woord.

17 5-3 INVOER/UITVOER SUBSTELSEL Die derde hoofstelsel in `n rekenaar is die versameling toestelle waarna verwys word as die invoer/uitvoer (I/O) substelsel. Hierdie substelsel laat `n rekenaar toe om te kommunikeer met die buitewêreld asook om programme en data te stoor selfs wanneer die krag afgeskakel is. I/O toestelle kan verdeel word in twee breë kategorieë: nie-stoor en stoor toestelle. 5.17

18 Nie-stoor toestelle Nie-stoor toestelle laat die SVE/geheue toe om te kommunikeer met die buitewêreld, maar hulle kan nie inligting stoor nie. Sleutelbord en monitor Drukker 5.18

19 Stoor toestelle Stoor toestelle, alhoewel hulle geklassifiseer word as I/O toestelle, kan groot hoeveelhede inligting stoor wat teruggelees kan word op `n latere stadium (selfs wanneer die krag afgeskakel was). Hulle is goedkoper as hoofgeheue, en hulle inhoud is nie-vlugtig dit is, die inligting gaan nie verlore (word nie uitgevee) as die krag afgeskakel word nie. Hulle word partykeer na verwys as hulp (addisionele) stoortoestelle. Ons kan hulle kategoriseer as òf magneties òf opties. 5.19

20 5.20 Figure 5.6 A magnetic disk Willekeurige toegang (Random access): nie nodig om al die data vooraf te lees om die data te kry wat mens soek nie Kleinste area waarna mens toegang kan verkry: sektor Werkverrigting: Rotasiespoed: Spoed waarteen die skyf spin (7200rpm) Soektyd: tyd wat skyfkop beweeg na volgende baan Oordrag tyd: tyd om data te beweeg van skyf na geheue

21 Figure 5.7 A magnetic tape Geen adresseringsmeganisme: moet eers deur al die data vooraf te lees om die data te kry wat mens soek Werkverrigting: Baie stadiger as magnetiese skywe Magnetiese band is baie goedkoper as magnetiese skyf Gebruik vir baie groot data rugsteun 5.21

22 5.22 Figure 5.8 Creation and use of CD-ROMs

23 5.23

24 5.24 Figure 5.9 CD-ROM format

25 5.25 Figure 5.10 Making a CD-R

26 5.26 Figure 5.11 Making a CD-RW

27 5.27

28 5-4 SUBSTELSEL INTERKONNEKSIE Die vorige afdelings het die karakteristieke uitgewys van die drie substelsels (SVE, hoofgeheue, en I/O) in `n losstaande rekenaar. In hierdie afdeling, verken ons hoe hierdie drie substelsels met mekaar verbind word (initerkonneksie). Die interkonneksie speel `n baie belanlgrike rol, want inligting moet uitgeruil (gekommunikeer) word tussen die drie substelsels. 5.28

29 Konneksie tussen SVE en hoofgeheue Die SVE en geheue word normaalweg verbind deur drie groepe van konneksies, wat elk `n bus genoem word: Data bus: Dra data oor van/na geheue Een konneksie per bis van die geheue se woord grootte Adres bus: Dra geheue adresse oor Een konneksie per bis van die adres se woord grootte Beheer bus: Dra data lees- en skryfopdragte oor Genoegsame konneksies vir alle benodigde opdragte 5.29 Figure 5.12 Connecting CPU and memory using three buses

30 Konneksie van I/O toestelle I/O kan nie direk verbind word met die busse wat die SVE en geheue verbind nie, want die natuur van I/O toestelle is verskillend van die natuur van SVE en geheue: I/O toestelle is elektromagneties, magneties, of optiese toestelle. I/O toestelle werk ook teen `n baie stadiger spoed as die SVE/geheue. Die SVE/geheue is elektroniese toestelle. `n Tussenganger is nodig om hierdie verskil te hanteer: I/O toestelle word dus verbind aan die busse van I/O beheerders of koppelvlakke. Daar is een spesifieke beheerder vir elke I/O toestel. 5.30

31 5.31 Figure 5.13 Connecting I/O devices to the buses

32 5.32 Figure 5.14 SCSI (small computer system interface) controller

33 5.33 Figure 5.15 FireWire controller

34 5.34 Figure 5.16 USB (universal serial bus) controller

35 Adressering van I/O toestelle Die SVE gebruik gewoonlik dieselfde bus om data te lees of data te skryf van/na die hoofgeheue en ander I/O toestelle. Die enigste verskil is die instruksie. As die instruksie verwys na `n woord in die hoofgeheue, vind data oordrag plaas vanaf die hoofgeheue en die SVE. As die instruksie `n I/O toestel identifiseer, vind data oordrag plaas tussen die I/O toestel en die SVE. Daar is twee metodes vir die hantering van die adressering van I/O toestelle: geïsoleerde I/O en geheue-geöriënteerde I/O. 5.35

36 Geïsoleerde I/O Instruksies om I/O toestelle te lees/skryf is totaal verskillend van instruksies om geheue te lees/skryf I/O adresse kan oorvleuel met geheueadresse 5.36 Figure 5.17 Isolated I/O addressing

37 Geheue-geöriënteerde I/O Slefde instruksies om I/O toestelle & geheue te lees/skryf I/O adres bepaal of die I/O vir die toestel of die geheue is 5.37 Figure 5.18 Memory-mapped I/O addressing

38 5-5 PROGRAM UITVOERING Vandag gebruik algemene-doel rekenaars `n versameling van instruksies wat `n program genoem word om data te verwerk. `n Rekenaar voer die program uit om invoerdata om te skakel in uitvoerdata. Beide die program (instruksies) en die data word gestoor in die geheue. i Aan die einde van hierdie hoofstuk gee ons `n klompie voordele van hoe `n hipotetiese, eenvoudige rekenaar `n program uitvoer. 5.38

39 Masjien siklus Die SVE gebruik herhalende masjien siklusse om instruksies in die program uit te voer, een vir een, van die begin tot aan die einde van die program. `n Vereenvoudigde siklus kan uit drie fases bestaan: Haal (Fetch): Beheereenheid beveel die stelsel om die volgende instruksie in die IR te kopiëer (die instruksie van die adres word gestoor deur die programteller (PC)) PC word geïnkrimenteer Dekodeer (Decode): Beheereenheid dekodeer instruksie in die IR deur die instruksie om te skakel in die binêre kode vir die operasie wat uitgevoer moet word Voer uit (Execute): 5.39 Beheereenheid stuur die taak na die betrokke SVE

40 Masjien siklus Figure 5.19 The steps of a cycle 5.40

41 I/O werking (operasie) Opdragte word vereis om data oor te dra van I/O toestelle na die SVE en geheue. Omdat I/O toestelle uitvoer teen baie stadiger spoed as die SVE, moet die operasie van die SVE op `n manier gesinkroniseer word met die I/O toestelle. Daar is drie maniere om hierdie sinkronisasie toe te pas: geprogrammeerde I/O, onderbreking-gedrewe I/O, en direkte-geheue toegang (direct memory access) (DMA). Geprogrammeerde I/O Onderbreking-gedrewe I/O DMA 5.41

42 5.42 Figure 5.20 Programmed I/O

43 5.43 Figure 5.21 Interrupt-driven I/O

44 5.44 Figure 5.22 DMA (direct memory access) connection to the general bus

45 5.45 Figure 5.23 DMA (direct memory access) input/output

46 5-6 VERSKILLENDE ARGITEKTURE Die argitektuur en organisasie van rekenaars het deur baie veranderinge gegaan die afgelope paar dekades. In hierdie afdeling bspreek ons van die algemene argitekture en organisasie wat verskil van eenvoudige rekenaar argitektuur wat ons voorheen bespreek het. 5.46

47 CISC CISC (uitgespreek sisk) staan vir complex instruction set computer (CISC). Die strategie agter die CISC argitektuur is om `n groot versameling van instruksies te hê, insluitende komplekse instruksies. Om CISC-gebaseerde rekenaars te programmeer is dan makliker as in ander ontwerpe want daar is `n enkele instruksie vir beide eenvoudige en komplekse take. Programmeerders hoef dus nie `n versameling instruksies te skryf om `n komplekse taak uit te voer nie. 5.47

48 RISC RISC (uitgespreek risk) staan vir reduced instruction set computer. Die strategie agter die RISC argitektuur is om `n klein versameling instruksies te hê wat `n minimum aantal eenvoudige operasies kan uitvoer. Komplekse instruksies word dan gesimuleer deur `n versameling van eenvoudige instruksies. Programmering in RISC is moeiliker en meer tydrowend as in die ander ontwerp, want die programmeerder moet self meeste van die komplekse instruksies simuleer met eenvoudige instruksies. 5.48

49 Pyplyne Ons het geleer dat `n rekenaar drie fases gebruik: haal, dekodeer en uitvoer, vir elke instruksie. In vroeë rekenaars moes hierdie drie fases gedoen word in versamelings vir elke instruksie. Met ander woorde, instruksie n moet al drie die fases klaarmaak voor instruksie n + 1 sy eie fases kan begin. Moderne rekenaars gebruik `n tegniek wat pyplyne genoem word om die deurvoer te bevorder (die totale aantal instruksies wat uitgevoer word in elke periode van tyd). Die idee is dat die beheereenheid twee of drie van hierdie fases gelyktydig kan doen sodat die volgende instruksie kan begin voor die vorige een klaar uitgevoer het. 5.49

50 5.50 Figure 5.24 Pipelining

51 Parallelle verwerking Oorspronklik het `n rekenaar `n enkele beheereenheid, `n enkele rekenkundige logiese eenheid en `n enkele geheueeenhede gehad. Met die evolusie in tegnologie en die daling in die koste van rekenaarhardeware, kan ons vandag `n enkele rekenaar hê met veelvuldige beheereenhede, veelvuldige rekenkundige logiese eenhede en veelvuldige geheue-eenhede. Hierdie idee word na verwys as parallelle verwerking. Soos pyplyne, kan parallelle ververking deurvoer bevorder Figure 5.24 A taxonomy of computer organization

52 5.52 Figure 5.26 SISD (single instruction stream, single data stream) organization: early single-processor computers

53 Figure 5.27 SIMD (single instruction stream, multiple data stream) organization: early vector processor supercomputers and modern graphics cards 5.53

54 Figure 5.28 MISD (multiple instruction stream, single data stream) organization: rare, except for fault tolerant systems (e.g. space shuttle control) 5.54

55 5.55 Figure 5.29 MIMD (multiple instruction stream, multiple data stream) organization: multi-core and multi-processor systems, and many modern supercomputers

56 5-7 `N EENVOUDIGE REKENAAR Om die argitektuur van rekenaars sowel as hulle instruksieverwerking te versuidelik, beshou ons `n eenvoudige (onrealistiese) rekenaar, soos gewys in Figuur Ons eenvoudige rekenaar het drie komponente: SVE, geheue en invoer/uitvoer substelsel. 5.56

57 Register address (4 bits) Each holds 16 bits 8 bits 16 bits 8 bits (equivalent to a normal memory address, since we re using memory-mapped I/O) 5.57 Figure 5.30 The components of a simple computer

58 Instruksieversameling Elke rekenaarinstruksie bestaan uit twee dele: die operasie kode (opcode) en die operand(e). Die opkode spesifiseer die tipe operasie wat op die operand(e) uitgevoer moet word. Elke instruksie bestaan uit 16 bisse opgedeel in vier 4-bis velde. Ons eenvoudige rekenaar kan dus `n versameling van sestien instruksies stoor, alhoewel ons slegs veertien van hierdie instruksies gebruik. Die linkerkantste veld bevat die opkode en die ander drie velde bevat die operand of adres van die operand(e), soos vertoon in Figuur

59 5.59 Figure 5.31 Format and different instruction types

60 Verwerking van die instruksies Ons eenvoudige rekenaar, soos meeste rekenaars, maak gebruik van masjiensiklusse. `n Siklus bestaan uit drie fases: haal, dekodeer en verwerk. Gedurende die haal fase word die instruksie, wat se adres bepaal word deur die PC, verkry vanaf die geheue en gelaai in die IR. Die PC word dan geinkrimenteer om na die volgende instruksie te wys. Gedurende die dekodering fase, word die instruksie in die IR gedekodeer en die verlangde operand(e) te kry vanaf die register of geheue. Gedurende die uitvoerfase word die instruksie uitgevoer en die resultaat geplaas in die bepaalde geheueposisie of register. Sodra die derde fase voltooi is, begin die beheereenheid die siklus weer waarydens die PC alreeds na die volgende instruksie wys. Hierdie proses duur voort totdat die SVE `n HALT instruksie ontvang. 5.60

61 Add integers Add floating point numbers Third operand: 0 = circularly rotate bits in R right 1 = circularly rotate bits in R left 5.61

62 `n Voorbeeld Ons gaan wys dat ons eenvoudige rekenaar twee heelgetalle A en B bymekaar kan tel en die resultaat in C stoor. Ons neem aan dat heelgetalle in twee s kompliment formaat is. Wiskundig kan ons die operasie as volg vertoon: Ons neem aan dat die twee heelgetalle gestoor is in geheueposisies (40) 16 en (41) 16 en dat die resultaat gestoor moet word in geheueposisie (42) 16. Om hierdie eenvoudige optelling te doen benodig ons die volgende vyf instruksies: 5.62

63 In die taal van ons eenvoudige rekenaar, kan hierdie vyf instruksies ge-enkodeer word as: 5.63

64 Stoor van program en data Ons kan die vyf-lyn program in die geheue stoor wat begin by posisie (00) 16 tot (04) 16. Ons weet alreeds dat die data gestoor moet word in geheueposisies (40) 16, (41) 16,en(42) 16. Siklusse Ons rekenaar genruik een siklus per instruksie. As ons `n klein programmetjie met vyf instruksies het, benodig ons dus vyf siklusse. Ons weet ook dat elke siklus normaalweg bestaan uit drie stappe steps: haal, dekodeer, verwerk (voer uit). Neem aan vir die oomblik dat ons die volgende moet verwerk: = 415. Die getalle word gestoor in die geheue in heksadesimaal as volg: (00A1) 16, (00FE) 16, en (019F) 16 respektiewelik. 5.64

65 5.65 Figure 5.32 Cycles for instruction 00

66 5.66 Figure 5.33 Cycles for instruction 01

67 5.67 Figure 5.34 Cycles for instruction 02

68 5.68 Figure 5.35 Cycles for instruction 03

69 5.69 Figure 5.36 Cycles for instruction 04

70 Nog `n voorbeeld In die vorige voorbeeld het ons aangeneem dat die twee heelgetalle wat bymekaargetel moet word reeds in geheue is. Ons neem ook aan dat die resultaat van optelling gestoor moet word in die geheue. Die vrae mag nou by jou opkom: hoe kan ons die twee getalle eers in die geheue ingelaai kry, of hoe gebruik ons die resultaat wat ons gestoor het in geheue? In `n realistiese situasie, lees ons mos eers die twee getalle in geheue in m.b.v. `n invoertoestel soos `n sleutelbord, en vertoon ons die derte getal (resultaat) met `n uitvoertoestel soos `n monitor. Om data te verkry vanaf `n invoertoestel word gewoonlik `n lees operasie genoem, terwyl om data te stuur na `n uitvoertoestel word normaalweg `n skryf operasie genoem. Om ons vorige program meer realisties te maak, verander dit as volg: 5.70

71 In ons rekenaar kan ons die lees en die skryf operasies simuleer deur gebruik te maak van die LOAD en STORE instruksies. Verder lees LOAD data invoer na die SVE en STORE skryf data uitvoer vanaf die SVE. Ons benodig twee instruksies om data te lees na die geheue of data te skryf vanuit die geheue as volg. 5.71

72 Die lees operasie is: Vraag 1: Hoekom kan ons nie direk lees van M EF na M nie? Vraag 2: Vir wat moet ons dan nog M se waarde stoor? Die skryf operasie is: i Die invoer operasie moet altyd data lees van `n invoertoestel na geheue; die uitvoer operasie moet altyd data skryf van geheue na `n uitvoertoestel. 5.72

73 Die program word gekordeer as volg: Die program word gedekordeer as volg: 1 LOAD M FE into R F 5 LOAD M 40 into R 0 9 LOAD M 42 into R F 2 STORE R F into M 40 6 LOAD M 41 into R 1 10 STORE R F into M FF 3 LOAD M FE into R F 7 ADDI R 0 and R 1 into R 2 11 HALT 4 STORE R F into M 41 8 STORE R 2 into M 42 Operasies 1 tot 4 is vir invoer en operasies 9 en 10 is vir uitvoer. Wanneer ons die program uitvoer, wag dit vir die gebruiker om twee getalle in te lees vanaf die sleutelbord en om enter te druk. Die program bereken dan die som en vertoon die resultaat op die monitor. 5.73