ARHITECTURA CALCULATOARELOR LABORATOR PROGRAMĂ ANALITICĂ OBIECTIVE CURS. Obiective educaţionale: Profesor Mihai ROMANCA

Size: px

Start display at page:

Download "ARHITECTURA CALCULATOARELOR LABORATOR PROGRAMĂ ANALITICĂ OBIECTIVE CURS. Obiective educaţionale: Profesor Mihai ROMANCA"

Merry Randall
6 years ago
Views:

1 ARHITECTURA CALCULATOARELOR Profesor Mihai ROMANCA Departamentul Automatică, Electronică şi Calculatoare Web page curs: OBIECTIVE CURS Introducere în arhitectura calculatoarelor de uz general, cu accent pe structura şi organizarea sistemelor: UCP, memorie, sistem de IO Clasificare şi exemplificare a arhitecturilor moderne de calculatoare La absolvirea cursului studenţii vor fi capabili: să descrie, clasifice şi să utilizeze un sistem de calcul pe bază de microprocesor să descrie funcţionarea subsistemelor unui calculator utilizeze cunoştinţele (cu ajutorul foilor de catalog şi a notelor de aplicaţii) pentru instalare, depanare şi proiectare a dispozitivelor cu microprocesor, sau a unor interfeţe specializate la calculator 1 2 LABORATOR Obiective educaţionale: Căpătarea deprinderilor de programare şi dezvoltare de aplicaţii software cu microprocesoare Utilizarea programării în limbaj de asamblare pentru procesoare Intel 80x86 3 PROGRAMĂ ANALITICĂ 1. Elemente introductive privind calculatoarele numerice: Reprezentările funcţionale şi structurale ale sistemelor de calcul, Organizarea calculatorului, Magistrale, Tipuri de microprocesoare, Modalităţi de evaluare a performanţelor, 2. Principii fundamentale privind organizarea şi funcţionarea Unităţii Centrale de Procesare (UCP): Structura de procesor, funcţionare, cale de date, unitate de control, arhitectura unei UCP elementare, adresarea şi selectarea memoriei principale, indicatori de condiţii şi de control, interfaţa cu exteriorul, tipuri de semnale pe magistralele externe, întreruperi şi excepţii, memoria stivă, seturi de instrucţiuni, CISC/RISC, moduri de adresare, unitatea de control, structuri de tip pipeline (conductă) 3. Organizarea memoriei: Funcţie, caracteristici principale, organizarea pe niveluri ierarhice, RAM static, RAM dinamic, cache, tehnici de administrare a memoriei, implementarea memoriei virtuale 4. Organizarea sistemului de intrare/iesire (I/O): interfeţe, comunicaţii seriale sincrone şi asincrone, modalităţi de transfer I/O, standarde de interfaţare la magistralele calculatorului 4

2 Bibliografie Romanca, M., Calculatoare - arhitectura si organizare, Ed. Universităţii Transilvania, Braşov, 2004; disponibil în format electronic la romanca Athanasiu, Irina, s.a., Microprocesoarele 8086, 286, 386, Programarea în limbaj de asamblare, Ed. Teora 1992; Stallings, William, Computer Organization and Architecture, 5th edition, Prentice Hall International, Inc., Tanenbaum, Andrew, Organizarea structurată a calculatoarelor, Computer Press Agora, Forme de evaluare Colocviu Prezenţa la curs Laborator EVALUARE Modalitate evaluare Examinare scrisă Ca formă de cooperare în însuşirea cunoştinţelor Activitate practică şi evaluare finală Procent din nota finală 80 % 10 % 10% Pentru promovarea examenului este obligatorie obţinerea notei minime 5.00 la examinarea scrisă cât şi media minimă 5.00 la evaluarea activităţii în laborator 5 6 Ce este un Microprocesor? Un microprocesor (MP) este o unitatea Centrală de Procesare (UCP) integrată într-un singur chip. UCP pentru un (micro)calculator de uz general este un microprocesor de uz general UCP-ul unui calculator este o structură de procesor de uz general Toate calculatoarele moderne sunt construite cu microprocesoare cu funcţia de UCP. Ce este un calculator? Un calculator este o maşină de prelucrare automată a datelor ce funcţionează sub controlul unei liste de instrucţiuni (program) stocate în memoria principală a calculatorului. Un calculator este o combinaţie de resurse fizice (hardware) şi programe (software) Calculatorul conţine: UCP + Memorie + IO 7 8

3 Structura generală a unui calculator Sistem de calcul Calculator (GPC) UCP (Microprocesor) Memorie principală date adrese control Interfeţe IO De obicei un sistem de calcul conţine un calculator şi periferice Organizare calculator: UCP (căi de date şi control) Memoria principală Sistem de intrare-ieşire (legătura cu dispozitivele externe periferice) Perifericele calculatorului includ Dispozitive de intrare (tastatură, mouse, memorii secundare) Dispozitive de ieşire (display, difuzoare, memorii secundare, imprimantă) Periferice 9 10 MICROCONTROLLER Microcontroller un calculator ce include un microprocesor şi care este destinat aplicaţiilor de control industrial (nu calculului de uz general) Un microcontroller conţine: UCP, memorie şi IO Un microcontroller este un microcalculator pe un chip proiectat pentru aplicaţii de control Microprocesor vs. Microcontroller Microprocesoarele sunt utilizate în general pentru aplicaţii de înaltă performanţă de procesare. Microprocesoarele sunt utilizate ca UCP pentru calculatoare de uz general (GPC) Microprocesoarele necesită extern memorie şi interfeţe IO Microprocesoarele sunt utilizate în PC-uri, staţii de lucru, servere, unde compatibilitatea software, performanţa, generalitatea şi flexibilitatea sunt importante. Microcontrollerele sunt proiectate pentru a se obţine o dimensiune redusă a chip-ului, micşorarea costurilor şi includerea de spaţiu de memorie şi IO pe chip. Microcontrollerele sunt adesea specializate pe aplicaţii în dauna flexibilităţii. Un microcontroller conţine: UCP, Memorie, IO 11 12

4 Microprocesor vs. Microcontroller PROGRES CALCULATOARE NUMERICE Principalul obiectiv al proiectării pentru fiecare tip de chip poate fi rezumat ca: Microprocesoarele (MP) sunt mai ales flexibile Microcontrollerele (MC) sunt mai ales compacte Dezvoltarea rapidă în domeniu se bazează pe două caracteristici principale: dezvoltarea tehnologiei semiconductoare utilizată la construcţia microprocesoarelor inovaţii în organizarea şi proiectarea calculatoarelor DEZVOLTAREA TEHNOLOGIEI SEMICONDUCTOARE - Legea lui Moore DEZVOLTAREA TEHNOLOGIEI SEMICONDUCTOARE - Legea lui Moore Legea e numită după dr. Gordon E. Moore, co-fondator al firmei Intel, care a descris această tendinţă într-un articol publicat în 1965 Lucrarea menţiona că numărul de componente în circuitele integrate s-a dublat în fiecare an de la momentul inventării IC în 1958 şi până în 1965, iar predicţia era că tendinţa se va menţine pentru cel puţin 10 ani. Alte formulări: Numărul tranzistoarelor (echivalente) ce poate fi plasat pe un circuit integrat creşte exponential, dublându-se aproximativ la fiecare 2 ani Numărul tranzistorilor ce pot fi plasate ieftin pe un circuit integrat creste exponential, dublandu-se aproximativ la fiecare 2 ani. Densitatea la cost minim pe tranzistor Puterea de calcul va creşte exponenţial, dublându-se la fiecare luni, pentru un viitor previzibil 15 Proprietăţile multor dispozitive electronice sunt strâns legate de legea lui Moore: viteza de prelucrare capacitatea de memorie dimensiunea şi rezoluţia senzorilor etc Termenul de Lege a lui Moore a fost inventat, în jurul lui 1970, de profesorul Carver Mead de la California Institute of Technology Legea lui Moore este adesea criticată, pentru că utilizatorii sunt interesaţi în primul rând de creşterea performanţelor procesoarelor Este greu să se echivaleze creşterea numărului de tranzistoare echivalente pe un chip cu creşterea performanţei procesoarelor 16

5 Tendinţă: oprirea creşterii frecvenţei de ceas Cu cât sunt mai multe impulsuri pe secundă cu atât se fac mai multe operaţii Cu cât frecvenţa este mai mare cu atât creşte si puterea consumată (comutaţie) Creşterea frecvenţei impune mijloace de disipare a căldurii procesorului Tendinţă: oprirea creşterii frecvenţei de ceas Procesoare multi-core (mai multe nuclee ce lucrează în paralel) Intel a calculat că scăderea cu 20% a frecvenţei pentru un nucleu conduce la scăderea la jumate a puterii consumate şi doar la 13% pierdere de performanţă Dacă se împart sarcinile de prelucrare între 2 nuclee ce lucrează la o frecvenţă redusă la 80%, se obţine o performanţă mai mare cu 73% pentru aceeaşi putere consumată Disiparea căldurii este mai bună (două noduri în loc de unul) Scurtă analiză istorică a progresului Anii 1960 calculatoare mari. Aplicaţiile tipice includeau procesări de date în afaceri şi calcule ştiinţifice Anii 1970 apariţia minicalculatorului: laboratoare ştiinţifice, utilizatori multipli care partajează resursele de la terminale independente microprocesorul : îmbunătăţiri în tehnologia circuitelor integrate, cost redus, producţie în număr mare, răspândire în multe aplicaţii de calcul numeric Generalizarea limbajelor de programare de nivel înalt (HLL) + translatoare a înlăturat nevoia compatibilităţii programelor la nivel de cod obiect Crearea de sisteme de operare standardizate, independente de producător, care au scăzut costurile şi riscurile de utilizare a noilor arhitecturi Scurtă analiză istorică a progresului Anii 1980: apariţia arhitecturilor RISC (Reduced Instruction Set Computer) Maşinile RISC au permis dezvoltarea paralelismului la nivel de instrucţiune (iniţial prin pipelining iar apoi prin lansarea multiplă de instrucţiuni) şi utilizarea memoriilor cache. Apariţia calculatoarelor desktop construite pe bază de microprocesor (personal computers, workstations)

6 Scurtă analiză istorică a progresului Anii 1990: Multiprocesoare SoC (System on Chip) VLIW (very large instruction word) un compilator planifică instrucţiunile (static) spre deosebire de planificarea dinamică de la procesoarele superscalare Din ce în ce mai multe funcţii implementate hardware: acceleratoare grafice, extensii de instrucţiuni MMX Răspândirea legăturii Internet şi a tehnicilor World Wide Web Dispozitive de calcul portabil (PDA, notebook) Electronică digitală de larg consum Microprocesoare secolul XXI Frecvenţe de ceas mai mari de 2 GHz Procesoare de putere mică (aplicaţii mobile) Micro-arhitecturi superscalare (mai multe instrucţiuni lansate în paralel) SIMD (Single Instruction Stream Multiple Data Stream): operaţii similare efectuate în paralel pe seturi diferite de date Funcţii de prelucrare DSP: MMX, 3D, grafică, sunet Nuclee procesor multiple pe un chip Memorie cache pe 2-3 niveluri PRINCIPALE CATEGORII DE APLICAŢII ALE MICROPROCESOARELOR ARHITECTURA CALCULATORULUI Piaţa microprocesoarelor s-a dezvoltat pe trei direcţii mari: Desktop Exemple: PC, staţii de lucru Metrici: latenţă (grafică şi sistem de IO) Servere furnizează servicii de fişiere şi calcul Exemple : server Web, server bază de date, server LAN Metrici: throughput, fiabilitate, scalabilitate Sisteme Embedded (sisteme cu procesor înglobat) Exemple: telefon celular, PDA, cuptor cu microunde, cameră video digitală Metrici: complexitate, putere redusă, latenţă Piaţa embedded este cea mai mare! Procesor Embedded = Un procesor programabil a cărui interfaţă de programare nu este accesibilă utilizatorului final şi care realizează un set restrâns de funcţiuni dedicate aplicaţiei specifice. 23 Arhitectul de calculator proiectează maşina pentru a rula programe. Arhitectura de calculator (procesor) include: 1. Arhitectura setului de instrucţiuni ISA (Instruction Set Architecture) 2. Implementare, cu două componente: Organizare Hardware 24

7 ,,Arhitectura calculatorului Termenul de arhitectură se referă la două componente principale: Arhitectura Setului de Instrucţiuni (ISA), se referă la setul de instrucţiuni vizibil programatorului. Arhitectura setului de instrucţiuni serveşte ca o interfaţă între software şi hardware. Implementarea maşinii cu două sub-componente: organizare hardware Arhitectura Setului de Instrucţiuni Interfaţă între hardware şi software. ISA include tot ce trebuie să cunoască un programator pentru a programa la nivel fizic al maşina. ISA permite ca două maşini diferite (implementare, costuri şi performanţe diferite) să ruleze aceleaşi programe Implementare Organizarea include aspectele de nivel înalt ale proiectului, cum ar fi organizarea sistemului de memorie, structura magistralelor, organizarea internă a UCP. Două maşini pot avea organizări diferite, dar să aibă acelaşi ISA. Hardware se referă la aspectele specifice de implementare ale maşinii. Include proiectul de detaliu al logicii, tehnologia semiconductoare utilizată, tipul de capsulă. Organizarea generală a unui calculator uni-processor Fluxul de informaţii este controlat de UCP pe două căi: cale de control ( creierul procesorului). Semnalele de control spun căii de date, memoriei şi sistemului de intrare/ieşire ce să facă, conform instrucţiunilor unui program. cale de date ( muşchii procesorului). Calea de date realizează operaţii aritmetice / logice şi de transfer UCP ALU Unitate de Control Registre date instrucţiuni adrese şi comenzi Calculator Memorie principală 27 28

8 Organizare generală a unui (micro)processor, cu indicarea interfeţelor principale cu exteriorul Bloc Registre ALU Program Counter (pt. aducere instrucţiuni) PC IR Instrucţiunea curentă Logică de Control Reg. adrese memorie (pt. aducere date) MAR MDR Adresă instr. Instrucţiune Adresă Date Date de la/la memorie 29 Principii: Architectura von Neumann (definită în 1945) Datele şi instrucţiunile sunt stocate în aceeaşi memorie principală (conceptul de program stocat); Conţinutul memoriei este adresabil la nivel de locaţie (fără a se considera ce informaţie este stocată: date sau cod); Instrucţiunile sunt executate secvenţial (una câte una în ordinea locaţiilor de memorie în care sunt stocate) cu excepţia faptului când acest lucru este precizat explicit. Calculatorul conţine următoarele subsisteme: unitate de control, unitate aritmetică şi logică (ALU), sistem IO, memorie Calculatoarele cu arhitectură von Neumann sunt calculatoare de uz general. Ele pot rezolva diverse probleme în funcţie de programul executat. 30 Arhitectură de uz general secvenţială (von Neumann) reprezentare structurală Reprezentare structurală (cont.) Periferice intrare Sistem de calcul conceptul de program stocat Sistem de intrare UCP Calculator Unit. control (UC) Memorie principală I D ALU & Registre Sistem de ieşire Periferice ieşire Funcţia principală a UCP este să execute instrucţiunile aduse ( fetch ) din memoria principală. O instrucţiune codifică pentru UCP o operaţie de bază (aritmetică, logică, transfer de date la / de la memorie, etc.) ce trebuie efectuată. UC interpretează (decodifică) instrucţiunea curent adusă şi comandă celelalte unităţi funcţionale pentru a se putea executa instrucţiunea. UCP conţine un set de registre folosite ca locaţii de stocare temporară pentru rezultate intermediare şi date intens utilizate de program. Fiecare instrucţiune este executată într-o secvenţă de paşi, numită ciclu instrucţiune

9 Reprezentare a ciclului instrucţiune Unitate de Control Reprezentare simplificată ciclu instrucţiune: Fetch Instrucţiune Execuţie O reprezentare extinsă a ciclului instrucţiune : Fetch Instrucţiune Execuţie Decodifică instrucţiune Fetch operand Unitatea de control (UC) este creierul procesorului UC controlează şi sincronizează toate elementele din interiorul UCP şi interfeţele către calea de date externă. Registru Instrucţiune Indicatori condiţii şi stare Unitate de Control Semnale de control interne UCP Semnale de control către magistrala sistem Semnale de la magistrala sistem Pentru rularea programului UCP are o funcţionare ciclică la fiecare instrucţiune executată 33 Clock 34 MEMORIA PRINCIPALĂ (INTERNĂ) Sistem de Intrare / Ieşire Adresa 0 Adresa 1 Adresa k Adresa 2 a-1-1 Adresa 2 a -1 d biţi Sistemul de IO conţine locaţii adresabile (port-uri) prin care calculatorul face schimb de informaţie cu lumea externă. Sistemul conţine circuite pentru funcţiile: schimbare format date (serial / paralel) stocare temporară de date (latch) verificare a corectitudinii datelor transferate sincronizare între periferic şi UCP (datorită diferenţelor mari de viteză de funcţionare). logică de decodificare 35 36

10 Periferice Două tipuri principale de arhitecturi Arhitectură von Neumann o singură memorie pentru date şi instrucţiuni Dispozitive (periferice) de intrare recepţionează informaţia din mediul extern (prin diverşi senzori) şi o transformă ca natură fizică şi format de reprezentare compatibilitate cu nivelurile de tensiune recunoscute de calculator (ca valori binare). Dispozitive (periferice) de ieşire operaţie inversă dispozitivelor de intrare. Prelucrează datele din calculator şi le transformă în informaţie acceptabilă la dispozitivul de ieşire. Arhitectură Harvard Memorii separate pentru instrucţiuni şi date Memorie de Program doar instrucţiuni Memorie date şi instrucţiuni addr. bus PM data bus PM address bus data bus UCP CPU addr. bus DM data bus DM Memorie de Date doar date REPREZENTAREA FUNCŢIONALĂ A UNUI CALCULATOR Un calculator poate fi descris şi prin funcţiile - operaţiile pe care le pune la dispoziţia utilizatorului Circuitele electronice ale unui calculator recunosc şi execută doar un set limitat de instrucţiuni elementare, codificate în formă binară Instrucţiunile recunoscute sunt rareori mai complicate decât: adună două numere verifică dacă un număr este egal cu zero copiază date dintr-o zonă a memoriei calculatorului în altă zonă. LIMBAJ DE PROGRAMARE Instrucţiunile elementare, recunoscute de un procesor formează limbajul maşină al procesorului Notaţie: limbaj L0 ce corespunde maşinii fizice M0. Programatorul scrie programele sale într-un limbaj L1, format din instrucţiuni simbolice (succesiuni de litere şi cifre) şi mai apropiat de limbajul uman Pentru a putea executa acest program pe maşina M0 fiecare instrucţiune din L1 a programului trebuie translatată în instrucţiuni din limbajul L0 De exemplu programatorul poate scrie în L1 instrucţiunea: add al,6 iar programul de translatare va genera succesiunea binară, corespunzătoare lui L0:

11 MAŞINI VIRTUALE Calculator = succesiune de maşini virtuale Funcţional, se poate spune că limbajul L1 corespunde unei maşini virtuale programabile numită M1. Numele acestui limbaj simbolic de programare este limbaj de asamblare, iar programul de translatare este numit asamblor. Translatarea: - tot programul scris în L1 este transformat în program scris în L0 (executabil), iar programul în L1 este abandonat. - programul în L0 este încărcat în memoria calculatorului şi executat Exemple de programe translator: compilator, asamblor. Interpretorul este un program în L0 care rulează pe M0 şi care preia instrucţiunile programului în L1 ca pe date de intrare. Interpretorul citeşte şi decodifică fiecare instrucţiune din L1 şi apoi trece imediat la execuţia acesteia. La interpretare nu se generează un program executabil ca la translatare Limbaje de programare mai apropiate de limbajul uman: L2, L3,... (pentru maşini virtuale M2, M3,...) Maşina virtualã Mn, cu limbajul maşinã Ln Maşina virtualã M2, cu limbajul maşinã L2 Maşina virtualã M1, cu limbajul maşinã L1 Maşina fizicã (realã) M0, cu limbajul maşinã L0 Nivelul n: Programele în Ln pot sã fie interpretate de un interpretor ce ruleazã pe o maşinã de nivel inferior, sau pot sã fie translatate cãtre limbajul maşinã al unei maşini inferioare Nivelul 2: Programele în L2 pot sã fie interpretate de un interpretor ce ruleazã pe M1 sau M0, sau pot sã fie translatate în L1 sau L0 Nivelul 1: Programele în L1 pot sã fie interpretate de un interpretor ce ruleazã pe M0, sau pot sã fie translatate în L0 Nivelul 0: Programele în L0 pot fi executate direct de cãtre circuitele electronice Pachete de aplicaţii Translatare sau interpretare Limbaj de nivel înalt aux=z[k]; for (j=k;j<q;j++) z[j]=z[j+1]; z[q]=aux; if(z[k]==k) k++; else {printf("\n");k=1; - software utilizator SOFTWARE Ierarhie de maşini virtuale la GPC microprogramat Asamblor Translatare Maşina virtualã a sistemului de operare Instrucţiuni maşinã Microprogram Interpretare Unitãţi funcţionale Translatare Interpretare parţială Interpretare shl dl,1 jnc adr1 add ax,bx shl ax,1 dec cl Software - software de asistenţã (pentru dezvoltarea aplicaţiilor) compilatoare - software de sistem interpretoare de comenzi sisteme de operare sistem de fişiere Implementare memorie virtualã Dispozitive electronice drivere dispozitive de I/O 43 44

Metrici LPR interfatare cu Barix Barionet 50 -

Metrici LPR interfatare cu Barix Barionet 50 - Barionet 50 este un lan controller produs de Barix, care poate fi folosit in combinatie cu Metrici LPR, pentru a deschide bariera atunci cand un numar de