KOMPIUTERIŲ ARCHITEKTŪRA ir OPERACINĖS SISTEMOS

1. KOMPIUTERIŲ ARCHITEKTŪRA ir OPERACINĖS SISTEMOS Doc. Stasys Maciulevičius Kompiuterių katedra stasys.maciulevicius@ktu.lt

2. Kaip mes dirbsime? • Paskaitos – kiekvieną trečiadienį 17.00 (po 2 val.) • Lab. darbai – lyg.sav. penktadienį 17.00 (po 2 val.) • Referatas ir laboratorinis darbas - atsiskaitymui • Susitikimai ir atsiskaitymai “darbo savaitgaliais” Kaune: • 5 savaitė – kovo 9 d. (šeštadienis) 15 val. IF 205 k. • 13 savaitė – gegužės 11 d. (šeštadienis) 15 val. IF 205 k. • Grįžtamasis ryšys – elektroniniu paštu: stasys.maciulevicius@ktu.lt S.Maciulevičius

3. Atsiskaitymai ir jų svoris * Atsiskaitant pavėlavus, bus įvertinimas mažinamas S.Maciulevičius

4. Pirmosios paskaitos turinys • apie mūsų kursą • kompiuterių vystymosi variklis – darbo spartos didinimas • kas lemia bendrąją kompiuterių darbo spartą • von Neuman'o ir Harvardo architektūros • komandos vykdymo procesas • kompiuterių struktūrų vystymasis • kompiuterių įvairovė S.Maciulevičius

5. Kompiuterių evoliucija • apdorojimo spartos augimas • komponentų dydžio mažėjimas • atminties talpos augimas • įvesties ir išvesties srautų ir spartos didėjimas Svarbu: subalansuoti skirtingų komponentų darbo spartą S.Maciulevičius

6. Vartotojas Vartotojo taikymai Taikomosios programos Programavimo sistemos Pagalbinės programos Operacinė sistema Kompiuterioaparatūra Vartotojas ir kompiuteris S.Maciulevičius

7. Ką mes nagrinėsime? • kompiuterio sandarą ir darbo principus • procesorius – kompiuterio variklį • hierarchinę atminties sistemą • magistrales, siejančias kompiuterio įtaisus • įvesties ir išvesties organizavimą • operacinių sistemų pagrindus Žvilgsnis per našumo prizmę S.Maciulevičius

8. Kurso medžiaga • J.L.Hennessy, D.A.Patterson. Computer Architecture: A Quantitative Approach. - Morgan Kaufman, San Mateo, CA, 1990, 1996, 2003 • W.Stallings. Computer Organization and Architecture: Designing for Performance. - Prentice Hall Int., 2000 • Guk M. Apparatnyje sredstva IBM PC. S.-P., Piter, 1999 S.Maciulevičius

9. Kurso medžiaga • W.S.Davis, T.M.Rajkumar. Operating Systems: A Systematic View. - Addison Wesley, 2001 • A.Vidžiūnas, D.Vitkutė. Operacinės sistemos. - Vilnius, 1995 • Paskaitų skaidrės www.ifko.ktu.lt/~stama– toliau žr. modulio pavadinimą. • S.Maciulevičius, A.Valys. Operacijos su sveikaisiais skaičiais ir jų modeliavimas, KTU leidykla "Technologija“, 2012 • Kiti šaltiniai Internete – žr. nuorodas mano tinklalapyje S.Maciulevičius

10. Praeitis ir dabartis Laikas iki atsirandant kompiuteriams: • abakas, skaitytuvai • 1642 m., B.Paskalis - pirmasis mechaninis skaičiavimo įtaisas • 1673 m., G.Leibnicas - mechaninė skaičiavimo mašina • 1822 m., Č.Bebidžas - "skirtuminė" mašina • 1854 m., Dž.Būlis - knyga "Mąstymo dėsniai" S.Maciulevičius

11. Praeitis ir dabartis Kompiuterių era • Dž.Atanasovas (JAV, kompiuteris ABC), K.Cūzė (Vokietija, 1942 m.), H.Aikenas (JAV, 1944 m.) • Dž.P.Eckertas ir Dž.Močli (Pensilvanijos univ.) - pirmasis elektroninis bendrosios paskirties kompiuteris ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator); U formos kompiuteris buvo 24 metrų ilgio, 2,5 m. aukščio ir svėrė apie 30 tonų. Viso kompiuteryje - 18000 elektroninių lempų • 1944 m. Dž. fon Neimanas pradėjo dirbti prie ENIAC projekto. Projekto autoriai parengė atmintyje saugomos programos panaudojimo idėją. Tai davė pradžią plačiai žinomai sąvokai “Fon Neimano kompiuteris” S.Maciulevičius

12. Praeitis ir dabartis • Pirmasis kompiuteris, kuriame programa saugojama jo atmintyje, 1949 m. M. Uilkso EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator) projektas Kembridže • Pirmuoju komerciniu kompiuteriu laikomas UNIVAC I (1951 m.). Jis kainavo apie 1 mln dolerių. Tokių kompiuterių buvo pagaminta 48 • IBM firma 1950 m. įsijungė į kompiuterių gamybą. Jos pirmasis kompiuteris - IBM 701; jų buvo pagaminta 19 S.Maciulevičius

13. Praeitis ir dabartis • 1963 m. buvo pristatytas pirmasis superkompiuteris - CDC 6600. Jokūrėjas - S.Krėjus. • IBM, investavusi 5 mlrd. dolerių, 1964 m. paskelbė apie sistemąIBM/360(šeimą): • (beveik) ta pati komandų sistema • (beveik) ta pati operacinė sistema • didėjanti sparta • didėjanti atminties talpa: S.Maciulevičius

14. IBM System/360 (kai kurie modeliai) S.Maciulevičius

15. Praeitis ir dabartis • 1965 m. DEC pristatė PDP-8 - pirmąjį komercinį minikompiuterį (apie 20 000 $) mašiną. • 1971 m. – pirmasis mikroprocesorius (Intel 4004) • 1973 m. pirmą kartą panaudotas terminas "mikrokompiuteris" (rašant apie Micral). • Gary Kildall parašė paprastą operacinę sistemą PL/M kalba - CP/M (Control Program/Monitor arba Control Program for Microcomputer ). S.Maciulevičius

16. Praeitis ir dabartis • 1974 m. Intel išleido 2-MHz 8080, 8 bitų mikroprocesorių (64 KB atminties adresavimas, 6000 tranzistorių) • 1976 m. Steve Wozniak ir Steve Jobs sukūrė Apple I • 1977 m. S.Džobs ir S.Vozniakas davė pradžią personalinių kompiuterių pramonei, sukurdami Apple II S.Maciulevičius

17. Praeitis ir dabartis • 1980Seagate Technologies pristatė pirmąjį 5.25 colių standųjį diską (Winchester) Digital Research pateikė CP/M-86 Intel 8086 ir 8088 tipo sistemoms Profesorius David Patterson (University of California in Berkeley) pirmą kartą panaudojo terminą RISC (Reduced Instruction Set Computer) S.Maciulevičius

18. Praeitis ir dabartis • 1981 IBM pristatė IBM 5150 PC Personal Computer (4.77-MHz Intel 8088 CPU, 64KB RAM, 40KB ROM, vienas 5.25” lanksčių diskelių įtaisas ir PC-DOS 1.0), kaina - $3000 • 1983 IBM pristatė IBM PC XT, turintį 10 MB standųjį diską, 128KB RAM ir 360KB lanksčių diskelių įtaisą (už $5000) • 1985 m. Intel sukūrė 16 MHz mikroprocesorių 80386 Microsoft pateikė Microsoft Windows 1.0 už $100 S.Maciulevičius

19. Praeitis ir dabartis • 1988m.Compaq Computer sukūrė savo pirmąjį portatyvų PC su VGA grafika (Compaq SLT/286). Jis turėjo 12-MHz 80286, 640KB RAM, 20-40 MB standųjį diską. Kaina siekė $5800. Digital Equipment pradėjo kurti 64 bitų mikroprocesorių. Tai 150-MHz Alpha 21064, pasirodęs 1992. • 1992m.Intel įvedė Peripheral Component Interconnect (PCI) magistralės standartą • 1993m.Intel pristatė Pentium (60 MHz) ir t.t. S.Maciulevičius

20. Kompiuterių parametrai S.Maciulevičius

21. Kompiuterių parametrai S.Maciulevičius

22. von Neuman'o tipo kompiuteris Čia priimta, kad visi informacijos mainai tarp kompiuterio įtaisų vykdomi per vienintelę magistralę. Komandų ir duomenų procesorius įprasta apjungti į vieną įtaisą - centrinį procesorių (CPU). Iš kompiuterių organizacijos taško Neumano architektūrą sudaro tokie įtaisai: 1) CPU, apjungiantis operacinį (duomenų procesorių) ir valdymo (komandų procesorių) įtaisus; CPU interpretuoja ir vykdo programos komandas (išskyrus informacijos įvedimo ir išvedimo komandas); 2) atmintis, kurioje saugomi visi duomenys ir programos; 3) įvesties ir išvesties įtaisas, kuris kartu su periferiniais įtaisais užtikrina kompiuterio ryšį su aplinka; 4) vidiniai duomenų keliai - magistralės, kurios užtikrina informacijos mainus tarp visų kompiuterio įtaisų. S.Maciulevičius

23. von Neuman'o principai • Fon Neimano suformuluoti principai kartais pateikiami ir kitaip: • Dvejetainio kodavimo principas: tai reiškia, kad visa informacija kompiuteryje koduojama, apdorojama ir saugoma dvejetainiu pavidalu. • Programinio valdymo principas: kompiuterio programa yra seka komandų, kurias procesorius automatiškai vykdo tam tikra tvarka. • Vienalytės atminties principas: atmintyje laikoma informacija skiriasi ne kodavimu, o panaudojimu. • Adresavimo principas: informacija laikoma atminties lastelėse, kurios turi tikslų adresą. Žinodamas adresą, procesorius bet kuriuo momentu gali pasiekti jam reikalingą informaciją. S.Maciulevičius

24. von Neuman'o tipo kompiuteris Dauguma šiandien dar naudojamų ir gaminamų kompiuterių sukurti remiantis pagrindiniais principais, kuriuos prieš metų suformulavo J. von Neuman, H.Burks ir A.Goldstine. Autoriai savo idėją suformulavo taip: Principinės mašinos komponentės yra: • Kadangi tai turi būti bendros paskirties skaičiavimo mašina, joje turi būti tokie įtaisai, kaip aritmetinis, atminties, valdymo ir ryšio su žmogumi; mašina bus visiškai automatinė; • Mašina turi saugoti atmintyje tokia pačia forma ne tik skaičiavimams reikalingą skaitmeninę informaciją (duomenis, funkcijų lenteles, tarpinius rezultatus), bet ir komandas, valdančias skaičiavimą; skaičiavimo mašinoje turi būti įtaisas programoms saugoti, o taip pat įtaisas, kuris jas suprastų ir valdytų jų vykdymą; S.Maciulevičius

25. von Neuman'o tipo kompiuteris • Konceptualiai mes apsvarstėme dvi skirtingas atminties formas - skaičių ir komandų atmintį; jei komandos bus koduojamos skaičiais ir jei mašina sugebės atskirti jas nuo skaičių, viskas gali būti saugoma vienoje atmintyje. • Jei atmintis tik saugo komandas, mašinoje turi būti organas, kuris automatiškai jas vykdo; šį organą vadinsime valdymu. • Kadangi tai yra skaičiavimo mašina, joje turi būti aritmetinis įtaisas, kuris vykdytų aritmetines operacijas (sudėtį, atimtį, daugybą, dalybą), o taip pat ir kitas dažnai sutinkamas operacijas. • Joje taip pat turi būti įvedimo ir išvedimo įtaisas, kuris leistų operatoriui komunikuoti su mašina. Burks A.W., Goldstine H.H., von Neuman J. Preliminary Discussion of the Logical Design of an Electronic Computing Instrument, in: Taub A.H.(ed.):Collected Works of John von Neumann, vol.5, MacMillan, New York 1963, p.34-79. S.Maciulevičius

26. Komandų procesorius Duomenų procesorius Įvesties ir išvesties procesorius Ryšio įtaisas (magistralė) Atmintis von Neuman'o tipo kompiuteris Pagal šį paaiškinimą galima nubraižyti tokią kompiuterio struktūrą: S.Maciulevičius

27. Harvardo architektūra Žinomas ir kitoks (nei fon Neimano) kompiuterių architektūros principas, gavęs Harvardo architektūros vardą pagal Harvard Marc 1 relinio kompiuterio sudarymo principą. Čia duomenys ir programos saugomi atskiruose atminties įtaisuose: Programų atmintis Adresas Procesorius Adresas Duomenų atmintis Duomenys Komanda S.Maciulevičius

28. Harvardo architektūra Kiek anksčiau Harvardo architektūros principai buvo naudojami mikrokontroleriuose, kurių programos saugomos pastoviosios atminties (ROM) įtaisuose, o duomenys – laisvo išrinkimo atminties (RAM) įtaisuose. Dabartiniu metu Harvardo architektūros principai panaudojami ir procesoriuose, turinčiuose spartinančiąją atmintį S.Maciulevičius

29. Supaprastinta kompiuterio struktūra Taigi, kompiuterio struktūrą galima dar supaprastinti: Įvesties ir išvesties įtaisai Procesorius Ryšio įtaisas (magistralė) Atmintis S.Maciulevičius

30. duomenų magistralė 1 adresų magistralė RN AR AC T IR PC M R1 DR ALU duomenų magistralė 2 Kompiuterio struktūra Jei pabandytume pažvelgti į kompiuterio vidų kiek giliau, galima būtų pateikti tokį galimą jo vaizdą: Duomenų procesorius Komandų procesorius S.Maciulevičius

31. Kompiuterio struktūra Čia pažymėta: - T - laikinojo saugojimo (papildomas) registras, - IR - komandos registras, - PC - programos skaitiklis, - M - atmintis, - AR - jos adreso registras, - DR - jos duomenų registras. S.Maciulevičius

32. Komandos vykdymo procesas Detaliau nagrinėjant komandos vykdymo procesą, galima išskirti daugiau smulkesnių žingsnių, pavyzdžiui: 1. Išrinkti iš atminties komandą ir įrašyti ją į komandos registrą. 2. Pakeisti komandos skaitiklio, kuris nurodo vykdomos komandos adresą, turinį. 3. Nustatyti išrinktos komandos tipą. 4. Jei komandoje nurodyti duomenys yra atmintyje, nustatyti jų vietą. 5. Jei reikia, išrinkti iš atminties duomenis ir perduoti juos į CPU registrus. 6. Vykdyti komandoje nurodytą operaciją. 7. Rezultatus įrašyti į nurodytą vietą. 8. Pereiti į 1 žingsnį kitai komandai vykdyti. S.Maciulevičius

33. Supaprastinta procesoriaus struktūra PROCESORIUS Valdymo signalai Valdymo įtaisas Operacinis įtaisas Informacija apie opera- cijos eigą Komanda (iš atminties) Duomenys (iš atminties) Rezultatai (į atmintį) S.Maciulevičius

34. Supaprastinta operacinio įtaiso struktūra Operacinis įtaisas Operacijas vykdančios schemos Vidinė atmintis (registrai, spart. atmintis) operandai rezultatai Informacija apie opera- cijos eigą (į vald.įtaisą) Valdymo signalai (iš vald.įtaiso) S.Maciulevičius

35. Įvesties įtaisas Pagrindinė atmintis Išvesties įtaisas Programa ir pradiniai duomenys Rezultatai Išorinė atmintis Procesorius Pirmųjų kartų kompiuterių struktūra Procesorius – kartu ir centrinis valdymo įtaisas: jis ne tik interpretuoja programą ir vykdo komandas, bet ir valdo pradinių duomenų įvedimą bei rezultatų išvedimą S.Maciulevičius

36. Proce- sorius Pagr. atmintis Konsolė Išvesties modulis Įvesties modulis Išorinė atmintis Bendroji magistralė Antrosios kartos kompiuterių struktūra Čia visi sistemos elementai sujungti tarpusavyje bendra magistrale Lengva prijungti papildomus modulius, tačiau bendra magistralė – siaura sistemos vieta, ribojanti sistemos našumą S.Maciulevičius

37. Тrеčiosios kartos kompiuterių struktūra ĮĮ IĮ Proce- sorius Pagr. atmintis Kana- las Kana- las MD MJ Čia informacijos apdorojimo procesas atskirtas nuo jos įvedimo ir išvedimo. Duomenų įvedimą bei rezultatų išvedimą (taip pat ir mainus su išorine atmintimi) valdo specialūs įtaisai, vadinami kanalais arba įvesties ir išvesties procesoriais. Procesorius interpretuoja programą ir vykdo komandas bei valdo kanalų darbą. S.Maciulevičius

38. Išvesties įtaisas Įvesties įtaisas Proce- sorius Pagr. atmintis Kontro- leris Kontro- leris Bendroji magistralė Ties.mainų kanalas Laikmatis Išorinė atmintis Pirmųjų personalinių kompiuterių struktūra S.Maciulevičius

39. Kešas Proce- sorius Pagr. atmintis Grafika Tiltas 1 Standusis diskas Tiltas 2 Išvesties įtaisas Įvesties įtaisas įtaisas LAN įtaisas Personalinių kompiuterių struktūra S.Maciulevičius

40. Proce- sorius Pagr. atmintis Grafika Tiltas 1 Standusis diskas Tiltas 2 Išvesties įtaisas Įvesties įtaisas Išvesties įtaisas LAN Įvesties įtaisas Naujųjų personalinių kompiuterių struktūra S.Maciulevičius

41. Tendencijos Technologija: tranzistorių skaičius kristale auga greitai - dvigubėja kas 3 metai dažnis auga palyginus lėtai S.Maciulevičius

42. Kompiuterių klasifikacija Pagal panaudojimo sritį: • moksliniams-techniniams skaičiavimams, • komerciniai, • laboratoriniai, • procesų valdymo, • biuro, • namų, • kelioniniai (portatyvūs PC). S.Maciulevičius

43. Kompiuterių klasifikacija Pagal dydžio klasę: • namų (asmeniniai) kompiuteriai, • personaliniai kompiuteriai (desktop), • darbo stotys, • minikompiuteriai, • didieji kompiuteriai (mainframes), • superkompiuteriai. S.Maciulevičius

44. Superkompiuteriai Superkompiuteriai skirti ypač sudėtingiems skaičiavimams (vadinamieji “didžiojo iššūkio” – Grand Callenge uždaviniai), žinių bankų ir tinklinių duomenų bazių apratnavimui. Superkompiuteriaibūna įvairūs: • ypač našūs specialiai suprojektuoti kompiuteriai, • tūkstančius procesorių turintys kompiuteriai (multiprocesoriai), • klasteriai ir gridas – įvairių kompiuterių junginiai. S.Maciulevičius

45. Top 500 (2007.06) S.Maciulevičius

46. Top 500 (2008.06) S.Maciulevičius

47. 2010 birželis: TOP 500 S.Maciulevičius

48. 2010 birželis: iš TOP 500 S.Maciulevičius

49. 2012 birželis: iš TOP 500 S.Maciulevičius

50. Sequoia - BlueGene/Q • 98304 16 branduolių procesorių • 96 spintų • 280 m2 S.Maciulevičius