1. přednáška 21. 9. 2011 organizace přednášek a cvičení úvodní informace, požadavky na posluchače

1. 1. přednáška • 21. 9. 2011 • organizace přednášek a cvičení • úvodní informace, požadavky na posluchače • literatura • souvislost HW a SW, komponenty počítačového systému • Top Level View, provádění programu • blokové schéma počítače (von Neumann, harwardská koncepce) • číselné soustavy • sběrnice (počítače, procesoru) • registry procesoru • Studijní materiály najdete na adrese: • http://www.uai.fme.vutbr.cz/~vdumek/

2. Úvodní informace • - přednáška – učebna A5/U2, cvičení – počítačová laboratoř ÚAI • - souvislost přednášek a cvičení • - 2 požadavky k účasti na získání klasifikovaného zápočtu: • 1. požadavek–doporučení od cvičícího • 2. požadavek - vypracování literární práce na téma: • * Počítače v pozadí zničení civilizace ... • (forma literární práce – povídka) • získání klasifikovaného zápočtu:2 ústní otázky

3. Literatura Gary Nutt:Operating Systems, Third Edition.ISBN: 0201773449 William Stallings: Operating Systems: Internals and Design Principles (6th Edition, 2009) Andrew S. Tanenbaum: Operating Systems: Design and Principles (3rd Edition) Madnick, Donovan: Operační systémy. Praha 1981. Bach: Principy operačního systému UNIX. Praha 1993. Abraham Silberschatz: Operating System Concepts (7th Edition) Čada: Operační systémy. Praha 1994. Plášil: Operační systémy. Skriptum ČVUT, Praha 1989. http://www. … Podpůrné materiály pro přednášky http://www.uai.fme.vutbr.cz/~vdumek

4. Souvislost hardware - software Process management Memory management I/O Control File Management Software CPU Main Memory I/O Devices Secondary Storage Hardware

5. Komponenty počítačového systému • hardware – poskytuje základní systémové zdroje (CPU, memory, I/O devices) • operační systém – řídí a koordinuje použití prostředků mezi různými procesy (programy) různých uživatelů • aplikační programy – definuje způsoby použití systémových zdrojů pro řešení uživatelských programů (compilers, database systems, video games, business programs) • uživatelé – lidé, stroje, jiné počítače ............... User 1 User 2 User n Data Base MS-WORD Paint Operating System Computer Hardware

6. Computer Components: Top-Level View • - operační systém využívá HW zdroje, nabízí množinu služeb uživatelům • řídí procesor(y), primární a sekundární paměť, I/O kanály • procesor řídí operace počítače, provádí zpracování dat a instrukcí, pokud je jeden -> CPU (Central Processing Unit) • hlavní paměť (Main Memory) slouží k ukládání programu i dat, typicky je energeticky závislá (Real Memory, Primary Memory) • I/O moduly přenáší data mezi počítačem a externími zařízeními (disky, terminály, komunikační kanály, ...) • systémová sběrnice (adresní, datová, řídící) slouží ke spojení procesoru a hlavní pamětí PC Program Counter IRInstruction Register MAR Memory Address Register MBR Memory Buffer Register I/O ARInput/Output Address Register I/O BR Input/Output Buffer Register

7. Computer Components: Top-Level View CPU Main memory PC MAR IR MBR Execution unit I/O AR Instruction Instruction Instruction Instruction I/O BR Instruction Instruction I/O module Data Data Data Data Data Data Buffers

8. Provádění programu Fetch Stage Execute Stage Start Halt Fetch Next Instruction Execute Instruction - přesouvání mezi pamětí a registry procesoru, ukázka sečtení obsahu adresy 940 s obsahem adresy 941 a uložení výsledku na adresu 941, jsou potřeba tři instrukce a tři fáze načtení (fetch) a tři fáze provedení (execute) PC obsahuje adresu první instrukce (300), instrukce (1940) je načtena do IR a PC je inkrementován, postup v sobě zahrnuje použití MAR a MBR, které nejsou zobrazeny Step1 První 4 bity (první hexadecimální číslo) v IR indikuje, že do AC se načte z paměti obsah adresy 940 (zbývajících 12 bitů) Step2 Další instrukce (5941) je načtena do IR z adresy 301 a PC je opět inkrementován Step3 Původní obsah AC (0003) je sečten s obsahem adresy 941 (0002) a výsledek je uložen do AC Step4 Další instrukce (2941) je načtena z adresy 302 a PC je inkrementován Step5 Obsah AC (0005) je uložen na adrese 941 Step6

9. Provádění programu Memory CPU registers Memory CPU registers 300 PC 300 PC 1940 300 1940 301 301 AC 301 AC 5941 5941 0003 302 IR 302 IR 2941 1940 2941 1940 ... ... 940 940 0003 0003 941 941 0002 0002 Step 1 Step 2 Memory CPU registers Memory CPU registers 300 PC 300 PC 1940 301 1940 302 301 AC 301 AC 5941 0003 5941 0005 302 IR 302 IR 2941 5941 2941 5941 ... ... 940 940 0003 0003 3 + 2 = 5 941 941 0002 0002 Step 3 Step 4 Memory CPU registers Memory CPU registers 300 PC 300 PC 1940 302 1940 303 301 AC 301 AC 5941 0005 5941 0005 302 IR 302 IR 2941 2941 2941 2941 ... ... 940 940 0003 0003 941 941 0002 0005 Fetch Stage Execute Stage Step 5 Step 6

10. Blokové schéma počítače - John von Neumann (1903 - 1957), americký matematik maďarského původu - teorie her, logika, funkcionální analýza - koncepce počítače, která pro některé počítače platí do dnešní doby - sériové zpracování instrukcí - jednotné uložení dat i programu - univerzální struktura počítače (nezávislost na řešené úloze) - binární prezentace údajů

11. Harwardská koncepce paměť programu paměť dat registr instrukcí ALU řadič vstupy/výstupy harwardská koncepce předpokládá existenci dvou oddělených pamětí a sběrnic (data/program) - umožňuje paralelní čtení instrukce při běhu programu - princip pipeline

12. Číselné soustavy Používané číselné soustavy: dekadická (desítková) binární (dvojková) oktalová (osmičková) hexadecimální (šestnáctková) - soustavy váhové 528 = 5*102 + 2*101 + 8*100 1101B = 1*23 + 1*22 + 0*21 + 1*20 0574 = 5*82 + 7*81 + 4*80 1AB5H = 1*163 + 10*162 + 11*161 + 5*160 - lepší orientace v binárních zápisech, hexadecimální vyjadřování - vzájemné převody

13. Sběrnice osobních počítačů • řídící, datová, adresní, šířka, rychlost • ISA (Industry Standard Architecture, IBM, 1984), data 16 bitů • adresa 24 bitů, 8 MHz => 5 MB/s, známá technická • specifikace, vnášela omezení při komunikaci s periferiemi • MCA (Microchanel, IBM, 1987), šířka 32 bitů, 10 MHz, má • dvojnásobný počet adresních vodičů => 6x rychlejší než ISA, • špatná marketingová strategie, není kompatibilní s ISA • EISA (Compaq, 1986), 32 bitů, kompatibilní k ISA, 5x dražší • Local Bus - zachovává ISA, lokální spojení procesoru a paměti, • 50 MHz, 130 MB/s, omezení počtu periferií • PCI (Peripherals Component Interconnect, IBM, 1992), 64 bitů, 132 MB/s, 84 pinů, bus mastering, sdílení IRQ, PCI-X 150 pinů(1.0, 2.0, 266 MHz, 2,1 GB/s, 533 MHz, 4,2 GB/s) • AGP(Accelerated Graphics Port), pro graf. kartu 528 MB/s, 4x 108 pinů, • 100 MHz, 8x – výkon 2GB/s

14. PCI Express • PCI-Express, PCIe (známá i jako 3GIO, PCI-E), náhrada PCI, PCI-X a AGP • komunikace probíhá pomocí paketů sériově, umožňuje to zvyšovat frekvenci, nejsou potíže se synchronizací • původní návrh přinesla skupina AWG (Arapaho Work Group), konečný standard z dílny Dell, IBM a HP • možnost „hot-plug“ (výměna za provozu) • existují verze 1, 2 a 3 (PCIe v. 2.0 1x 500 MB/s jednosměrně, 4x, 8x a 16x (2 GB/s, 4 GB/s a 8 GB/s)) • není dost rychlá pro použití jako paměťová sběrnice • verze jsou kompatibilní

15. PCI Express

16. Sběrnice procesoru Samostatná paměť cache druhé úrovně L2 • - čipová sada umožňuje připojení procesoru ke sběrnici • - kmitočet FSB a BSB podle použitého procesoru (400 MHz v roce 2007) • podle nové architektury (místo FSB) máme northbridge a southbridge • northbridge – zajišťuje komunikaci s grafikou a pamětí (se systémově náročnějšími prvky) • southbridge – zajišťuje komunikaci s periferiemi, prostřednictvím PCI je spojen s northbridge • v čipové sadě je prvek, který umí transformovat sběrnici procesoru na PCI BACK SIDE BUS CPU Jádro 1 Paměť cache první úrovně (na čipu) Jádro 2 L1 FRONT SIDE BUS Operační paměť USB PCI sběrnice Grafická sběrnice Řadič HD

17. Registry procesoru • - registr (viditelné pro uživatele (minimalizace potřeby paměti, využívání všech dostupných registrů, znalost instrukcí assembleru, ...), řídící a stavové (control) (používání při privilegovaných přístupech, ...)) • kompatibilita procesorů • uživatelské – pro data, pro adresy (index, segment, stack) • řídící a stavové – PC (Program Counter), IR (Instruction Register), PSW (Program Status Word) AH, AL střadač, akumulátor BH, BL bázový registr CH, CL čítač DH, DL datový registr SP stack pointer BP base pointer SI source index DI destination index CS code segment DS data segment SS stack segment ES extra segment FLAGS registr příznaků IP instruction pointer