1. přednáška http://www.uai.fme.vutbr.cz/~vdumek/ 20. 2. 2014 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/

Úvodní informace - přednáška – učebna A4/416, cvičení – počítačová laboratoř ÚAI pod vedením Ing. Krčka (?) - 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 světa ... (forma literární práce – povídka) získání klasifikovaného zápočtu: 2 ústní otázky

Podpůrné materiály pro přednášky 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

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

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

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 IR Instruction Register MAR Memory Address Register MBR Memory Buffer Register I/O AR Input/Output Address Register I/O BR Input/Output Buffer Register

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

Provádění programu Start Fetch Next Instruction Execute Instruction Fetch Stage Execute Stage Start Fetch Next Instruction Execute Instruction Halt - 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

Provádění programu 3 + 2 = 5 Fetch Stage Execute Stage 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 0002 941 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 0002 941 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 0002 941 0005 Fetch Stage Execute Stage Step 5 Step 6

John von Neumann *1903 v Budapešti, + 1957 v USA maďarský matematik židovského původu značnou měrou přispěl k oborům kvantové fyziky, funkcionální analýzy, teorie množin, ekonomiky, informatiky, numerické analýzy, hydromechaniky a statiky od útlého věku známky geniality, jazykové nadání a neobyčejná paměť celosvětově se prosadil v roce 1928 jako spolutvůrce matematické teorie her v roce 1929 se stal spolu s Albertem Einsteinem zakládajícím členem Institut for Advanced Study v Princetonu nejvýznamnější jsou jeho objevy jako průkopníka digitálních počítačů a operační teorie kvantové mechaniky, teorie her a buňkového automatu

Von Neumannova koncepce počítače vznikla kolem roku 1945 základní moduly jsou procesor, operační paměť, vstupní a výstupní zařízení platná s vyjímkami do dnešní doby základní principy: sériové zpracování instrukcí jednotné uložení dat i programu univerzální struktura počítače (nezávislost na řešené úloze) binární prezentace údajů

Harwardská koncepce ALU paměť programu paměť dat registr instrukcí vstupy/výstupy registr instrukcí řadič paměť programu

Harwardská koncepce návrh: Howard Aiken v 30. letech 20. století na Harvardské univerzitě vývoj reléového počítače Harvard Mark 1 instrukce na děrné pásce, data na elektro-mechanických deskách použito také na Pensylvánské univerzitě pro ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) již tehdy šlo o moderní koncepci, která nebyla realizována kvůli technickým prostředkům a proto byla použita von Neumannovská architektura později bezproblémová realizace typické oddělení paměti pro data a program (může být jiná šířka sběrnice, jiná technologie a rychlost pamětí, jiná velikost nejmenší adresovací jednotky) větší technologická náročnost vyšší rychlost provádění instrukcí (dvojí paměť umožňuje současný přístup k datům i instrukcím) typickým představitelem jsou signálové procesory od Motoroly pro zvýšení výpočetní výkonnosti se používá pipelining přímý přístup do paměti je umožněn vícenásobným kanálem DMA program nemůže přepsat sám sebe nevyužitou paměť dat nelze použít pro instrukce a obráceně

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

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 USB sériová polyfunkční sběrnice, 3.0 4 800 MB/s FireWire (50 MB/s), RS-485, I2C až 32 nízkorychlostních periferií

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

PCI Express

Sběrnice procesoru - FSB (Front Side Bus) je fyzická obousměrná datová sběrnice, která přenáší veškeré informace mezi procesorem a severním můstkem některé procesory mají L2 nebo L3 vyrovnávací paměti, které jsou k procesoru připojeny přes BSB. Tato sběrnice a vyrovnávací paměť se připojují rychleji než přístup do paměti přes FSB šířka pásma FSB je dána šířkou sběrnice a kmitočtem (1600 MB/s) čipset je spojovacím bodem pro všechny ostatní sběrnice v systému (PCI, AGP, paměť) pomalá FSB může zpomalovat rychlý procesor (procesor čeká na data z paměti) frekvence, se kterou procesor pracuje, je určena použitím násobičky kmitočtu FSB (550 MHz – CPU, 100 MHz – FSB, multiplier – 5,5x) frekvence FSB bývá stovky MHz

Sběrnice procesoru CPU Northbridge Southbridge Clock Generator Graphics card slot Front Side Bus Chipset Memory Slots High-speed graphics Bus AGP or PCIX Northbridge Memory Bus (memory controller hub) Internal Bus PCI Bus Southbridge Onboard graphics controler PCI Bus IDE SATA USB Ethernet Audio CMOS I/O controller hub) Cables and ports leading off-board PCI Slots Low Pin Count Bus Super I/O Serial Port Parallel Port Floppy Disk Keyboard Mouse Flash ROM (BIOS)

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