1. Архитектура на компјутери
Предавач: д-р Цвета Мартиновска
Фонд на часови: 2+2

2. СТРУКТУРИРАНА КОМПЈУТЕРСКА ОРГАНИЗАЦИЈА

3. Компјутерите се дизајнирани како серија на нивоа, секое изградено врз претходното.

4. Структурирана компјутерска организација
Преведување: во програмот напишан во јазик од ниво L1 се заменува секоја инструкција со еквивалентна во L0.
Интерпретирање: програмата во јазик L0 ја користи програмата во јазик L1 како влезни податоци. Директно (без да се креира програм во L0) се извршуваат L0 секвенци кои одговараат на програмата во јазик L1.

5. Компјутерите се дизајнирани како серија на нивоа, секое изградено врз претходното.

6. Нивоата 2 и 3 секогаш се интерпретирани, а нивоата 4 и 5 се обично преведени. Нивоата на машински јазици 1,2 и 3 се нумерички. Почнувајќи од 4 ниво јазиците се симболички.

7. Ниво на дигитална логика
контролен збор/знаменца (FLAGS)
контролни сигнали кои управуваат и диктираат различни акции го сочинуваат контролниот збор
на ова ниво се и сигналите на системскиот часовник

8. Ниво на дигитална логика
Елементарни булови функции
прекинувачки порти gates
мрежи од елементарни логички функции без повратни врски
мемориски ќелии со повратни врски
Флип Флоп – Flip-Flop
множество од Флип-Флопoви - регистер

9. Ниво микроархитектура
процесорски инструкции според кои контролната единица презема операнди и иницира пресметка во процесорот.
во контролната единица се декодираат адресите на операндите и операндите се сместуваат во регистри на процесорот
се декодира операцијата и се иницира пресметка на процесорот
резултатот се сместува во декодираната адреса

10. Ниво микроархитектура
колекција од регистри (типично 8-32) формираат меморија
Аритметичко-логичка единица (Arithmetic-Logic Unit) пресметува едноставни аритметички и логички операции
регистрите се поврзани во data path преку кој се пренесуваат податоците
на некои машини data path се контролира со програм наречен microprogram, на други машини се контролира директно од хардверот (hardwired)

11. Ниво микроархитектура
На машините со софтверска контрола на data path микропрограмот е интерпретер за инструкциите од повисокото ниво. Тој ги зема (fetch), декодира и извршува инструкциите една по една користејќи го data path за тоа.
На машините со хардверска контрола на data path се изведуваат слични чекори, но без експлицитно складиран програм за контрола на интерпретирањето на инструкции од повисоко ниво.

12. Ниво инструкциско множество на архитектурата (ISA – Instruction Set Architecture Level)

13. Ниво на оперативни системи
Најголем број инструкции во оперативниот систем се од ISA нивото. Овие инструкции се изведуваат директно од микропрограм или хардверска контрола.
Другите инструкции се однесуваат на организација на меморијата, можност да се извршуваат два или повеќе програми конкурентно. Овие инструкции се изведуваат од интерпретер кој работи на ISA ниво кој историски се нарекувал оперативен систем

14. Ниво на асемблерски јазик
Асемблерскиот програм мора да се преведе до машински јазик со програм асемблер.
Програмите во асемблерски јазик прво се преведуваат во јазици од ниво 1, 2 или 3 а потоа се интерпретираат.

15. Ниво на виши програмски јазици
виши програмски јазици: Fortran, ALGOL, C, Java, Lisp, Prolog и слично. Вообичаено се преведуваат до јазици од ниво 3 или 4.
Програмите во Java обично се преведуваат до ISA јазик наречен Java byte code кој потоа се интерпретира.

16. КОНЦЕПЦИЈА ЗА ДИЗАЈН
Идеален случај -дизајн од лево кон десно

17. ИСТОРИСКИ РАЗВОЈ

18. ИСТОРИСКИ РАЗВОЈ Поделба по генерации според:
технологијата,
системска архитектура,
начинот на пресметување и
користење програмски јазици.
Просечно секоја генерација -10 години.
Некои генерации се преклопуваат.

19. Нулта генерација - механички компјутери (1642-1945)
Blaise Pascal ( ) - механичка направа која можела само да собира и одзема.
Leibniz ( ) – механичка направа за множење и делење.

20. Нулта генерација - механички компјутери (1642-1945)
Charles Babbage ( )
-difference engine - механичка направа која пресметувала табели од поморска навигација. Операции: собирање и одземање.
-analytical engine – машина за општа намена со 4 компоненти: меморија (1000 збора по 10 цифри), пресметувачка единица, влезна секција и печатен излез. Операции: собирање, одземање, множење и делење, операции со условно разгранување, операции со меморија.
Програмабилна во асемблер напишан од Ada Lovelace.
Чести хардверски грешки.

21. Нулта генерација - механички компјутери (1642-1945)
Konrad Zuse-Германија 1930-ти, 1940-ти програмабилни компјутери засновани на електромагнетни релеи.
John Atanasoff (USA Iowa State University) - машина која користела бинарна аритметика и меморија со кондензатори кои периодично се освежувале (принцип на работа на DRAM).
Howard Aiken-Harvard USA, машина Mark 1 во 1944 год. Имала 74 збора од 23 цифри меморија и време на извршување на инструкција 6 секунди.

22. Прва генерација - електронски компјутери (1945-1955)
Alan Turing-Англија COLOSSUS направа за дешифрирање на германски пораки кодирани со ENIGMA
Eckert & Mauchly – Moore School, Pennsylvania,USA- прв оперативен општо наменски компјутер ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) намена: пресметки во артилерија, електронски цевки и 1500 релеи, 1900 собирања/сек, 30 тони, димензии: 20м*2м. Програмирање: 6000 повеќе позициски преклопници.

23. Прва генерација - електронски компјутери (1945-1955)
Maurice Wilkes (Univ. Cambridge) 1949 – изградил оперативна машина EDSAC.
JOHNIAC (Rand Corporation), ILLIAC (Univ. Illinois), MANIAC (Los Alamos Lab), WEIZAC (Weizmann Institute Израел)

24. Прва генерација - електронски компјутери (1945-1955)
John von Neumann, учествувал во ENIAC проектот,
нови идеи во EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer)
- бинарна аритметика
- машината имала: меморија, ALU, контролна
единица, влезни и излезни уреди
Програмот треба да се претстави во дигитална форма во меморија заедно со податоците.

25. Прва генерација - електронски компјутери (1945-1955)
Во von Neumann-овата машина меморијата била 4096 збора по 40 бита. Секој збор содржел 2 20-битни инструкции или 40-битен integer со знак. 8 бита биле тип на инструкција и 12 бита за адресирање 4096 мемориски збора. Во ALU е сместен 40-битен регистер акумулатор.

26. Прва генерација - електронски компјутери (1945-1955)
Во исто време кога бил направен ENIAC, на МIT е направен Whirlwind I. Машината имала 16 битен збор и била наменета за контрола на процеси во релно време.
Во 1951 IBM го произвела 701, со битни зборови со 2 инструкции по збор.
По три години е произведен 704 со битни збора меморија, 36-битни инструкции и хардвер за работа со операции со подвижна запирка.
Во 1958 е произведена последната машина изградена со вакумски цевки, 709.

27. Втора генерација – транзистори (1955-1965)
Во 1948 John Bardeen, Walter Brattain и William Shockley го произвеле транзисторот.
TX-0 (Transistorized eXperimental Computer 0) (MIT) е прв компјутер од транзистори, 16-битна машина.
Kenneth Olsen еден од инжењерите кои работеле на TX-0 во 1957 година ја формирал Digital Equipment Corporation (DEC)
Во 1961 се појавила прва комерцијална машина PDP-1 базирана на TX-0. Имала битни збора, инстр./сек. Многу поефтина од IBM 7090 наследник на 709.

28. Втора генерација – транзистори (1955-1965)
Иновација во PDP-1 визуелен дисплеј и плотер.
Неколку години подоцна е произведен PDP-8, 12-битна машинa. Иновација е заедничка магистралa.

29. Втора генерација – транзистори (1955-1965)
Во исто време IBM ја произведува машината 7094, со битни зборови.
7090 и 7094 го означиле крајот на ENIAC тип машини кои доминирале во научните кругови.
IBM го произведува малиот бизнис-ориентиран компјутер Можела да чита и пишува на магнетни ленти, да чита дупчени картички и да печати скоро исто толку брзо како 7094.
Нема регистри и фиксна должина на збор, има меморија од битни збора.

30. Втора генерација – транзистори (1955-1965)
Во 1964 компанијата CDC (Control Data Corporation) на Seymor Cray го произвела Компјутерот се карактеризира со паралелно извршување инструкции. Имал неколку функционални единици за множење, собирање и делење. Се изведувале и по 10 инструкции паралелно.
Дополнителни процесори се користеле за влезно/излезни операции.
Во 1976 е произведен Cray 1, суперкомпјутер

31. Втора генерација – транзистори (1955-1965)
1948 -појава на транзистори
TRAnsistored DIgital Computer =TRADIC, процесор-800 транзистори
печатени електронски плочки наместо жици
магнетен медиум -меморија
асемблер, потоа Fortran 1956, Cobol 1959, Algol 1960

32. Трета генерација – интегрирани кола (1965-1980)
Интегрираните кола се пронајдени од Robert Noyce во 1958.
SSI = Small Scale Integration
MSI = Medium Scale Integration, 10 до 1000
LSI = Large Scale Integration, 1000 до транзистори по интегрално коло.

33. Трета генерација – интегрирани кола (1965-1980)
До 1964 IBM била водечка компјутерска компанија, но се појавил проблем со некомпатибилноста на 7094 и 1401.
7094-пралелна бинарна аритметика
1401-влезно/излезен процесор со сериска декадна аритметика над зборови со варијабилна должина во меморија
System/360 базирана на интегрирани кола
1401 бил заменет со 360 Model 30
7094 бил заменет со 360 Model 75

34. Трета генерација – интегрирани кола (1965-1980)
Некои карактеристики на фамилијата компјутери IBM 360

35. Трета генерација – интегрирани кола (1965-1980)
Важна иновација на 360 е мултипрограмирањето – неколку програми може да се вчитани во исто време во меморијата, додека еден програм чека влезно/излезни податоци друг може да го користи CPU.
360 можел да емулира други компјутери (моделите 1401 и 7094) па можеле да се користат старите бинарни програми. Бидејќи се користело микропрограмирање требало само да се напишат 3 микропрограми: за инструкциското множество на 360, за 1401 и за 7094.
360 имал битни регистри за бинарна аритметика но нејзината меморија била бајт-ориентирана како на Можела да адресира 224 бајти меморија.
Во 1980 се користат 32-битни адреси со што може да се адресира 232 бајти меморија.
DEC го произведува PDP-11, 16-битен наследник на PDP-8.

36. Трета генерација – интегрирани кола (1965-1980)
виши програмски јазици со интелигентни преведувачи
повеќе програмско програмирање (multiprogramming)
временска распределба на процесорот (time sharing)
виртуелна меморија
дискови - секундарна меморија

37. Четврта генерација – VLSI (1980- )
Во 1980 започнува ерата на персоналните компјутери
Првите персонални компјутери се произведени во Имале процесор Intel 8080, ОС CP/M напишан од Gary Kildall.
Друг персонален компјутер е Apple дизајниран од Steve Jobs и Steve Wozniak.
Apple Macintosh бил произведен Вовел GUI (Graphical User Interface)
Од 1992 година наваму персоналните компјутери биле 8,16 или 32 битни.
DEC ја произведува Alpha, 64-битна RISC машина една декада пред другите 64-битни машиини.

38. Четврта генерација – VLSI (1980- )
Cyber-205
MPP = Massively Parallel Processor од процесори
CISC процесори
RISC процесори
масивен паралелизам

39. VLSI = Very Large Scale Integration

40. Четврта генерација – VLSI (1980- )
изведување инструкции вон редослед
предвидување на разгранување и предвремено преземање инструкции
паралелизам на ниво на инструкции (Instruction Level of Parallelism)
superscalar – извршува повеќе од една инструкција по такт, повеќе ALU , паралелно извршување инструкции

41. Петта генерација
Во 1981 владата на Јапонија инвестирала средства за петта генерација на компјутери базирани на вештачка интелигенција. Проектот пропаднал.
Mark Weiser - ubiquitous computing/pervasive computing (сеопфатна компјутеризација)
Невидливи компјутери – вградени во уреди (автомобили, воени системи, радио-контролирани играчки, медицински уреди, како MRI, монитори за следење на витални функции, дигитални камери, TV, modem, printer, MP3 player и други)

42. Преглед на дел од спомнатите компјутерите

43. Параметри за оценка на перформанси на компјутери
аритметичка латентност
време да се изведе една инструкција со реални броеви со подвижна запирка (floating point)
мемориска латентност
време на пристап кон податокот во меморијата.

44. Параметри за оценка на перформанси на компјутери
мемориската латентност се намалува 10 пати за 20 години
аритметичката латентност се намалува за повеќе од 1000 пати
фреквенција >50% за една година!

45. Параметри за оценка на перформанси на компјутери-процесор
198_ - аритметичка латентност
100 ns (10MHz)
> аритметичка латентност
< 5 ns (200MHz)
> аритметичка латентност
< 1.33 ns (750 MHz)

46. Аритметичка и мемориска латентност

47. Параметри за оценка на перформанси на компјутери - меморија
густина на мемориско пакување енормно расте
1980 -мемориски чипови од 64 KB
1985 -мемориски чипови од 512 KB
1990 -мемориски чипови од 4 MB
1995 -мемориски чипови од 64 MB
2000 -мемориски чипови од 1 GB

48. Параметри за оценка на перформанси на компјутери
Мoore-ов закон (Gordon Moore – соосновачот на Intel): Бројот на транзистори се дуплира секои 18 месеци.
Секоја нова генерација мемориски чипови се воведува по 3 години од претходната и има 4 пати повеќе меморија.

49. Муров закон за меморија
Муровиот закон предвидува зголемување на бројот на транзистори за 60% годишно.

50. Муров закон за CPU чипови
Муровиот закон предвидува зголемување на бројот на транзистори за 60% годишно.

51. Фамилија на Intel процесори

52. Фамилија на Intel процесори
Во 1968 Robert Noyce, Gordon Moore и Arthur Rock ја формирале корпорацијата за производство на чипови Intel.
Првиот CPU од еден чип со 2300 транзистори наречен 4004 бил направен во 1971 година.
8-битна верзија на чипот 8008 е направена во 1972 година
Во 1974 направен е 8080 употребен за првиот персонален компјутер.
Во 1978 е произведен 8086, 16-битен CPU
8088 имал иста архитектура како 8086, но имал 8-битна магистрала наместо 16-битна, па бил побавен и поефтин од 8086.
8086 и 8088 не можеле да адресираат повеќе од 1 мегабајт меморија и развиен е компатибилен со 8086 употребен за IBM PC/AT.
Следен чекор е 32-битен модел развиен 1985 год.

53. Фамилија на Intel процесори
Во 1989 е произведен 80486, кој е значајно побрз од 80386, има единица за пресметки на броеви со подвижна запирка и 8 Kb кеш меморија.
80486 има вградена мултипроцесорска поддршка, која овозможува повеќе CPU да делат иста меморија. Има една проточна линија (pipeline).
Следна генерација е Pentium кој има 2 проточни линии и е 2 пати побрз од Подоцна му се додадени MMX (Multi Media Extension) инструкции со што се забрзуваат пресметките за обработка на звук и видео.
Pentium Pro можел да извршува 5 инструкции истовремено, имал 2 нивоа на кеш меморија: 8 Kb за инструкции и 8 Kb за податоци директно на чипот и 256 Kb во ист пакет но не на истиот чип.
Со додавање на MMX инструкции на Pentium Pro добиен е Pentium II
Со додавање на multimedia инструкции SSE (Streaming SIMD Extensions) за да се подобри 3D графиката на Pentium II добиен е Pentium III.

54. Фамилија на Intel процесори
Pentium 4 (2000 год.) има различна интерна архитектура од претходните компјутери. Верзијата со 3.06 GHz има нова особина hyperthreading. Таа овозможува програмите да ја делат нивната работа во 2 нишки (threads) кои Pentium 4 можел да ги извршува паралелно. Биле воведени дополнителни SSE инструкции за да се забрза обработката на звук и слика.
Произведени се и варијанти на некои чипови.
Во 1998 произведен е Celeron кој бил варијанта на Pentium II со пониска цена и послаби перформанси.
Истата година произведен е процесорот Xeon варијанта на Pentium II со поголем кеш, побрза магистрала и подобра мултипроцесорска поддршка. Pentium III исто имал Xeon верзија.
Во 2003 Intel го вовел Pentium M (Mobile) чип наменет за преносни компјутери. Овој чип бил дел од Centrino архитектурата.