Innhold. 2 Kompilatorer. 3 Datamaskiner og tallsystemer. 4 Oppsummering. 1 Skjerm (monitor) 2 Hovedkort (motherboard) 3 Prosessor (CPU)

Transkript

1 2 Innhold 1 Datamaskiner Prosessoren Primærminnet (RAM) Sekundærminne, cache og lagerhierarki Datamaskiner Matlab Parallell Jørn Amundsen Institutt for Datateknikk og Informasjonsvitenskap Kompilatorer 3 Datamaskiner og tallsystemer 4 Oppsummering 3 4 Læringsmål datamaskiner Datamaskinens hovedenheter 1 Skjerm (monitor) 2 Hovedkort (motherboard) 3 Prosessor (CPU) Skal kjenne til hovedenhetene i en datamaskin Grunnleggende oversikt over virkemåte Kjenne til hvordan programmer utføres 4 Primærlager lagerplass for data og program (RAM) 5 Tilleggsenheter koblet på systembuss (grafikk-kort/lydkort) 6 Strømforsyning 7 DVD (sekundærlager) 8 Hard-disk (sekundærlager) 9 Tastatur kilde: wikipedia

2 5 6 Prosessoren Prosessoren (2) Utfører regneoperasjoner og sammenligninger Regne bare på binære tall (2-tallsystemet) Kan behandle noen få tall om gangen registere for mellomlagring Spesialiserte funksjonsenheter som gjør helltallsberegninger og logiske operasjoner (ALU), flyttallsberegninger (FPU) og lesing og skriving til arbeidslager (LSU) Prosessoren er flink til... Å utføre mange regneoperasjoner og sammenligninger på kort tid Eksempel: - add 1,3,4 r1 = r2 + r3 - fsqrt 1,1 f1 = f1 - ld 4,8(3) last innholdet av adresse r3+8 til r4 - fmadd 1,2,3,4 f1 = f2*f3 + f4 [Power RISC instruksjonssett] Siste utgave av Cell-prosessoren (PS3) kan utføre mer enn 100 milliarder flyttallsoperasjoner i sekundet (102.4 GFLOPs) en PS3 Cell-prosessor Foto: Érick L. W. Ribeiro 7 8 Prosessoren (3) Intern oppbygging av prosessoren Prosessoren er dårlig til... Å ha overblikk over store datamengder (få ting om gangen) Lagre store datamengder trenger RAM og eventuelt hard-disk Tenke den gjør ting slavisk etter de instruksjonene den blir gitt En prosessorbrikke (chip) har vanligvis flere kjerner (cores) Hver kjerne har (typisk) - funksjonsenheter ALU, FPU, LSU - registere - internminne (L1 cache) for program og data Hver brikke har - 2 eller flere kjerner - felles internminne - inn/ut-kanaler til primærminne og eksterne enheter Kontrollenheten leser instruksjoner fra minnet og bestemmer hva som skal gjøres en prosessorkjerne PC Kontrollenhet ALU FPU Registere LSU Internminne inn/ut kanaler Primærminne

3 9 10 Instruksjonspekeren (PC) Primærminnet (RAM) Et spesielt register i kontrollenheten som holder på adressen til neste instruksjon som skal utføres Instruksjonene (programmet) ligger i etterfølgende minneceller i internminnet PC gjentar der vi har skrevet while eller for i Matlab PC hopper over der vi har skrevet if... else Kalles også arbeidshukomelsen Her ligger programmene som er under kjøring - programmet består av en rekke med instruksjoner en rekke med tall som kalles maskinkode eller assembly - i datamaskiner lagres alt som binære tall, enten det er instruksjoner eller data Her ligger også alle dataene som programmene bruker og/eller lager Programmer leses inn fra disk til arbeidshukommelsen (og videre til internminnet) i biter etter behov 12GiB 1600MHz DDR3 brikkesett Intel Core i Primærminnet (2) Primærminnet består av en lang rekke minneceller som kan lagre tall Hver celle har en adresse og kan lagre en verdi I en celle kan det altså ligge en instruksjon (program) eller en variabel (data) Innhold: a 3f f3... Cellenr: 0 n n+1 n+2... Sekundærminne, cache og lagerhierarki Registere - veldig liten plass, B - svært raske - dyrt Cache - liten plass nivåer, 16KB-36MB - veldig dyrt Primærminne (arbeidslager) - begrenset plass - 1GB-16TB - ganske dyrt, kkr/gb Sekundærminne (disk) - stor plass - 100GB-15PB - ganske billig

4 13 Minnehierarkiet 14 Kompilatorer Larger capacity FPR L1 L2 L3 Memory GPFS Faster access log 10 (words) Eksempel fra et Power5-system med 32 flyttallsregistere på toppen (256 bytes) 33 TiB disk på bunnen av lagringshierarkiet. Forskjellen i hastighet er ca Datamaskiner jobber med binære tall (maskinkode) Vi skriver programmer i tekstfiler (program eller kildekode) Programmer som oversetter fra tekst til maskinkode kalles kompilatorer eller oversettere En kompilator gjør altså om programmet vi har skrevet til noe maskinen kan forstå Matlab er litt spesiell fordi maskinen oversetter til maskinkode etter hvert som vi kjører Dette kalles en interpreter Vi sier også at Matlab er et interpretert språk Kompilatorer(2) Datamaskiner og tallsystemer Eksempel: Fortran 90 til maskinkode for AMD Opteron integer function mx (n,list) integer n, list(n) mx = -huge(list)!-infinity do i = 1, n if (list(i) > mx) then mx = list(i) end if end do end function mx (Matlab er utviklet fra Fortran).globl mx_ pushq %rbp movq %rsp, %rbp movq %rdi, %rcx movl (%rdi), %eax movl $ , %eax movl (%rcx), %ecx movl $1, %edx testl %ecx, %ecx jle.exit.loop: movslq %edx, %rdi movl -4(%rsi,%rdi,4), %edi cmpl %eax, %edi jle.notif movl %edi, %eax.notif: incl %edx decl %ecx testl %ecx, %ecx jg.loop.exit: popq %rbp ret Datamaskinen jobber med tall i det binære tallsystemet, dvs. bruker bare 0 og 1. Det desimale tallsystemet har tall 0-9 Vi skriver 123 = = Samme tall i det binære tallsystemet er = Addisjon er som for desimale tall, = 0, = 1 og = 0 og 1 i mente = Ulempen med det binære tallsystem er at det blir så mye skriving. Vanlig å samle 4 og 4 biter i ett nytt tallsystem det heksadesimale tallsystemet Dette får 16 sifre, {0-9,a,b,c,d,e,f}, med = 0 16 og = = f16.

5 17 Oppsummering Datamaskinens byggeklosser Minnet - har adresser (nummererte celler) som prosessoren kan lese eller skrive - et lagerhierarki fra hurtig+dyrt til billig+langsomt Prosessoren - kontrollenhet med PC som holder rede på programflyten - funksjonsenheter for konkrete arbeidsoppgaver, ALU, FPU, LSU - registere Kompilatorer oversetter programmene våre til instruksjoner prosessoren kan utføre Tallsystemer - ti-tallsystemet er naturlig for oss - prosessoren forstår bare to-tallsystemet 1 1 Det fins prosessorer som har maskinvare for å regne i ti-tallsystemet (Power)