edongashi Shënimet e ushtrimeve

Arkitektura e Kompjuterëve

Edon Gashi

edon.gashi@uni-pr.edu

edongashi.github.io

Abstraksioni

Proces i dëshirueshëm që na mundëson të punojmë pa njohuri të proceseve që ndodhin prapa skenave.

Supozojmë një kod në gjuhën programuese C:

#include <stdio.h>

int main()
{
    int i = 0;
    if (i == 0)
    {
        printf("testing\n");
    }

    return 0;
}

Kodi i tillë nuk mund të kuptohet nga procesori, prandaj duhet të përkthehet në një gjuhë të kuptueshme nga makina:

_main:
pushl   %ebpz
movl    %esp, %ebp
subl    $24, %esp
andl    $-16, %esp
movl    $0, %eax
addl    $15, %eax
addl    $15, %eax
shrl    $4, %eax
sall    $4, %eax
movl    %eax, -8(%ebp)
movl    -8(%ebp), %eax
call    __alloca
call    ___main
movl    $0, -4(%ebp)
cmpl    $0, -4(%ebp)
jne L2
movl    $LC0, (%esp)
call    _printf
L2:
movl    $0, %eax
leave
ret

Instruction Set Arkitektura (ISA)

Specifikimi i listës së instruksioneve që mund të ekzekutojnë procesorët që i takojnë asaj bashkësie:

  • Veprimet aritmetikore - mbledhja, zbritja.
  • Veprimet logjike - dhe, ose, jo.
  • Veprimet me të dhëna - leximi, ruajtja, lëvizja.
  • Veprimet e ekzekutimit - goto, if, return.

Llojet e ISA

  • Complex instruction set computer (CISC) - psh. x86
    • Instruksione komplekse shumë-taktëshe
    • Fokus në harduer
    • Kode më të shkurta por më të ngadalshme
  • Reduced instruction set computer (RISC) - psh. ARM
    • Instruksione të thjeshta një-taktëshe
    • Fokus në softuer
    • Kode më të gjata por më të shpejta
Shtresat e abstraksionit
Aplikacioni
Algoritmi
Gjuha Programuese
Sistemi Operativ
Instruction Set Arkitektura (ISA)
Mikroarkitektura
Qarqet Logjike/Digjitale
Qarqet Fizike

Kompjuterët dhe avansimi i tyre

  • Përmirësimi i procesit të prodhimit - fotolitografia
  • Ulja e kostos
  • Ligji i Moore

Klasat e kompjuterëve

  • Pajisje personale mobile
  • Desktop
  • Server
  • Kompjuterët e clusterëve
  • Embedded

Pajisjet personale mobile

  • Telefonët
  • Tabletët
  • Orët e mençura

Faktorët dhe karakteristikat

  • Komunikimi pa tela
  • Efikasiteti në energji
  • Ftohja pasive

Desktop kompjuterët

  • Laptopët
  • Kompjuterët për punë të zakonshme
  • Kompjuterët e fuqishëm - editim, lojëra

Faktorët dhe karakteristikat

  • Performanca
  • Grafika
  • Çmimi

Serverët

  • Kompjuterë të fuqishëm dhe të qëndrueshëm
  • Shërbejnë numër të madh të kërkesave

Faktorët dhe karakteristikat

  • Disponueshmëria
  • Zgjerueshmëria
  • Efikasiteti

Kompjuterët e clusterëve

  • Shumë kompjuterë që veprojnë si një
  • Me mijëra në qendra të mëdha të të dhënave
  • Të orientuar në shërbime dhe cloud

Faktorët dhe karakteristikat

  • Çmimi
  • Performanca
  • Efikasiteti në energji

Kompjuterët embedded

  • Në aparate të përditshme
  • Vetura
  • Pajisje të rrjetit

Faktorët dhe karakteristikat

  • Nuk ofrojnë ndërfaqe grafike
  • Më rrallë të orientuar në performancë
  • Madhësia e vogël
  • Çmimi i lirë

Pjesët e kompjuterit

Furnizuesi i rrymës (PSU) - kthen rrymën alternative në rrymë njëkahore për komponentet e kompjuterit.

Motherboard (pllaka amë)

Soketi i procesorit - pjesa qëndrore e pllakës ku montohet procesori.

Kontektorët e rrymës - në skaj të pllakës me 20 ose 24 pina ku lidhet burimi nga power supply.

Slotet e memories - hapësira ku vendoset RAM memoria.

Slotet e grafikës dhe kartelave shtesë - PCI, PCI-E, AGP (e vjetër)

Portet IDE dhe SATA - lidhja e pajisjeve I/O, zakonisht disqet dhe lexuesit optik.

Chipi BIOS dhe CMOS bateria - kodi bazik për boot të sistemit operativ.

Chipseti - Northbridge dhe Southbridge

  • Northbridge kordinon shkëmbimin e informacionit ndërmjet procesorit, memories, dhe kartelës grafike.
  • Southbridge kordinon pajisjet e ngadalshme dhe I/O tjera sikur rrjeti dhe zëri.

Northbridge zakonisht ka nevojë për ftohje për shkak të clockut më të shpejtë.

Konektorët e përparmë - dritat, butonat, USB, zëri.

Konektorët e pasmë - pamja, porti serik/paralel, rrjeti, zëri, USB, tastiera/mausi, etj.

Buset - linja komunikimi (paralele ose serike).

  • Buset e brendshme - lidhin pajisjet e pllakës, sikur CPU dhe memorien.
  • Buset e jashtme - lidhin pajisjet e jashtme (I/O).

Procesori (CPU) - “truri” i kompjuterit, ekzekuton urdhërat dhe merr vendime. Komunikon vazhdimisht me memorien kryesore.

Komponentet e procesorit

  • Arithmetic/Logic Unit (ALU) - kryen operacionet aritmetikore dhe logjike.
  • Control Unit - kontrollon rrjedhën e ekzekutimit duke komunikuar me memorien dhe ALU.
  • Regjistrat - memorie e brendshme në CPU.
  • Cache - pasqyrim i vogël i memories kryesore për rritje të shpejtësisë.

ALU - kthen rezultate dhe vendos statuse.

Cikli i instruksionit

  1. Fetch - lexohet instruksioni i radhës nga memoria ku tregon program counteri. Vendoset instruksioni në instruction regjistër.
  2. Decode - interpretohet instruksioni i enkoduar në instruction regjistrin.
  3. Execute - control unit i dërgon komandat tek ALU, dhe varësisht nga operacioni i ruan rezultatet në memorie.

RAM Memoria - ruan kodin dhe të dhënat.

Disku - ruan shënimet në periudha më të gjata, zakonisht në formë magnetike ose elektrike.

Kartela grafike (GPU) - kryen operacione matematikore në paralel.

Pajisjet hyrëse - lexojnë informacion nga bota e jashtme dhe e transmetojnë në kompjuter.

Pajisjet dalëse - nga kompjuteri transmetojnë informacionin në botën e jashtme.

Energjia dhe performanca

Faktorët e shpenzimit të energjisë

  • Sa energji mund të hargjojë procesori maksimalisht - peak power?
  • Me çfarë fuqie guxon të operojë ashtu që të ketë ftohje adekuate - thermal design power (TDP)?
  • Sa është efikas procesori për kryerjen e punës - shpenzimi total i energjisë?

Shpenzimi i energjisë mbi atë që mund të ofrohet nga PSU shkakton ulje të tensionit dhe efekte të papritura.

Lirimi i nxehtësisë mbi atë që mund të largojë ftohësi mund ta dëmtojë pajisjen.

Nëse procesori A hargjon mesatarisht 20% më shumë rrymë sesa procesori B, por e kryen punën për 70% të kohës, shpenzimi i energjisë do të jetë $1.2\times 0.7=0.84$, që është efikasitet më i mirë sesa procesori B.

Si duhet ta dizajnojmë harduerin?

  • PSU dizajnohet ashtu që të ofrojë më shumë fuqi sesa TDP.
  • Ftohësi dizajnohet ashtu që të largojë nxehtësi sa TDP ose më shumë.
  • Për ta evituar tejkalimin e TDP procesori zvogëlon clock speed.

Shpenzimet e energjisë

Shumica e shpenzimit të energjisë shkaktohet gjatë ndryshimit të gjendjes së tranzistorëve brenda procesorit. Energjia e nevojshme për ndryshimin e gjendjes varet nga kapaciteti i CMOS tranzistorëve dhe quhet energji dinamike:

\[E_d \propto CU^2 \tag{1}\]

Relacioni (1) i referohet energjisë së nevojshme për një ndryshim të plotë të gjendjes ($0\rightarrow1\rightarrow1$ ose $1\rightarrow0\rightarrow1$). Për një tranzicion të njëanshëm vlen:

\[E_d \propto \frac{1}{2} CU^2 \tag{2}\]

Pasi që fuqia jepet me relacionin $P=\frac{E}{t}$ dhe $f=\frac{1}{t}$, në (2) zëvendësojmë:

\[P_d \propto \frac{1}{2} CU^2f \tag{3}\]

Relacioni (3) tregon që fuqia dinamike varet nga:

  • Kapaciteti i telave dhe tranzistorëve
  • Tensioni i veprimit
  • Frekuenca e ndryshimit të gjendjes

Megjithatë, për një punë fikse shpenzimi i energjisë mbetët i njejtë edhe pse kryhet me fuqi më të ulët.

Faktorët e performancës

Procesori punon në njësi të takteve të clockut.

Clocku matet përmes periodës ose përmes frekuencës (psh. 2 GHz).

Nëse për kryerjen e një pune nevojitet një numër i caktuar i takteve të procesorit $n_\text{takteve}$, atëherë koha totale për kryerjen e punës shprehet përmes:

\[t_\text{CPU}=n_\text{takteve} \times T_\text{clock} \tag{4}\]

ose

\[t_\text{CPU}=\frac{n_\text{takteve}}{f_\text{clock}}\]

Përveç numrit të takteve mund të masin numrin e instruksioneve të ekzekutuara - instruction count (IC).

Nëse e dimë $n_\text{takteve}$ dhe IC, mund ta llogarisim numrin mesatar të takteve të clockuit për instruksion (CPI).

\[\text{CPI}=\frac{n_\text{takteve}}{\text{IC}} \tag{5}\]

Prej formulës (4) dhe (5) nxerrim:

\[t_\text{CPU}=\text{IC} \times \text{CPI} \times T_\text{clock} \tag{6}\]

Ekuacioni (6) tregon se koha e ekzekutimit të programit varet nga:

  • Numri i instruksioneve në program (IC)
  • Numri i takteve të clockut për instruksion (CPI)
  • Perioda e clockut $T_\text{clock}$

Varshmëria e faktorëve

  • Perioda e clockut - teknologjia dhe dizajni i harduerit
  • CPI - organizimi dhe instruction set arkitektura (ISA)
  • Numri i instruksioneve - ISA dhe kompajllerët
Printo faqen  |  Hap slajdet  |  Printo slajdet  |  Kthehu lart