Grundläggande datavetenskap, 4p

Transkript

1 Grundläggande datavetenskap, 4p Kapitel 2 Datamanipulation, Processorns arbete Utgående från boken Computer Science av: J. Glenn Brookshear IT och Medier 1

2 Innehåll CPU ALU Kontrollenhet Register Maskinspråk Exekvering av program Program / data Aritmetiska/logiska instruktioner Kommunikation med periferienheter Alternativa datorarkitekturer IT och Medier 2

3 Central Processing Unit (CPU) Arithmetic Logic Unit, ALU Bearbetar data Kontrollenhet Koordinerar allt arbete Register = snabb, temporär datalagringplats General purpose placerade i CPU. Data till/från ALU, och mellanlagring Special purpose. Cache minne. Utanför, men nära CPU Primärminne, Sekundärminne Register < > Minnet < > Hårddisk IT och Medier 3

4 Exempel på uppgift Addera två tal som ligger i (primär)minnet och spara resultatet. Hämta första talet till ett register. Hämta andra talet till ett annat register. Tala om för ALU att addera talen. Talen i de två registren adderas Resultatet hamnar i ett register Lagra resultatet i minne. Stopp IT och Medier 4

5 CPU-arkitekturer Complex Instruction Set Computer CISC Vanlig processor. Komplexa operationer i många varianter Pentium Reduced Instruction Set Computer RISC Enklare CPU, färre effektivare instruktioner mer komplicerade program. PowerPC IT och Medier 5

6 Maskinspråk Data transfer LOAD, STORE Aritmetiska/Logiska ADD, SUB, AND, OR, ROTATE Flödeskontroll JUMP IT och Medier 6

7 Maskinkod I tidiga datorer var kod och data separerade John von Neumann, stored-program concept Maskininstruktioner kodas Kod och data lagras tillsammans i minnet Maskinkod Op-code - operational code Operand IT och Medier 7

8 Simple Simulator Appendix C 12 instruktioner 16+2 register 256 byte minne Laboration 1 Exempel IT och Medier 8

9 Maskinarkitektur IT och Medier 9

10 Maskininstruktioner En maskininstruktion består av Op-kod generell del Operand specifik del Ex: F (Hex) Op-kod Operand (SimpSim) IT och Medier 10

11 Maskininstruktioner forts. Avkodning av instruktion 274F 16 Op-kod2 16 har RXY som operand och betyder load R,XY Ladda register 7 med 4F IT och Medier 11

12 Maskininstruktioner forts. Avkodning av instruktion 174F 16 Op-kod2 16 har RXY som operand och betyder load R,[XY] Ladda register 7 med innehållet i minnescell 4F IT och Medier 12

13 Maskininstruktioner forts. Exempel på instruktioner Maskinkod Opkod Operand Assembler Betydelse store R,[XY] store R1,[55] Spara det som ligger i register 1 i minnescell 55h addi R,S,T addi R0,R1,R2 Addera innehållen i register 1 och 2 (två-komplement) och lägg resultatet i register 0. C000 C (000) halt Stoppa programmet IT och Medier 13

14 Exekvering av program Kontrollenheten i CPU:n upprepar maskincykeln: Fetch, Decode, Execute, (Write) om och om igen Fetch: Läs in till instruktionsregistret Decode: Tolka instruktionen Execute: Utför begärd aktivitet (Write: Lagra resultatet) Programräknaren pekar alltid på nästa instruktion Ingen skillnad på kod och data i minnet Felaktigt lagrad data kan förstöra programmet. Ett program kan förändra sin egen kod IT och Medier 14

15 Simple Simulator IT och Medier 15

16 Logiska operationer AND kan maska fram en eller flera bitar 1xxx AND 1000 = xxx AND 1000 = 0000 OR kan sätta bitar xx0x OR 0010 = xx1x xx1x OR 0010 = xx1x XOR kan toggla bitar 1011 XOR 1111 = IT och Medier 16

17 Övning logiska operationer Utför följande logiska operationer: AND OR XOR Vilken logisk operation har använts? XOR? OR? AND? IT och Medier 17

18 Logiska operationer forts. ROTATE Cirkulär Höger Vänster SHIFT Icke cirkulär Höger Vänster Aritmetiskt skift räddar teckenbiten IT och Medier 18

19 Controller Periferienheter Sköter kommunikationen Specialkonstruerad Bussar: Adress-, Data-, Kontrollbuss Externa Interna Von Nemanns flaskhals IT och Medier 19

20 Flaskhalslösningar Memory-mapped I/O CPU skriver till en speciell minnesadress (port) Direct Memory Access - DMA Periferienheten har tillgång till minnet IT och Medier 20

21 Datakommunikation Överföringshastighet Bitar per sekund - bps kbps, Mbps, Gbps Seriell En tråd En bit i taget USB Universial Serial Bus, 480 Mbps, IEEE 1394 FireWire, 400 Mbps, Digital Video Parallell Buss med flera parallella ledningar En bit per ledning Bussar Skrivare IT och Medier 21

22 Alternativa datorarkitekturer Pipelining fetch, decode, execute kan pågå samtidigt genom flera kanaler (pipes) in till ALU Pentium 4 har 20 pipelines Trixigt med beroende instruktioner Multiprocessordatorer Flera processorer i samma maskin eller i samarbete Parallellprogrammering IT och Medier 22

23 En processor i ett chip IT och Medier 23