Arhitektura računarskih sistema

Arhitektura računarskih sistema
Istorijat računarskih sistema
Literatura: Wiliam Starllings: Organizacija i arhitektura računara, CET, 2006.

Istorijat razvoja računarskih sistema
Sve informacione tehnologije razvijene kroz istoriju rešavaju probleme
na isti način:
postoje ulazni podaci koji se obrađuju;
rezultat obrade se vraća onome ko je zahtevao rešenje problema.
Razvoj informacionih tehnologija se može podeliti, u zavisnosti od
nivoa tehnologije koja je upotrebljavana za rešavanje problema ulaza,
obrade, izlaza i komunikacije,
u četiri perioda:
•premehanički,
•mehanički,
•elektromehanički i
•elektronski.
U svakom od perioda upotrebljavala su se i kontinualna i diskretna
računska sredstva.

Kontinualna i diskretna računarska sredstva
Računarsko sredstvo predstavlja svako pomagalo izgrađeno u cilju izvršavanja
računarskih operacija. Način izvršavanja operacije od strane računarskog sredstva
može biti:
manuelni (npr. šiber),
poluautomatski (npr. registar kasa, stoni kalkulatori),
automatski ( računar).
Kontinualna računarska sredstva
Ideja za konstrukciju kontinualnog računarskog sredstva se može opisati na sledeći
način: potrebno je konstruisati računarsko sredstvo čiji je matematički model
ekvivalentan matematičkom modelu problema koji se rešava.
Komponente kontinualnog računarskog sredstva se međusobno povezuju na način
analogan nekom realnom sistemu (analogna računarska sredstva)
U/I podaci su predstavljeni preko (neprekidnih) fizičkih veličina.
Operacije se izvode obradom tih veličina.
Kontinualno računarsko sredstvo
mehaničko – U/I vrednosti se obično izražavaju preko pozicije različitih točkića ili
zupčanika;
elektronsko – a u elektronskom U/I vrednosti se obično izražavaju preko napona
električne struje.

Primeri analognih računskih sredstava
Antikythera Mehanizam (Rodos, 87.g.p.n.e.) – astronomski uređaj koji se koristio za
prikaz sinodičkih meseci u godini odnosno vremena između pojavljivanja dva mlada
meseca.
klizajući lenjir (Viljem Outred 1622. godine)
diferencijalni analizator (Vanevar Buš, 1931. godina, slika 1) – mehanički analizator
za rešavanje opštih diferencijalnih jednačina šestog reda.
Izlaz je prikazivan preko automatizovane štampe grafikona na ploterima.

Slika 1: Diferencijalni analizator
• Rokfelerov diferencijalni analizator (Vanevar Buš, 1942. godina, slika 2).
Konstrukcija finansirana od strane Rokfelerove fondacije.
Ulazni podaci su učitavani preko bušenih traka
Težina 100 tona; mašina je imala 2000 vakuumskih cijevi, preko 360km
žice, 150 motora i hiljade releja.
Rešava isti problem kao i prvobitni diferencijalni analizator, ali preciznije za red veličine.
Slika 2: Rokfelerov diferencijalni analizator

Analogni računari izvode matematičke operacije nad kontinualnim
promjenljivim umesto korišćenja cifara.
Vrednosti ulaznih promenljivih se izražavaju preko voltaže pri čemu se
predstavljanje vrši proporcionalno, u zavisnosti od intervala voltaže koja može
da se unese.
Elektronski analogni računari se izgrađuju od osnovnih blokova koji mogu da
obavljaju osnovne matematičke operacije:
•sabiranje,
•oduzimanje,
•množenje,
•deljenje,
•inverziju
•integraciju.
čijim se povezivanjem modeliraju matematičke jednačine.

Opšte karakteristike analognih računarskih sredstava, odnosno analognih
računara, su:
Matematičke veličine se prikazuju sa onom tačnošću koja odgovara mogućnosti
preciznog merenja odgovarajućefizičke veličine.
Tačnost dobijenog rezultata zavisi od preciznosti izrade računarskog sredstva.
Analogna računska sredstva ne mogu da rešavaju opšte probleme, odnosno nisu
programibilna.
Složenost matematičkog modela ne utiče na brzinu dobijanja rezultata.

Diskretna računarska sredstva
Diskretna računarska sredstva obavljaju operacije isključivo sa diskretnim podacima.
Sve vrednosti sa kojima se barata (ulazne, izlazne, rezultati međuizračunavanja)
predstavljaju se u obliku brojeva koji se zapisuju pomoću pojedinačnih cifara.
Primeri diskretnih računarskih sredstava su abakus različite vrste računaljki, registar
kase, savremeni (cifarski) računari, itd.
Neke osobine diskretnih računarskih sredstava su:
Svaka cifra broja se registruje u odvojenom objektu kao jedno od njegovih diskretnih
stanja. Obično se objekat koji posjeduje diskretna stanja naziva ćelija. Diskretna
stanja objekta moraju da budu stabilna i moraju međusobno da se razlikuju. Za
diskretno stanje se kaže da je stabilno ako se prelazak u drugo diskretno stanje
dešava isključivo kao rezultat spoljašnjeg uticaja.
Tačnost dobijenog rezultata ne zavisi od preciznosti izrade računarskog sredstva.
Diskretna računarska sredstva mogu da rešavaju opšte probleme, odnosno mogu da se
programiraju.
Brzina izračunavanja rezultata kod diskretnih računarskih sredstava zavisi od složenosti
problema koji se rešava.

Razvoj brojčanih sistema
nepozicioni brojčani sistemi (egipatski, rimski, ...)
pozicioni brojčani sistemi
devetocifreni – Indusi između 100.g.n.e. i 200.g.n.e.
desetocifreni – Arapski, oko 875.g.n.e.
Razvoj sredstava za računanje
Slika 5: Kosti za brojanje
Slika 6: Abakus
Slika 7: Japanska verzija abakusa

Bebidžova mašina
Nacrt diferencijske mašine – Čarls Bebidž 1822. godine.
Prototip napravljen 1832. godine. Mašina je mogla da izračunava kvadrate i
kubove šestocifrenih brojeva i razlike drugog reda (tj. kvadratne
polinomijale).
Dobijeni rezultati su prikazivani u obliku dijagrama i tabela. Mašina se sastojala
od zupčanika i poluga i pokretana je ručno.

Različita elektromehanička sredstva:
IBM 601 (1935.g.) – mašina sa bušenim karticama koja je koristila elektromehaničke releje i
mogla da obavlja množenje brojeva za 1 sekundu.
Z1 - prvi elektromehanički kalkulator u Nemačkoj (Konrad Zuse 1931.godine).
Z3 - programibilni elektromehanički kalkulator (1941.g.)
Elektromehanički računari specijalizovane namene - za šifrovanje odnosno dešifrovanje (npr.
nemačka Enigma ili poljska Bomba)
Obrada podataka u udaljenom okruženju – Džordž Stibic 1939. godine.
MARK I - prvi elektromehanički programibilni kalkulator – Hauard Ejken, 1944. g.dužina oko
17 metara i visina oko 2,5 metra
800km žice 750000 djelova
oko 3 miliona električnih spojeva.
72 akumulatora sa svojim posebnim aritmetičkim jedinicama kao i mehaničke registre sa
kapacitetom od 23 cifre plus znak.
Koristilajebrojačezačuvanje brojeva i elektromehaničke releje kao pomoć u beleženju
rezultata.
Aritmetičke operacije su obavljane u fiksnom zarezu - sabiranje za 1/3 sekunde a množenje za 1
sekundu.
Instrukcije za izvršavanje (program) su učitavane sa papirne trake a podaci sa druge papirne
trake, bušenih kartica ili registara.
Izlaz se mogao dobiti na bušenim karticama ili na papiru, preko pisaće mašine.

Elektronski period: 1939.g. – danas
elektronsko logičko kolo nazvano prekidač ili vrata – Nikola Tesla 1903.godine
elektronska vakuumska cev (1906. g.) i dizajn prvog flip-flop elektronskog kola
(1919.g.) – Li de Forest
televizija 1927. g.
ekran sa katodnom cijevi – Vladimir Zvorikin 1928. godine
Prvi 16-bitni sabirača vakuumskim cevima – Džon Atanasof i Kliford Beri 1939.
godine
ABC (Atanasoff-Berry-Computer)
isti autori, leto 1941.
kalkulator za rešavanje sistema simultanih linearnih jednačina
korišćen isti princip kao kod prethodno konstruisanog sabirača
šezdeset 50-bitnih reči koje su se nalazile na dva rotirajuća doboša
učestanost časovnika 60Hz
sabiranje vršeno za 1 sekundu nije zahtevao množenje, pa ova operacija nije bila ni
realizovana
oko 300 vakuumskih cevi.
• Kolos (1943. godina, V. Britanija)

Istorija praktičnog
računarstva
počinje
1945 godine, pojavom prvog
elektronskog digitalnog računara
opšte
namene.
ENIAC (Electronic(
Numerical Integrator And Computer),
koga su razvili
John Mauchly i John Presper Eckert sa Univerziteta Pensilvanija, , bio je težak
30 tona i sadržao
ao više od 18000 elektronskih cevi.

ENIAC je koristio decimalni brojni sistema (10 cevi za svaku
cifru) ) i izvršavao
5000 operacija sabiranja u sekundi, trošeći pri
tome 140kW energije.
Programirao se ručno,
uz pomoć prekidača a i kablova, što
je
njegova osnovna mana.

Iste godine, radeći na predlogu za novi računar
EDVAC, John
von Neumann (Janosz
Neumann) je formulisao ideju da se lista
instrukcija (program) zadaje upisom u memoriju, zajedno sa
podacima.

Računar
bi instrukcije učitavao
iz memorije i potom ih
izvršavao
avao.
Ova ideja, poznata kao "stored-program concept", ostala je
osnova savremenog računarstva
do danas, kao i arhitektura tzv.
von-Neuman
Neuman-ove
mašine
ine.
Razvoj prvog ovako organizovanog računara
IAS, von
Neumann je započeo
1946 godine.

Alternativni
procesora, predložio
Harvard Mark I. I
koncept,
io je
Harvardsku
Howard Aiken pri
arhitekturu
razvoju
centralnog
računara
Harvardska arhitektura podrazmeva razdvojenost programa i
podataka u memoriji računara
unara, uz postojanje posebnih magistrala
za prenos podataka.

Ovakva arhitektura rezultira bržim
i pouzdanijim izvršenjem
programa, ali je u ono vreme odbačena
zbog lošeg
iskorišćenja
memorije i složenosti
dvostrukih memorijskih magistrala.
Savremeni DSP procesori, od kojih se zahteva maksimalna
brzina rada, organizovani su upravo na ovakav način.

Generacije elektronskih računara
četiri ili pet (zavisno od autora) faza koje se nazivaju generacije računara
pripadnost računara određenoj generaciji se utvrđuje na osnovu tehnologije
upotrebljene za izradu osnovnih elektronskih komponenti koje se koriste za čuvanje i
obradu informacija.
Prva generacija računara: 1939.g. – 1958.g.
vakuumske cevi kao logički elementi
U/I uređaji su bušene kartice, papirne i magnetne trake
unutrašnju memoriju čine odložene linije, magnetne trake i magnetni doboši
Za programiranje se koristi mašinski jezik, a na kraju perioda i assembler
Na kraju perioda u upotrebi je bilo oko 2500 računara
U ovom periodu IBM tim na čelu sa Džonom Bekusom je razvio FORTRAN prvi viši
programski jezik (1957.g.)
Sperry-Rand sa UNIVAC serijom mašina i IBM sa serijom računara 700.
prva globalna računarska mreža u svetu – projekat SAGE (eng. Semi-Automatic Ground
Environment) 1958. g.

Druga generacija računara: 1959.g. – 1964.g.
Tranzistori
1947. g. od germanijuma
1954.g od silicijuma
Funkcija kao i vakuumske cevi
čvrst provodnik, pouzdaniji, manji, manje struje i toplote
od 1959. g. svi računari koriste tranzistore

Druga generacija: računari
sa tranzistorima
Upotreba tranzistora i štampanih
ploča je krajem 1950-tih
označila
pojavu druge generacije računara
unara.
Nova tehnologija izrade je petostruko ubrzala rad računara
na nivo reda 200.000 operacija u sekundi, uz drastično
smanjenje
veličine
ine, potrošnje
i cene računarskih
sistema.

Primena računara
olakšana
ana je uvođenjem
kompleksnijih
aritmetičkih
i upravljačkih
jedinica, ali i pojavom viših
ih
programskih jezika (Fortran, COBOL, LISP) i snažnije
nije sistemske
programske podrške
ke.
Prvi računari
ove generacije koristili su oko 10000 tranzistora,
da bi uz tehnološka
unapređenja
enja stigli do maksimalnog broja reda
nekoliko stotina hiljada ugrađenih
diskretnih tranzistora.

Treća generacija računara: 1965.g. – 1971.g.
integrisanokoloumestopojedinačnih tranzistora
pojavljuju se SSI čipovi (small-scale-integration circuits)
novi programski jezici različitih karakteristika
dalji razvoj operativnih sistema
razvoj telekomunikacija - lansiranje telekomunikacionih satelita
na kraju ovog perioda pojavljuje se i disketa veličine 8 inča

Treća generacija: računari
sa integrisanim
kolima
Izum integrisanih kola 1958. godine i pojava
mikroelektronike kao nove inženjerske
discipline, dali
su dalji podstrek razvoju računarstva
unarstva.
Minijaturizacija računarskih
komponenti imala je
suštinski
značaj
aj za povećanje
mogućnosti
računara
i
njihovu neslućenu
enu ekspanziju u sve oblasti života.
U početku
je bilo omogućeno
povezivanje samo
malog broja logičkih
kola u okviru jednog
integrisanog kola, tzv. . SSI - small scale of integration.

Vremenom, tehnologija izrade
omogućila
je integraciju sve većeg
eg
broja tranzistora, odnosno povećanje
gustine njihovog pakovanja.
Još 1965. godine je Gordon Moore,
suosnivač Intel-a,
izneo procenu da će
se u bliskoj budućnosti
svake godine
udvostručavati
broj tranzistora u
integrisanom kolu iste površine
ine.
Ovaj stav, poznat kao Moore-ov
ov
zakon, ostao je u važnosti
sve do
danas, iako je od 1970. godine korak
udvostručenja
gustine integrisanih
kola usporen na 18 meseci.

3. Računari
su sve manji, što
pospešuje
njihovu primenu u raznim okruženjima
enjima.
4. Neprekidno se smanjuje potrošnja
i
pojednostavljuje hlađenje
računarskih
sistema.
5. Veze izvedene u okviru integrisanog
kola su mnogo pouzdanije od onih van
njega.

Četvrta generacija računara: 1972.g. – danas
• dalja minijaturizacija
• LSI (1971), VLSI (1979)
• poluprovodnička memorija
• pojava mikroprocesora (Intel 4004, 1971.g.)
•PC računari (Altair 8800, 1975.g.)

Četvrta
generacija: mikroprocesorski računari
Iako je sam procesor (4 bita, množi uzastopnim sabiranjem) za
današnje
nje standarde neverovatno jednostavan, bila je to prva
integrisana komponenta koja je u sebi sadržala
ala sve komponente
centralnog procesora.
Dalji razvoj mikroprocesora, preko 8-bitnih i 16-bitnih
modela,
vodi do danas aktuelnih mikroprocesora 32-bitne i 64-bitne
arhitekture.

Za razvoj računarstva
je izuzetno važna
pojava koncepta
lokalne mreže:
‣ skupa međusobno povezanih računara
koji kooperativno rade
deleći pri tom i određene resurse (diskove, štampače..
..).

Napredak komunikacionih tehnologija omogućio
je da se ovaj
koncept proširi
praktično
na svetskom planu.
U ovom segmentu, svakako je najvažnija
nija pojava protokola
Ethernet, koji je kao ideja objavljen 1973. godine, kao mrežna
kartica lansiran 1982. godine, , a standardizovan 1983. godine pod
oznakom IEEE 802.3.

Pojavom interneta naglo je porasla potreba za web-serverima
koji rade u 24-časovnom
režimu
imu, uz neprekidnu potrebu da se
kapacitet prilagođava povećanom
broju korisnika.
Ovakvi serveri postaju kičma
složenih
kompanijskih sistema,
zamenjujući tradicionalne "mainframe" računare
unare.

Osnovna i najkritičnija
nija karakteristika servera je raspoloživost
ivost.
Ovaj termin podrazumeva sposobnost računarskog
sistema da
obezbedi potrebne usluge, čak
i u slučaju
delimičnih
otkaza.
U složenim
sistemima otkaz je očekivani
događaj, , a izazov za
projektanta je da obezbedi mehanizme koji će ovakve događaje
preduprediti, sačuvati
podatke i obezbediti uslugu krajnjem
korisniku.

Druga važna
osobina servera je proširivost
irivost,
u pogledu procesne moći, kapaciteta
memorije i podsistema diskova, , U/I
mogućnosti
nosti, itd.
Serveri su optimizovani ka postizanju
maksimalne ukupne propusnosti, merene
brojem transakcija određenog tipa u jedinici
vremena.
Pri tome su dozvoljena kašnjenja
(zadržavanja) zahteva pojedinačnih
nih
korisnika.
Savremeni vrhunski serveri se realizuju
kao multiprocesorske, tzv. . "cluster"
konfiguracije.

OSNOVNI PRINCIP RADA
RAČUNARA
• Obrada podataka u užem smislu podrazumeva
izvršavanje različitih operacija (aritmetičkih, logičkih
itd.) nad podacima.
• Obrada podataka u širem smislu obuhvata sve
poslove vezane za prikupljanje, skladištenje,
održavanje i manipulisanje podacima.
• Računar je uređaj koji je u stanju da zameni čoveka
u obradi podataka i u užem i u širem smislu. Da bi to
bilo moguće neophodno je da se postupak obrade
podataka formalizuje na takav način da ga računar
može izvršiti.

RAČUNAR PRIKAZAN POMOĆU
ŠEST NIVOA
Nivo 5
NIVO VIŠIH PROGRAMSKIH JEZIKA
Nivo 4
NIVO ASEMBLERA
Nivo 3
NIVO OPERATIVNOG SISTEMA
Nivo 2
NIVO ARHITEKTURE SKUPA INSTRUKCIJA
Nivo 1
MIKROPROGRAMSKI NIVO
Nivo 0
NIVO HARDVERA

Arhitektura – osnovne komponente
Memorija za
instrukcije
Memorija za
podatke
Adresiranje
instrukcija
Registri
Instrukcije
Brojač naredbi
Adresiranje
podataka
ALU
Podaci
Jedina
aktivna
komponenta
Upravljačka jedinica
U/I uređaji

OVAKO IZGLEDA STRUKTURA RACUNARA:

OVDE SE NALAZI DMA CONTROLLER I
NJEGOVI KANALI:
Svaki prenos informacije preko DMA kanale kontroliše upravljač DMA
Na modernih računari ove upravljači se nalaze unutra integrisanih čipoav na matičnu ploču
(chipset).
Kod DMA prenosa U/I uređaj se povezuje na sistem preko specijalnog interfejs-a kola koje se
zove DMA kontroler.

Model računarskog sistema sa
sistemskom magistralom
SISTEMSKA MAGISTRALA
Magistrala podataka – za prenošenje podataka između procesora,
memorije i ulazno/izlaznih uređaja.
Kontrolna magistrala – za postavljanje kontrolnih, tj. upravljačkih signala,
Adresna magistrala – za adresiranje.

Arhitektura računara
• CPU
• Sabirnica, BUS, magistrala
• Memorija (glavna: RAM, ROM)
• Ulazne jedinice (miš, tastatura..)
• Izlazne jedinice (monitor, štampač)