ดาวน์โหลดงานนำเสนอ
งานนำเสนอกำลังจะดาวน์โหลด โปรดรอ
1
Chapter 2 Computer Evolution and Performance
2
ประเด็นสำคัญ วิวัฒนาการของคอมพิวเตอร์และประสิทธิภาพ พิจารณาจาก
- การเพิ่มความเร็วในการทำงาน CPU - การลดขนาดของอุปกรณ์ประกอบ - การเพิ่มปริมาณหน่วยความจำ - การเพิ่มขีดความสามารถในการจัดเก็บข้อมูล IO - ความเร็วในการทำงาน
3
ประเด็นสำคัญ (ต่อ) องค์ประกอบที่มีความสำคัญยิ่งอย่างหนึ่งที่มีผลกระทบโดยตรงต่อความเร็วในการทำงานคือ การลดขนาดของส่วนประกอบไมโครโปรเซสเซอร์ซึ่งช่วยลดระยะทางระหว่างส่วนประกอบลง จึงทำให้ เร็วยิ่งขึ้น แต่อย่างไรก็ตามความเร็วที่แท้จริงก็มากจาก Organization ของ CPU ซึ่งได้นำเอาเทคนิคต่างๆ มาช่วยเช่น Pipeline, Parallel processing,
4
ประเด็นวิฤติสำหรับการออกแบบคอมพิวเตอร์
คือการทำให้ความสมดุลระหว่างองค์ประกอบต่างๆ โดยจะไม่เพิ่มประสิทธิภาพด้านใดด้านหนึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพด้านอื่นลดลง เช่น ความเร็วในการประมวลผลข้อมูลของ CPU จะสูงมากในขณะที่ความเร็วในการอ่าน-เขียน ข้อมูลที่หน่วยความจำเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย จึงได้มีการนำเอาเทคนิคต่างๆ มาใช้เพื่อช่วยลดความไม่สมดุลนี้ลงได้แก่ การนำเอา cache มาช่วยนั่นเอง
5
เครื่องจักร von Neumann/Turing
กระบวนการป้อน และแก้ไขโปรแกรมสำหรับเครื่องคอมพิวเตอร์ในยุคต้นๆ เป็นเรื่องที่ยุ่งยากมาก ดังนั้นจึงมีกระบวนการที่เหมาะสมคือ เอาคำสั่งจากการอ่านมาเก็บไว้ในหน่วยความจำ และทำการเปลี่ยนแปลงหรือแก้ไขโปรแกรมก็สามารถทำได้โดยการเปลี่ยนค่าที่เก็บอยู่ในหน่วยความจำ แนวความคิดนี้รู้จักกันในชื่อของ Stored-Program Concept
6
เครื่องจักร von Neumann/Turing
In 1946 von Neumann began new stored program computer,referred to as the IAS computer (ในปี 1946 Von Neumann ได้เริ่มออกแบบคอมพิวเตอร์ตามแนวความคิดใหม่ ซึ่งตั้งชื่อว่า IAS) Main memory storing programs and data ALU operating on binary data Control unit interpreting instructions from memory and executing Input and output equipment operated by control unit Completed 1952
7
Structure of von Neumann machine
8
IAS - details 1000 x 40 bit words (Memory ของ ISA ประกอบด้วย 1000 ตำแหน่ง และแต่ละ word มีขนาด 40 bit) data and instruction ถูกเก็บไว้ในที่นี่นั่นเอง 40 bit แยกเป็น สองส่วนคือ Left Instruction และ Right Instruction โดยแต่ละชุดคำนั่งจะมี 8 bit แรกเป็น Instruction set Control Unit จะทำการควบคุมการ Fetching instruction (อ่านคำสั่งจากหน่วยความจำ )จาก memory และ executing
9
รูปแบบ instruction set architecture
10
IAS มี Register ภายในดังนี้
IAS - details Set of registers (storage in CPU) (ที่เก็บข้อมูลชั่วคราวหรือเป็นหน่วยความจำย่อยของ CPU ไม่ได้อยู่ใน Ram แต่อยู่ใน CPU ข้อมูลที่เก็บไว้ใน Register นั้น CPU สามารถจะนำมาคำนวณทางคณิตศาสตร์ได้) IAS มี Register ภายในดังนี้ Memory Buffer Register (MBR) เก็บ data จาก memory มาไว้หน่อยความจำชั่วคราวใน CPU Memory Address Register (MAR) เป็นตัวชี้ตำแหน่งในหน่วยความจำ(เก็บที่อยู่ของข้อมูลที่จะถูกอ่านเข้ามาที่ MBR) Instruction Register (IR) ประกอบด้วย 8 bit เก็บชุดคำสั่งที่จะทำการ executed.
11
IAS - details Instruction Buffer Register (IBR) ทำหน้าที่จัดเก็บคำสั่ง 20 bit ทางฝั่งขวาของแต่ละ Word เพื่อรอการประมวลผล (เก็บข้อมูลชั่วคราว) Program Counter (PC) เก็บตำแหน่งถัดไปใน memory หรือพูดง่ายๆ เป็นตำแหน่งของชุดคำสั่งถัดไปใน memory Accumulator (AC) and Multiplier Quotient (MQ) เป็นตัวเก็บข้อมูลก่อนจะไปประมวลผล หรือเก็บผลลัพธ์ หลังการประมวลผลที่ ALU
12
Structure of IAS – detail
13
Instruction Set มีทั้งหมดอยู่ 21 คำสั่ง
การเคลื่อนย้ายข้อมูล(Data Transfer) เคลื่อนย้ายข้อมูลระหว่างหน่วยความจำกับ Register ของ ALU หรือ เคลื่อนย้ายข้อมูลระหว่าง Registerใน ALU ด้วยกันเอง การย้านตำแหน่งคำสั่งที่จะประมวลผลโดยไม่มีเงื่อนไข(Unconditional Branch) การย้ายตำแหน่งคำสั่งที่จะประมวลผลอย่างมีเงื่อนไข(Conditional Branch) คำสั่งทางคณิตศาสตร์ (Arithmetic) การเปลี่ยนแปลงที่อยู่ (Address Modify) ยอมให้ตำแหน่งของข้อมูลที่ต้องการนั้นถูกคำนวณมาจากหน่วย ALU แล้วจึงใส่เข้าไปเป็นส่วนหนึ่งของคำสั่งที่เก็บอยู่ในหน่วยความจำ วิธีนี้ช่วยให้เกิดความคล่องตัวในการอ้างอิงตำแหน่งที่อยู่ในหน่วยความจำ
14
Generations of Computer
Vacuum tube (หลอดสุญญากาศ) Transistor Transistor มีขนาดเล็กกว่าหลอดสุญญากาศมาก และมีการแผ่นความร้อนออกมาในขณะใช้งานน้อยกว่าหลอดสุญญากาศมาก สามารถแทนได้อย่างดี Small scale integration (SSI) on Up to 100 devices on a chip Medium scale integration (MSI) - to 1971 100-3,000 devices on a chip Large scale integration (LSI) 3, ,000 devices on a chip Very large scale integration (VLSI) to date 100, ,000,000 devices on a chip Ultra large scale integration Over 100,000,000 devices on a chip
15
Moore’s Law Increased density of components on chip
Number of transistors on a chip will double every year Since 1970’s development has slowed a little Number of transistors doubles every 18 months Cost of a chip has remained almost unchanged(ราคาของ chip แทบจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงเลยตลอดช่วงเวลาการเติบโตอย่างรวดเร็ว แสดงว่า ราคาอุปกรณ์คอมได้ลดลงอย่างมาก) Smaller size gives increased flexibility(ส่วนประกอบใน chip ถูกวางใกล้ชิดกันมากขึ้นเรื่อยๆ ทำให้ทางเดินสัญญาณสั้นลง มีผลให้ความเร็ซในการทำงาน chip เพิ่มขึ้น Reduced power and cooling requirements Fewer interconnections increases reliability
16
Growth in CPU Transistor Count
17
Intel First microprocessor All CPU components on a single chip 4 bit Followed in 1972 by 8008 8 bit Both designed for specific applications Intel’s first general purpose microprocessor
18
Speeding it up Pipelining On board cache On board L1 & L2 cache Branch prediction Data flow analysis Speculative execution
19
DRAM and Processor Characteristics
20
Trends in DRAM use
21
Pentium Evolution (1) 8080 first general purpose microprocessor
8 bit data path Used in first personal computer 8086 (8086 และ 8088 เป็น cpu คู่เหมือน) 16 bit มี address bus ขนาด 20 เส้น อ้าง address ของหน่วยความจำได้ถึง 1 Mbyte Data bus มี 8 เส้น ดังนั้นการรับส่งข้อมูลต้องกระทำ 2 ครั้ง ครั้งละ 8 bit 8088 (8 bit external bus) เนื่องจากในขณะนั้นอุปกรณ์ต่าง ๆ โดยมากเป็นอุปกรณ์ขนาด 8 บิต บริษัท Intel จึงได้ผลิตไมโครโปรเซสเซอร์ 8088 ซึ่งมีสถาปัตยกรรมภายในเหมือน แต่มีการติดต่อกับระบบภายนอกเป็นแบบ 8 บิต ในการอ้าง address ของอุปกรณ์ port i/o จะใช้เพียง 16 เส้น ทำให้ cpu สามารถอ้าง address ของ port i/o ได้ 64k port
22
Pentium Evolution (1) 80286 ผลิต 1983 ระบบบัส 16 บิต
มี Address bus 24 เส้น อ้างหน่วยความจำได้ถึง 16 Mbyte 16 Mbyte memory addressable 80386 มีโครงสร้างภายใน Register, Data Bus, Address Bus เป็นแบบ 32 bit อ้างหน่วยความจำได้ 4 Gbyte Support for multitasking Have Good management Memory and Visual Memory มีความสามารถในการมาตรฐานของชุดคำสั่ง รุ่นนี้ยังคงใช้เป็นมาตรฐานอยู่จนถึงปัจจุบันนี้ เช่น Windows 95 ยังสามารถนำมาทำงานได้บนหน่วยประมวลผลรุ่นนี้ แต่จะทำงานได้ช้ามากเท่านั้นเอง
23
Pentium Evolution (2) 80486 มี cache ขนาด 8 kbyte อยู่ในตัว CPU Data Bus, Address bus, Register เป็นแบบ 32 บิต อ้างหน่วยความจำได้ 4 Gbyte built in maths co-processor (เพิ่มหน่วยประมวลผลเลขทศนิยมเข้าไป) ทำให้ประมวลผลได้เร็วกว่าเดิม Pentium(penta มีค่า=5 และ tium คือโลหะบริสุทธ์) รวมกันคือ ชิปโลหะบริสุทธิ์ในยุคที่ 5 มีสถาปัตยกรรมแบบใหม่คือ Superscalar Multiple instructions executed in parallel Increased superscalar organization มีการเพิ่มความสามารถในการประมวลผลให้สูงขึ้น โดยใช้เทคโนโลยีต่าง ๆ เช่นการประมวลผลแบบไปป์ไลน์ การประมวลผลแบบซูเปอร์สเกลาร์ เป็นต้น
24
Pentium Evolution (3) Pentium II Pentium III Pentium 4 Itanium
MMX technology graphics, video & audio processing Pentium III Additional floating point instructions for 3D graphics Pentium 4 Note Arabic rather than Roman numerals Further floating point and multimedia enhancements Itanium 64 bit see chapter 15
25
การทำงานของคอมพิวเตอร์
เนื่องจากคอมพิวเตอร์ปัจจุบันเป็นคอมพิวเตอร์แบบ von Neumen’s Machine หรือเป็น Stored-Program Computer กล่าวคือเป็นเครื่องจักรที่ทำงานตามขั้นตอนของคำสั่งหรือโปรแกรมที่มนุษย์คิดไว้ และนำโปรแกรมนั้นไปเก็บในรูปแบบของไฟล์ในดิสก์ คอมพิวเตอร์ก็อ่านโปรแกรมไปเก็บไว้ในหน่วยความจำเพื่อให้หน่วยประมวลผลกลางหรือ CPU มาอ่านคำสั่งไปทำงานทีละคำสั่ง โดยเริ่มตั้งแต่คำสั่งแรกไปจนจบโปรแกรม ดังนั้นเพื่อที่จะให้คอมพิวเตอร์สามารถทำงานได้อย่างถูกต้องตั้งแต่เริ่มเปิดไฟเข้าสู่เครื่องจนถึงสั่งปิดไฟ จึงต้องมีการแบ่งโปรแกรมและหน่วยความจำออกเป็นหลาย ๆ ระดับ โดยส่วนของโปรแกรมจะประกอบด้วย 1. Bootstrap Loader, 2. BIOS, 3. Operating System (OS) 4. Application Program
26
ส่วนย่อยการทำงานของคอมพิวเตอร์
1. Bootstrap Loader เป็นโปรแกรมที่ทำงานตั้งแต่เริ่มเปิดไฟเข้าสู่เครื่อง ทำการ reset วงจรต่าง ๆ ในคอมพิวเตอร์ ทำการตรวจหาอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่มีอยู่ในคอมพิวเตอร์และตรวจสอบการทำงานของแต่ละอุปกรณ์ เมื่อเรียบร้อยแล้วจึงส่งการทำงานให้ BIOS 2. BIOS (Basic Input Output System) ทำงานปรับตั้งอุปกรณ์ต่างๆ เช่น แป้นพิมพ์ เมาส์ เครื่องพิมพ์ จอภาพ เป็นต้นให้สามารถทำงานต่อไปได้อย่างถูกต้อง เมื่อทำงานปรับตั้งเสร็จแล้วจึงตรวจหาโปรแกรมระบบปฎิบัติการ (OS) ที่ติดตั้งไว้ในฮาร์ดิสค์ เมื่อพบ OS แล้วจึงอ่านโปรแกรมของ OS เข้ามาไว้ในหน่วยความจำ แล้วส่งการทำงานของเครื่องต่อให้ OS ต่อไป
27
ส่วนย่อยการทำงานของคอมพิวเตอร์
3. ระบบปฎิบัติการ (OS) ทำหน้าที่เป็นแม่บ้านของคอมพิวเตอร์ โดยจะควบคุมการทำงานของเครื่องอยู่ตลอดเวลาที่ยังไม่มีการปิดเครื่อง โดยจะคอยตรวจสอบความถูกต้องในการทำงานต่างๆ อยู่เสมอ ถ้าการทำงานเรียบร้อยดีก็จะแสดงเครื่องหมาย Prompt รอรับคำสั่งจากผู้ใช้เครื่อง (ในกรณีของ DOS) หรือแสดงไอคอมของโปรแกรมต่างๆ รอให้ผู้ใช้เครื่องดับเบิลคลิ๊ก (ในกรณีของ Windows) เพื่อสั่งรันโปรแกรมประยุกต์ (Application Program) อันใดอันหนึ่ง จึงจะไปตรวจหาส่วนโปรแกรมของโปรแกรมประยุกต์นั้นในฮาร์ดิสค์ ถ้าพบจึงอ่านโปรแกรมเข้ามาไว้ในหน่วยความจำ แล้วส่งการทำงานของเครื่องต่อให้แก่โปรแกรมประยุกต์ต่อไป โดย OS ยังคอยควบคุมการทำงานอยู่ด้วย โดยถ้ามีข้อผิดพลาดในการทำงานเกิดขึ้น OS จะเข้าควบคุมการทำงานของเครื่องเพื่อไม่ให้เครื่องมีการ Hanged และผู้ใช้เครื่องสามารถสั่งงานอย่างใดอย่างหนึ่งต่อไปได้ แต่ถ้าโปรแกรมประยุกต์นั้นไม่มีข้อผิดพลาด สามารถทำงานไปจนเสร็จก็จะส่งการทงานคืนให้แก่ OS เพื่อเข้าควบคุมเครื่องรอคำสั่งต่อไปจนกว่าจะปิดเครื่อง
28
ส่วนย่อยการทำงานของคอมพิวเตอร์
4. โปรแกรมประยุกต์ เป็นโปรแกรมสำหรับทำงานอย่างใดอย่างหนึ่งตามที่ผู้ใช้เครื่องต้องการ เช่น Word Processor, Access, CAD เป็นต้น
29
การจัดการหน่วยความจำ
สำหรับทางด้านการจัดการหน่วยความจำ เนื่องจากหน่วยความจำจะเป็นที่เก็บของโปรแกรม OS และโปรแกรมประยุกต์ ซึ่งจะถูกอ่านเข้ามาวางไว้เฉพาะเมื่อจะมีการทำงาน ส่วน Bootstrap Loader และ BIOS นั้นจะต้องมีวางไว้ในหน่วยความจำเสมอ ทั้งในเวลาที่เครื่องปิดและเปิด เพื่อไม่ให้มีการลบหายไปเมื่อเครื่องปิด ดังนั้นโปรแกรมสองส่วนนี้จึงต้องเก็บไว้ในหน่วยความจำชนิด Read Only Memory (ROM) และโปรแกรมสองส่วนนี้เรียกเป็น Firmware สำหรับโปรแกรมส่วนของ OS และโปรแกรมประยุกต์นั้นเนื่องจากถูกอ่านเข้ามาวางในหน่วยความจำเฉพาะเมื่อทำงานจึงเรียกเป็น Software และจัดเก็บลงในหน่วยความจำชนิด _Random Access Memory (RAM) ดังนั้นหน่วยความจำหลักของคอมพิวเตอร์จึงประกอบขึ้นด้วยหน่วยความจำสองชนิดคือ ROM และ RAM ดังแสดงในรูป
30
การจัดการหน่วยความจำ
31
Charles Babbage Institute PowerPC Intel Developer Home
Internet Resources (See Intel web pages for detailed information on processors) Search for the Intel Museum Charles Babbage Institute PowerPC Intel Developer Home
งานนำเสนอที่คล้ายกัน
