pc-k És perifériák
DESCRIPTION
PC Build, PerifériákTRANSCRIPT
-
Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 1/11
Szmtgp s perifrik A szmtgp a ki/bemeneti egysgen keresztl ll kapcsolatban a krnyezetvel. Pldnkban egy nyomtatt s egy billentyzetet kapcsolunk a szmtgphez:
A szmtgp ktflekppen vezrelheti a perifrikat:
- Programozottan:
A szmtgpnek a bels utastsokon kvl I/O utastsai is vannak:
Out (cm): a megcmzett perifrinak parancsot s/vagy informcit kld
az informci lehet adat, pl. nyomtass egy adott kd karaktert
vezrls, pl. mostantl pirosan nyomtass
A kett nem felttlenl klnl el, pl. kezdj j sort vagy j lapot parancs nyomtatsi kdknt szokott kimenni.
In (cm): a megcmzett perifritl informcit olvas be. A beolvasott informci ktfle lehet:
a perifria llapotra vonatkoz:
o a perifria ksz (pl. klaviatrn letttek egy gombot, a kdot lehet olvasni)
o a perifria foglalt (pl. nyomtatn elindtottak egy nyomtatst, s mg nem rt vget nem lehet j nyomtatst indtani)
Adat, pldul a lettt karakter kdja.
- Megszaktssal:
ha a perifria azt szeretn, hogy a szmtgp foglalkozzon vele, megszaktst kr, erre a fut program flbeszakadhat, s a program a perifrival kezd foglalkozni.
A programozott mkdst csak a szmtgp ltal kiadott utastsok vezrlik, a megszaktst a perifrik s a szmtgp kztti hardver vezrli.
Perifria programozott mkdtetse Karaktersorozat (szveg) nyomtatsa egy perifrin:
-
Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 2/11
A feladat: a memriban tallhat karakter sorozat nyomtatsa
Ehhez a memriban tallhat karaktereket egyms utn ki kell kldeni a nyomtatba. A nyomtats a szmtgp sebessghez kpest nagyon lassan trtnik (pldul 0,01s = 10ms/karakter), ezrt a kvetkez karakter nyomtatsa eltt meg kell vrnunk, hogy az elz nyomtats befejezdjn. A balodali program folyamatbra megvalstshoz kt I/O utasts szksges: IN (Nyomtat sttusz) A szmtgp beolvassa a nyomtat llapott, amelyben benne van az, hogy a nyomtat ksz-e mg egy sor informci lehet benne, pldul, hogy van-e papr a nyomtatban (eezel most nem foglalkozunk) OUT (karakter)
A szmtgp kikldi a nyomtatand karakter kdjt, s nyomtatst indt. Ltszik, hogy a nyomtats a szmtgpet 100%-ban lekti, mert folyamatosan figyelni kell, hogy mikor kldhet a kvetkez karakter. A figyels alatt a szmtgp semmi hasznosat nem csinl, pldul foglalkozhatna egy msik feladattal!
Erre szolgl a megszakts: a szmtgp a nyomtats megindtsa utn msik feladatba kezd, majd amikor a perifria elkszl a nyomtatssal, flbeszaktja azt, megindtja a kvetkez nyomtatst, majd visszatr a megszaktott mkdsre.
Megszakts A szmtgp kpes arra, hogy a perifri(k)bl jv jelzs hatsra megszaktsa a fut programot, s egy msik programot kezdjen el, majd vissza tudjon trni az eredeti feladatra. Tbb perifria is lehet, mi felttelezzk, hogy a szmtgphez egy nyomtat, s egy klaviatra van kapcsolva, mindkett krhet megszaktst. Nyilvn a nyomtat megszakits krsekor a kvetkez karakter nyomtatst kell indtani (ha van), a klaviatra megszakts krsekor pedig be kell olvasni a lettt billenty kdjt. Tbbfle megszaktsi rendszer van, mi csak a legegyszerbbel foglakozunk: - brki kr megszaktst, ugyanaz a program indul, amelyik elszr megkeresi, hogy ki krte a megszaktst (ezt egyszer megszaktsnak nevezik) - ha egy megszakts kiszolglsa folyik, azt msik megszakts nem szakthatja meg (ezt egyszint megszaktsnak nevezik).
-
Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 3/11
A megszaktshoz a kvetkez ramkrre van szksg:
A megszakts kezels elemei:
o A CPU-ban (szmtgp kzponti egysg) van egy megszakts engedlyez Flip-flop, melyet az EI (Enable Interrupt) utastssal lehet berni, a DI (Disable Interrupt) utastssal trlni)
o a perifrik kezelshez kt tovbbi utasts kell: OUT (Elfogads1) Ez trli a nyomtat ksz jelzst OUT (Elfogads2) Ez trli a klaviatura ksz jelzst
o Ha a megszakts engedlyezve van S a nyomtat ksz VAGY a klaviatura ksz, bels megszakts krs keletkezik.
A megszakts krs kezelse (a kvetkez szablyok szerinti mkdst a CPU hardware hajtja vgre!):
o Trldik a megszakts engedlyezs flip-flop ezrt nem fogad el jabb megszaktst a CPU
o A CPU a Stack-ben menti a PC rtkt, ugyangy, mint egy CALL utastsnl ezrt majd RET utastssal lehet a megszaktsi programbl visszatrni.
o A PC-be berdik a megszaktsi program fix kezdcme (pldul a 0004h cm) - ezrt egyszer a megszaktsi rendszer, gy elindul a megszakts kiszolglsa.
(A megszakts kezel program a kvetkez oldalon ltszik.) o A megszakts elfogadsa utn a regisztereket menteni kell, mert azokat a megszakts
kiszolgls is hasznlja, s visszatrs utn a programot pontosan gy kell folytatni, mintha meg sem szaktottk volna.
o a program megkeresi a megszaktst kr eszkzt, s kiszolglja azt. Ha nem tall ilyet, az hiba!
o Ha a nyomtat kszlt el, csak akkor indtunk jabb nyomtatst, ha mg tart a szveg. Ha vge van, csak a krst trljk.
o A program trli annak a perifrinak a ksz jelzst, amelyet kiszolglt. o A visszatrshez:
Visszalltjuk a regisztereket (ahogy mr rtuk, fordtott sorrendben kell a POP utastsokat alkalmazni, mint a PUS-okat).
Engedlyezzk a megszaktst, mert klnben a CPU nem fogad el tbb megszaktst.
A RET utastssal visszatrnk a megszaktott programba amikor a CPU megkezdte a megszakts kiszolglst, a Stack-be mentette a PC rtkt!
-
Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 4/11
-
Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 5/11
Szmtgpek teljestmnynek nvelsre hasznlt eszkzk Csak nhny rdekes megoldst ismertetnk, messze a teljessg ignytl. Cache
(Angolul ugyangy mondjk, mint a Cash-t [kassza, kszpnz], de jelentse rejtekhely.)
A szmtgpben a Cache olyan gyors memria, amely a CPU s az operatv memria kztt foglal helyet.
Ha a CPU a memribl olvas, akkor az olvasott
memriacm, az olvasott adat s egy minden Cache mveletnl eggyel nvekv sorszm a Cache-ba kerl. Ha legkzelebb a CPU ugyanerrl a cmrl olvas, akkor az adatot nem a memribl, hanem a Cache-bl kapja meg. A Cache sokkal gyorsabb, mint az operatv memria, ezrt a mkds felgyorsul. A mdszer azrt eredmnyes, mert a szmtgp programok gyakran hajtjk vgre ismtelten ugyanazt a programrszt, illetve veszik el tbbszr ugyanazt az adatot. A Cache mkdshez a kvetkez feladatokat kell megoldani:
o r kell jnni, hogy egy memriacm tartalma benne van-e a Cache-ben. Ezt gynevezett tartalom szerinti kivlasztssal valstjk meg: a Cache azt a rekeszt vlasztja ki, melyben a cm megegyezik a kvnt cmmel. Az gy mkd memrit asszociatv memrinak nevezik.
o ha a Cache tele van, akkor egy j adat behelyezsekor egy bentlvt el kell dobni. ltalban a legrgebben hasznltat dobjk el. Ezt segti a hasznlati sorszm: a legkisebb sorszmt kell eldobni. (az brn a sorszmok azt mutatjk, hogy a Cache 1., 2., 3., 4. cmre kerlt tartalom, majd a CPU a 2. Cahche cmet jra olvasta. Ha most j memria tartalmat runk a Cahce-be, az az 1. cmre fog kerlni, s hasznlati sorszma 6 lesz.)
o Ha a CPU a memriba r, akkor ezt egyrszt a Cache-be, msrszt a memriba is be kell rni, de a CPU-nak nem kell megvrnia a Memriba trtn rs vgt.
Ha az adat benne van a Cache-ben, azt Hit-nek (tallat), ha nincs, Miss-nek (cltveszts) nevezik.
A PC-ben hasznlt processzorokban nagymret Cache-ek vannak, az elmondottnl sokkal bonyolultabb szervezsek: a Cache ktszint, az els szint viszonylag kicsi [Pentium III Coppermine (0.18 m): L1-Cache: 16 + 16 KB (Adatok + Utastsok), L2-Cache: 256 KB. Amint az elzekbl ltszik, az utastsok s adatok kln Cache-be kerlnek.
CPU
Cache
Operatvmemria
Memriacm
AdatHasznlatisorszm1 120h A7h
5 201h 23h3 070h 15h
4 121h 7Ch
-
Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 6/11
PipeLine s prhuzamosts
A feladat az
kN
N
k
kn xhy
1
0
szorzatsszeg kiszmtsa (ez az u.n. FIR digitlis szr kplete).
Ismtelten el kell venni kt memriatartalmat (hk s xN-k), ezeket sszeszorozni, s hozzadni az eddigi sszeghez. A feladatot a kvetkez brn lthat blokksmval oldjuk meg:
A hk egytthatkat tegyk az A memriba, az xN-k egytthatkat a B memriba. Ttelezzk fel, hogy a kvetkez mveletek mindegyike egy tem alatt hajthat vgre:
o hk s xN-k elvtele a memribl ha ezt egyszerre lehet elvgezni, ez tipikus prhuzamosts, melynek alapja az, hogy a memrit ktfel osztottuk
o a szorzs vgrehajtsa o az sszeads vgrehajtsa, melynek eredmnye az akkumultorba kerl. Ttelezzk fel, hogy a felsorolt mveletek prhuzamosan hajthatk vgre. Ekkor a kvetkez tblzatban brzolt mkds valsthat meg:
tem Elvtel a memribl Szorzs sszeads
1 h0, xN - -
2 h1, xN-1 h0, xN -
3 h2, xN-2 h1, xN-1 h0, xN
4 h3, xN-3 h2, xN-2 h1, xN-1
5 - h3, xN-3 h2, xN-2
6 - - h3, xN-3
Ltszik, hogy az adatprt elvev processzor tovbbadja az adatprt a szorz processzornak, s mialatt az szoroz, elveszi a memribl a msodik prt. Ugyanez igaz a szorz s sszead kztt is. gy a feldolgozsi sebessg 1 adatpr/tem, ami hromszor olyan gyors, mintha az adatpronknt 3 mveletet egyms utn hajtannk vgre. A lert szervezs a pipe line (csvezetk), amit inkbb futszalag-ra rdemes fordtani. A vzolt mkdst elssorban jelfeldolgoz processzorokban alkalmazzk. Ltszik, hogy a ciklus elejn s vgn nem teljes a prhuzamossg, meg kell vrni, mig a pipe line a ciklus elejn feltltdik, illetve a ciklus vgn kifolyik. Ezrt a pipe-line elrendezs olyan feladatoknl hatsos, ahol sok adaton kell ugyanazt a mveletsort vgrehajtani. Ilyen pldul a kpfeldolgozs is.
-
Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 7/11
Tbbmagos CPU
2005. mjusban jelent meg a ktmagos AMD Opteron 875, 2005. novemberben a ktmagos Intel Xeon MP.
A ktmagos processzorok teljestmnye dupla akkora lehet, mint az egymagos, de ennek felttele az, hogy a gpben tnylegesen kt szl fusson prhuzamosan. (Az Opteron 875 teljestmnye egy szl futsakor kisebb, mint az egymagos Opteron 852-, mert rajele 2,2 GHz az egymagos processzor 2,6 GHz-vel szemben.) [Szlaknak nevezik egy programon bell, vagy tbb programban a prhuzamosan fut feladatokat, pldul egy jtkprogram s vele prhuzamosan egy internet letlts fut]
-
Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 8/11
Szuperszmtgpek A szuperszmtgpek egy-egy idszakban a szmtstechnika cscst jelentik, teljestmnyk az ltalban hasznlt szmtgpek sokszorosa. A teljestmnyt ltalban FLOP-ban, illetve ennek tbbszrsben mrik.
1 Flop = 1 lebegpontos mvelet/s.
1 MFlop 1 GFlop 1 TFlop 1 Pflop 1 Eflop
Mega Giga Terra Peta Exa
106 Flop 10
9 Flop 10
12 Flop 10
15 Flop 10
18 Flop
11 sor nknyesen kiragadva a szuperszmtgpek trtnetbl:
1976 Cray-1 250 MFlop
1985 Cray-2 3.9 GFlop
2004 IBM Blue
Gene/L
70.72 TFLOPS DoE/IBM Rochester, Minnesota, USA
2005 136.8 TFLOPS DoE/U.S. National Nuclear Security
Administration,
Lawrence Livermore National Laboratory,
California, USA
280.6 TFLOPS
2007 478.2 TFLOPS
2008 IBM Roadrunner 1.026 PFLOPS DoE-Los Alamos National Laboratory, New
Mexico, USA 1.105 PFLOPS
2009 Cray Jaguar 1.759 PFLOPS DoE-Oak Ridge National Laboratory, Tennessee,
USA
2010 Tianhe-1A 2.566PFLOPS National Supercomputing Center of Tianjin
China, 2010
2011 Fujitsu K
computer 10.51 PFLOPS Kobe, Japan
2012 IBM Sequoia 16.32 PFLOPS Livermore, USA
2012 Cray Titan 17.59 PFLOPS Oak Ridge, USA
(A Blue Gene/L-ben a 478.2 TFlop-os vltozatban 131,072 processzor mag van, melyhez nagyon hasonlt hasznlnak sok kzepes teljestmny szmtgpben is (PowerPC 440). 2007. junius 16: Blue Gene/P - 294,912 processzor mag.)
A Tianhe-1A 14,336 Intel Xeon CPU-t s 7,168 Nvidia Tesla M2050 GPU-t tartalmaz, egy j, a knaiak ltal fejlesztett sszektsi technikval, melynek tviteli kapacitsa az Infiniband sebessgnek ktszerese. A Tianhe-1A 103 szekrny helyet foglal, slya 155 tonna,s fogyasztsa 4.04 megawatt.[
30 v alatt a teljestmny kb. milliszorosra ntt, 2012-re hetvenmilliszorosra.
A mostani PC-k teljestmny cscsa nhny Gflop, a 80-as vek elejn a szuperszmtgpek teljestmnye volt ekkora!
-
Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 9/11
Cray 2 Blue Gene/L
CRAY TITAN
Active Became operational October 29, 2012
Sponsors US DOE and NOAA (
-
Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 10/11
Grid Computing
2007: Ahogyan a Web az Interneten trtn informci eloszts eszkze, a GRID olyan szolgltats, amely a szmtgpek teljestkpessgt s adattrol kpessgt osztja szt az Interneten keresztl. A GRID jval tlmutat a szmtgpek kztti egyszer kommunikcin, s vgs clja az, hogy a szmtgpek globlis hlzata hatalmas szmtstechnikai erforrsknt legyen hasznlhat.
2011: A leggyorsabb kvzi szuperszmtgpek Ezek grid struktrban mkd projektek:
BOINC 5 PFLOPS 2010. mrcius 7,29 PFLOPS 2012. december
Folding@Home 5,13 PFLOPS 2013. februr
Mire j a szuperszmtgp? Extrm nagy szmtsi igny feladatok gyors megoldsra.
Decade Uses and computer involved
1970s Weather forecasting, aerodynamic research (Cray-1).
1980s Probabilistic analysis, radiation shielding modeling (CDC Cyber).
1990s Brute force code breaking (EFF DES cracker),
2000s 3D nuclear test simulations as a substitute for legal conduct Nuclear Proliferation
Treaty (ASCI Q).
2010s Molecular Dynamics Simulation (Tianhe-1A)
Pldul: meteorolgiai szimulci (elrejelzs)
A mdszer: a lgkr felosztsa vges trfogat cellkra, s az ezek kztti valamint kls hatsra ltrejv vltozsok idbeni szimulcija.
-
Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 11/11
(Wikipedia Numerical Weather Prediction)
Models use systems of differential equations based on the laws of physics, fluid motion, and
chemistry, and use a coordinate system which divides the planet into a 3D grid. Winds, heat
transfer, solar radiation, relative humidity, and surface hydrology are calculated within each
grid cell, and the interactions with neighboring cells are used to calculate atmospheric
properties in the future.
A kvetkez fejtegets spekulci mert nem talltam hozz adatokat: Osszuk a lgkrt 1km x 1km x 0.2km-es cellkra 10 km magassgig. Ez km2-enknt 50 cella. A fld felszne 510 milli km2. Ez 510e6 * 50 = 25,500,000,000 = 25,5 * 10
9 cella.
A szmts peridusa legyen 0,1 ra, egy napra 240 jraszmols. Egy cella j llapotnak kiszmtsa ignyeljen 10000 mveletet. Ekkor egy napi elrejelzshez 25,5e9 x 240 x 10000 mvelet kell = 61,200,000,000,000,000= 61,2 * 1015 mvelet kell.