Ders - 1. BİL 221 Bilgisayar Yapısı GİRİŞ. Ders Hakkında. Ders İzlencesi

Transkript

1 Ders - 1 BİL 221 Bilgisayar Yapısı GİRİŞ Ders Hakkında Ders İzlencesi

2 Bilgisayar Sınıfları Kişisel Bilgisayarlar$ Genel amaçlı, çok çeşitli yazılımlar$ Performans - maliyet ödünleşmesi hedeflenir$ Sunucular$ Ağ tabanlı$ Yüksek kapasite, performans ve güvenbilirlik$ Süper Bilgisayarlar$ Bilimsel ve Mühendislik hesaplamaları$ Gömülü Bilgisayarlar$ Sistemlerde bileşen olarak kullanılır$ Güç/Performans/Maliyet kısıtı PC Sonrası Durum

3 Gömülü İşlemci Karakteristikleri Sıkca minimum performans ihtiyacı$ Sıkca maliyet üzerinde kısıtlama$ Sıkca güç tüketimi üzerinde kısıtlama$ Sıkca arızaya karşı düşük tolerans Temel Bazı Bilgiler Kilobyte 2 10 veya 1,024 byte$ Megabyte 2 20 veya 1,048,576 byte$ Bazen 10 6 veya 1,000,000 byte olarak yuvarlanır$ Gigabyte 2 30 veya 1,073,741,824 byte$ Bazen 10 9 veya 1,000,000,000 byte olarak yuvarlanır$ Terabyte 2 40 veya 1,099,511,627,776 byte$ Bazen veya 1,000,000,000,000 byte olarak yuvarlanır$ Petabyte 2 50 veya 1024 terabyte$ Bazen veya 1,000,000,000,000,000 byte olarak yuvarlanır$ Exabyte 2 60 veya 1024 petabyte$ Bazen veya 1,000,000,000,000,000,000 byte olarak yuvarlanır

4 Performans Algoritma$ Kaç işlemin yürütüleceğini belirler$ Programlama Dili, Derleyici, Mimari$ İşlem başına kaç makine kodunun yürütüleceğini belirler$ İşlemci ve Bellek Sistemi$ Komutların ne kadar hızlı yürütüleceğini belirler$ I/O Sistemi (OS dahil)$ IO işlemlerin ne kadar hızlı yürütüleceğini belirler Sekiz Büyük Fikir Moore Kanunu$ Tasarımı basitleştirmek için soyutlama (abstraction)$ Sık olan durumları sık olmayanlara göre daha hızlı yapma (making the common case faster)$ Paralelleştirme ile performans$ Pipeline (boru hattı) ile performans$ Tahmin (prediction) ile performans$ Bellek hiyerarşisi$ Dependability via redundancy

5 Sistem Katmanları Uygulama Yazılımı $ Yüksek seviyeli bir programlama dili ile yazılır.$ Sistem Yazılımı$ Derleyiciler: YSPD kodunu makine koduna dönüştürür.$ İşletim Sistemi: Servis kodu$ Giriş/Çıkış ile ilgilenir$ Bellek ve depolama ile ilgilidir$ Görevleri zamanlar, kaynakları paylaştırır$ Donanım$ İşlemci, bellek, I/O kontrolcü Program Kodu Seviyeleri Yüksek Seviyeli Programlama Dili$ Problem uzanımına yakındır$ Üretkenlik ve taşınabilirlik sağlar$ Assembly Dili$ Komutların text ifadesi$ Makine Dili$ İkili dijitler$ Komutları kodlar

6 Sistem Yapısı Bilgisayarın 5 klasik bileşeni : giriş, çıkış, bellek, datapath ve kontrol Datapath + Kontrol İşlemci İşlemci İçi Datapath : Veri üzerinde işlemler gerçekleşir$ Kontrol : Datapath ve bellek kontrol sinyalleri$ Ön Bellek : Anlık veri erişimleri için küçük fakat hızlı SRAM bellek

7 Soyutlama (Abstraction) Soyutlama karmaşıklık ile baş etmemize yardımcı olur$ Alt katmanın detaylarını saklar$ Komut Set Mimarisi (Instruction set architecture - ISA)$ Donanım/Yazılım arayüzü$ Uygulama Binary Arayüzü (Application Binary Interface - ABI)$ ISA + Sistem yazılımı arayüzü$ Gerçekleme (Implementation) Moore Kanunu 1965 de Gordon Moore un tahmini: Tek bir chip içerisine entegre edilecek tranzistör sayısı yaklaşık 2 yılda iki katına çıkacaktır.

8 Teknoloji Gelişimi Year Feature size (nm) Intg. Capacity (BT) Feature Size : Yarıiletken üzerinde tranzistorun x-y doğrultusundaki minimum boyutu Performans Hangi uçak daha iyi performansa sahiptir? Boeing 777 Boeing 747 BAC/Sud Concorde Douglas DC-8-50 Boeing 777 Boeing 747 BAC/Sud Concorde Douglas DC Passenger Capacity Cruising Range (miles) Boeing 777 Boeing 747 BAC/Sud Concorde Douglas DC-8-50 Boeing 777 Boeing 747 BAC/Sud Concorde Douglas DC Cruising Speed (mph) Passengers x mph

9 Performans Ölçütleri Satın Alma Bakış Açısı$ Verilen makinelerden hangisi$ en iyi performansa sahip?$ en düşük maliyete sahip?$ performans/maliyet oranına sahip?$ Tasarım Bakış Açısı$ Tasarım seçeneklerinden hangisi$ en iyi performans iyileştirmesine sahip?$ en düşük maliyete sahip?$ performans/maliyet oranına sahip?$ Her ikisi de gerekli$ karşılaştırma için$ değerlendirme için ölçüt Cevap Zamanı - Üretilen İş Cevap Zamanı (yürütme zamanı) - Response Time (Execution Time) : Bir görevin başlaması ile tamamlanması arasında geçen zaman$ Bireysel kullanıcılar için önemlidir$ Üretilen İş (bant genişliği) - Throughput (bandwidth) : Belirli bir zaman aralığında yapılan iş miktarının toplamı$ Veri merkez yöneticileri için önemlidir.$ Masaüstü ve gömülü sistemlerin değerlendirilmesi için cevap zamanı tabanlı farklı performans metrikleri ve farklı uygulamalar$ Sunucu değerlendirilmesi için üretilen iş tabanlı performans metrikleri ve uygulamalar

10 Göreceli Performans Performans 1/Yürütme Zamanı$ X, Y den n kat daha hızlıdır: Performance Performance X Y Execution time Y Execution time X n Örnek : Bir programı yürütmek için alınan zamanlar:$ A için 10 s ve B için 15 s$ B nin Yürütme Zamanı / A nın Yürütme Zamanı 15 / $ Dolayısıyla A B den 1.5 kat daha hızlıdır. Yürütme Zamanının Ölçülmesi Geçen Süre : $ Toplam cevap zamanı $ İşleme + I/O + OS destek işlem + boş zaman$ Sistem performansını belirler$ CPU Zamanı$ Verilen bir görevin işlenmesi için harcanan zaman$ Kullanıcı CPU Zamanı ve Sistem CPU Zamanı

11 CPU Saat Kontrolü Donanım işlemleri sabit hızlı bir saat tarafından yönetilir. Saat periyodu : Bir saat çevriminin süresi$ Saat Frekansı (Hızı) : Bir saniyedeki çevrim sayısı CPU Zamanı CPU Time CPU Clock Cycles Clock Cycle Time CPU Clock Cycles Clock Rate Performans iyileştirilir :$ Saat çevrim sayısı düşürülürse$ Saat hızı arttırılırsa

12 CPU Zamanı Örnek A Bilgisayarı : 2 GHz saat frekansı, 10 s CPU zamanı$ B Bilgisayarı tasarımı ile$ 6 s CPU zamanı hedefleniyor$ Saat hızlandırılıyor fakat saat çevrim sayısı 1.2xsaat çevrim sayısı A$ B Bilgisayarı saat hızı ne kadar olmalıdır? Clock Rate B Clock Cycles CPU Time B B 1.2 Clock Cycles 6s A Clock Cycles A CPU Time A Clock Rate A 10s 2GHz Clock Rate B s s 9 4GHz Komut Sayısı ve CPI Clock Cycles Instruction Count Cycles per Instruction CPU Time Instruction Count CPI Clock Cycle Time Instruction Count CPI Clock Rate Programın komut sayısı$ Program, ISA ve derleyici tarafından belirlenir.$ Komut başına ortalama çevrim sayısı$ CPU donanımı tarafından belirlenir.

13 CPI Örnek Bilgisayar A: Çevrim Zamanı 250ps, CPI 2.0$ Bilgisayar B: Çevrim Zamanı 500ps, CPI 1.2$ Aynı ISA$ Hangisi hızlıdır ve ne kadar? Ortalama CPI Farklı komut grupları farklı sayıda çevrim gerektirirler: Clock Cycles n i 1 (CPIi Instruction Count i) Ortalama CPI CPI Clock Cycles Instruction Count n i 1 ' Instruction Count i % CPIi & Instruction Count $ " #

14 Ortalama CPI Örnek İki farklı derleyicide derlenen kod için sahip oldukları komutların sayıları ve bu komut grupların CPI değerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. Her iki kod için ortalama CPI değerini hesaplayınız. Class A B C CPI for class IC in sequence IC in sequence Performans Instructions Clock cycles CPU Time Program Instruction Seconds Clock cycle Performans faktörleri:$ Algoritma : Komut sayısını ve CPI değerlerini etkiler$ Programlama Dili : Komut sayısı ve CPI değerlerini etkiler$ Derleyici : Komut sayısı ve CPI değerlerini etkiler$ Komut set mimarisi : Komut sayısı, CPI değerlerini ve CPU zamanını etkiler

15 Güç Tüketimi CMOS IC teknolojisi için Power Capacitive load Voltage 2 Frequency Amdahl Kanunu Bir bilgisayar sisteminin bir kısmının iyileştirilmesinin tüm performansa olan etkisini verir. S 1 Fraction enhanced 1 + Fraction Speedup enhanced enhanced

16 MIPS ve MFLOPS MIPS : Millions of Instruction per second - Bir saniyede yürütülen milyon cinsinden komut sayısı MIPS n 6 t 10 execute n : Yürütülen komut sayısı$ t execute : Yürütme zamanı MFLOPS : Millions of Floating point operation per second - Bir saniyede yürütülen milyon cinsinden kayar noktalı sayı işlem sayısı Ders Bitti..