01__AOK__Ligjërata 1__Arkitektura dhe organizimi. Hyrje. -- MSc. Valdrin Haxhiu.pdf

Kolegji UBT Arkitektura dhe organizimi i kompjuterëve Ligjërata 1 MSc. Valdrin Haxhiu MSc. Valdrin Haxhiu 1.1 Organizimi dhe arkitektura Gjatë përshkrimit të kompjuterëve, zakonisht bëhet dallimi në mes të arkitekturës së kompjuterit dhe organizimit të kompjuterit. Arkitektura e kompjuterit ka të bë...

Kolegji UBT Arkitektura dhe organizimi i kompjuterëve Ligjërata 1 MSc. Valdrin Haxhiu MSc. Valdrin Haxhiu 1.1 Organizimi dhe arkitektura Gjatë përshkrimit të kompjuterëve, zakonisht bëhet dallimi në mes të arkitekturës së kompjuterit dhe organizimit të kompjuterit. Arkitektura e kompjuterit ka të bëjë me ato karakteristika të një sistemi të cilat janë të dukshme për një programues apo thënë më mirë, ka të bëjë me karakteristikat që kanë ndikim direkt në ekzekutimin logjik të një programi. Organizimi i kompjuterit ka të bëjë me pjesët punuese dhe ndërlidhjet në mes tyre që mundësojnë specifikat arkitekturore. Karakteristikat arkitekturore përfshijnë bashkësinë e instruksioneve, numrin e bitëve që përdoren për paraqitjen e tipeve të ndryshme të të dhënave (p.sh. numrat, karakteret), mekanizmat e hyrje/daljes (input/output – I/O) dhe teknikat për adresimin e memories. Karakteristikat organizuese përfshijnë ato detaje harduerike të cilat bëhen të padukshme për një programues, siç janë sinjalet kontrolluese; interfejsi në mes kompjuterit dhe pajisjeve periferike dhe teknologjia e përdorur për memorie. Për shembull, është një çështje e dizajnit arkitekturor nëse një kompjuter do të ketë instruksionin për shumëzim. Është çështje organizuese nëse instruksioni për shumëzim do të implementohet nga një pjesë speciale për shumëzim apo nga një mekanizëm që do të përdorë me përsëritje pjesën për mbledhje. Dallimi në mes të arkitekturës dhe organizimit të kompjuterit është me rëndësi. Shumë prodhues të kompjuterëve ofrojnë një familje të modeleve të kompjuterëve, që kanë arkitekturën e njëjtë me dallime në organizim. Modelet e ndryshme të familjes kanë çmime dhe karakteristika të ndryshme të performancës. Një arkitekturë e caktuar mund të mbetet e njëjtë për disa vite dhe të përfshijë një numër të ndryshëm të modeleve të kompjuterëve, kurse organizimi i tyre të ndryshojë me ndryshimin e teknologjisë. Një shembull i mirënjohur është arkitektura IBM System/370. Kjo arkitekturë është paraqitur për herë të parë në vitin 1970 dhe ka përfshirë një numër të modeleve. Konsumatori me kërkesa modeste do të mund të blente një model më të lirë, më të ngadalshëm dhe nëse kërkesa do të rritej, më vonë të kalojë lart (upgrade) në një model më të shtrenjtë, më të shpejt duke pasur mundësinë që të përdorë softuerin e vjetër. Gjatë viteve, IBM ka paraqitur shumë modele të reja me teknologji të pëmirësuar për të zëvendësuar modelet e vjetra, duke i ofruar konsumatorit shpejtësi më të madhe, çmim më të vogël ose të dyjat. Këto modele të reja kanë ruajtur të njëjtën arkitekturë ashtu që investimi i konsumatorit për softuer është ruajtur. Arkitektura System/370, me disa përmirësime, ka mbijetuar deri më sot si arkitektura e produkteve mainframe të IBM. Në klasën e kompjuterëve të quajtur mikrokompjuterë, lidhja në mes të arkitekturës dhe organizimit është shumë e afërt. Ndryshimet në teknologji jo vetëm që kanë ndikim në organizim, por edhe në paraqitjen e arkitekturave më të fuqishme dhe më komplekse. 1 MSc. Valdrin Haxhiu 1.2 Struktura dhe funksioni Një kompjuter është një sistem kompleks. Kompjuterët modern përmbajnë miliona komponente elektronike elementare. Për ta kuptuar më mirë një sistem kompleks si sistemi kompjuterik, sistemi trajtohet si një hierarki e nënsistemeve dhe pjesëve. Një sistem hierarkik është një bashkësi e ndërlidhur e nënsistemeve, ku secili prej nënsistemeve ka strukturë hierarkike. Më rastin e dizajnimit dhe përshkrimit të sistemit kompjuterik dallohet struktura dhe funksioni. Struktura e kompjuterit paraqet mënyrën e lidhjes së pjesëve në mes veti. Funksioni i kompjuterit paraqet punën e secilës pjesë individuale si pjesë e strukturës. 1.2.1 Funksioni Në Figura 1.1 janë paraqitur funksionet bazë që një kompjuter është në gjendje t’i kryejë. Ambienti i punës (burimi dhe destinacioni i të dhënave) Aparati për lëvizjen e të dhënave Mekanizmi i kontrollit Pjesët për ruajtjen e të dhënave Pjesët për përpunimin e të dhënave Figura 1.1 – Një pamje funksionale e kompjuterit 2 MSc. Valdrin Haxhiu Katër funksionet bazë të një kompjuteri janë:  Përpunimi i të dhënave  Ruajtja e të dhënave  Lëvizja e të dhënave  Kontrolli Kompjuteri duhet të jetë patjetër në gjendje të përpunojë të dhëna. Të dhënat mund të jenë të formave të ndryshme dhe rangu i kërkesave për përpunim mund të jetë i gjerë. Është poashtu esenciale që një kompjuter t’i ruaj të dhënat. Në rastet kur kompjuteri është duke i përpunuar të dhënat, kompjuteri duhet të jetë patjetër në gjendje t’i ruaj pjesët e të dhënave mbi të cilat punon në momentin e caktuar kohorë. Kompjuteri kryen edhe funksionin e ruajtjes së përkohshme dhe afatgjate të të dhënave. Fajllat e të dhënave ruhen në kompjuter për t’u përdorur dhe ndryshuar më vonë. Kompjuteri duhet të jetë patjetër në gjendje të lëviz të dhënat në mes tij dhe ambientit rreth tij. Ambienti i punës i kompjuterit përbëhet nga pajisje që shërbejnë si burim ose destinacion i të dhënave. Në rastin kur të dhënat pranohen ose dorëzohen te një pajisje që është e lidhur drejtpërdrejt me kompjuterin, procesi njihet si hyrje/dalje (input/output – I/O) dhe pajisja njihet si pajisje periferike (peripheral). Në rastet kur të dhënat barten në distanca të gjata, te apo prej pajisjeve në largësi, atëherë procesi njihet si komunikim me të dhëna (data communications). Duhet të ekzistojë kontrolli i këtyre tre funksioneve. Ky kontroll ushtrohet nga programuesit të cilët i ofrojnë instruksione kompjuterit. Brenda kompjuterit, një njësi kontrolluese menaxhon burimet (resurset) e kompjuterit dhe orkestron performancën e pjesëve funksionale të tij si përgjigje ndaj atyre instruksioneve. Figura 1.2 paraqet katër operacionet e mundshme që mund të kryejë një kompjuter. Kompjuteri mund të funksionojë si një pajisje për bartjen e të dhënave (Figura 1.2a), duke bartur të dhënat nga një pajisje periferike ose lidhje komunikimi te një tjetër. Mund poashtu të funksionojë si një pajisje për ruajtjen e të dhënave (Figura 1.2b), të dhënat transferohen nga ambienti i jashtëm në memorien e kompjuterit (leximi) dhe anasjelltas (shkrimi). Dy diagramet e fundit paraqesin operacionet që përfshijnë përpunimin e të dhënave, në të dhënat brenda në memorie (Figura 1.2c) ose gjatë rrugës në mes të memories dhe ambientit të jashtëm (Figura 1.2d). Kompjuterët kanë natyrë të përgjithshme (general - purpose), specializimi funksional bëhet me anë të programimit. 1.2.2 Struktura Figura 1.3 është vizatimi i mundshëm më i thjeshtë për një kompjuter. Kompjuteri bashkëvepron në një mënyrë me ambientin e tij të jashtëm. Në përgjithësi, të gjitha lidhjet e tij me ambientin e jashtëm mund të ndahen si pajisje periferike dhe lidhje komunikimi. 3 MSc. Valdrin Haxhiu Lëvizja Lëvizja Kontrolli Kontrolli Përpunimi Ruajtja Përpunimi Ruajtja (a) (b) Lëvizja Lëvizja Kontrolli Kontrolli Përpunimi Ruajtja (c) Përpunimi Ruajtja (d) Figura 1.2 – Operacionet e mundshme të kompjuterit 4 MSc. Valdrin Haxhiu ko tp te er ife je rik dh e Li ik Pa un jis je m im it KOMPJUTERI Ruajtja Përpunimi Figura 1.3 – Kompjuteri Kompjuteri ka katër pjesë strukturore kryesore:     Njësia qendrore përpunuese (central processing unit – CPU): Kontrollon punën e kompjuterit dhe kryen funksionet e përpunimit në kompjuter; njihet edhe si procesori. Memoria punuese (main memory): Ruan të dhënat. Hyrje/Dalja (input/output – I/O): Bën lëvizjen e të dhënave në mes të kompjuterit dhe ambientit të tij të jashtëm. Ndërlidhja e sistemit: Një mekanizëm që mundëson komunikimin në mes procesorit, memories punuese dhe hyrje/daljes. Ndërlidhja e sistemit është në formë të një basi të sistemit (system bus) që luan rolin e rrugës për komunikim që përbëhet nga një numër i caktuar i telave përçues për lidhjen e pjesëve në mes veti. Mund të ketë një numër të caktuar të pjesëve që lidhen në mes veti përmes basit të sistemit. Më herët ka qenë e zakonshme që një sistem kompjuterik të ketë vetëm një procesor. Në vitet e fundit kompjuterët kanë më shumë se një procesor. Pjesa më interesante dhe në disa mënyra më komplekse e kompjuterit është procesori. Në Figura 1.4 janë paraqitur grupet kryesore të pjesëve të kompjuterit. Pjesët kryesore strukturore të procesorit janë: Njësia kontrolluese (control unit): Kontrollon punën e procesorit dhe të tërë kompjuterit. Njësia aritmetikore dhe logjike (arithmetic and logic unit - ALU): Kryen funksionet e përpunimit të të dhënave nga kompjuteri. 5 MSc. Valdrin Haxhiu Regjistrat (registers): ofrojnë hapësirë për ruajtje brenda procesorit. Ndërlidhja brenda në procesor: Një mekanizëm që mundëson komunikimin në mes të njësisë kontrolluese, njësisë aritmetikore/logjike dhe regjistrave. Hyrje/Dalja Memoria punuese Procesori Basi i sistemit Regjistrat Procesori Njësia aritmetikore dhe logjike Basi i brendshëm NJËSIA KONTROLLUESE Njësia kontrolluese Logjika sekuenciale Regjistrat e njësisë kontrolluese dhe dekoduesit Memoria kontrolluese Figura 1.4 – Kompjuteri: Struktura e nivelit më të lart 6 MSc. Valdrin Haxhiu Evolucioni dhe performanca e kompjuterëve 2.1 Një histori e shkurtër e kompjuterëve 2.1.1 Gjenerata e parë: Llampat me vakum ENIAC Kompjuteri i parë digjital me qëllim të përgjithshëm në botë ishte ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) i dizajnuar dhe ndërtuar në Universitetin e Pensilvanisë. Projekti ishte përgjigje e nevojave të Shteteve të Bashkuara gjatë Luftës së Dytë Botërore. Laboratori për kërkime balistike i ushtrisë amerikane, si agjensi përgjegjëse për zhvillimin e tabelave të trajektoreve (rrugëve të lëvizjes) të armëve të reja kishte vështirësi t’i ofronte këto tabela sakt dhe brenda një kohe të pranueshme. Pa këto tabela, armët dhe artileria e re nuk mund të përdorej mirë. Laboratori për kërkime balistike punësoi 200 persona të cilët me anë të llogaritësve të thjeshtë zgjidhën ekuacionet balistike. Profesori i inxhinierisë elektrike, John Mauchly dhe njëri nga studentët e tij, John Eckert, propozuan ndërtimin e një kompjuteri me qëllim të përgjithshëm (general-purpose) duke përdorur llampat me vakum për aplikimet në laboratorin e kërkimeve balistike. Në vitin 1943 ushtria amerikane pranoi propozimin dhe puna për ndërtimin e ENIAC filloi. Makina e ndërtuar ishtë shumë e madhe, peshonte 30000 kilogramë, zinte një hapësirë prej 150 metra katrorë dhe përmbante më shumë se 18000 llampa me vakum. Gjatë punës konsumonte 140 kilowat rrymë elektrike. Ishte shumë më i shpejt se çdo kompjuter elektromekanik, në gjendje të bënte 5000 veprime të mbledhjes për një sekondë. Kompjuteri ENIAC ishte një makinë decimale e jo binare. Paraqitja e numrave dhe veprimet aritmetikore bëheshin në sistemin numerik decimal. Memoria e tij përbëhej nga 20 akumulatorë (vende për ruajtje), secili prej tyre ishte në gjendje të mbante një numër decimal 20 shifrorë. Një unazë e ndërtuar prej 10 llampave me vakum paraqiste vetëm një shifër. Mangësia kryesore e kompjuterit ENIAC ishte që ai duhej të programohej në mënyrë mekanike duke vendosur komutatorët (switches) dhe duke vendosur e larguar kabllotë. ENIAC ishte përfunduar në vitin 1946, shumë vonë për t’u përdorur gjatë luftës. Detyra e parë e tij ishin llogaritjet komplekse për të ndihmuar studimin e fizibilitetit të bombës me hidrogjen. Përdorimi i ENIAC për një punë tjetër nga ajo për të cilën ishte ndërtuar, tregoi se ishte një kompjuter që mund të përdorej për shumë qëllime. ENIAC u përdor nën menaxhimin e laboratorit për kërkime balistike deri në vitin 1955, në atë vit u bë ç’montimi i tij. 7 MSc. Valdrin Haxhiu Makina Von Neumann Puna për futjen dhe ndryshimin e programeve për ENIAC ishte tepër e mundimshme. Supozojmë se një program do të mund të paraqitej në një formë të përshtatshme për ruajtje në memorie pranë të dhënave. Në ato raste kompjuteri do të mund t’i merrte instruksionet duke i lexuar ato nga memoria dhe një program do të mund të vendosej dhe ndryshohej duke i vendosur vlerat në pjesën e caktuar të memories. Ideja e njohur si koncepti i programit të ruajtur (stored-program concept) zakonisht lidhet me dizajnuesit e kompjuterit ENIAC, sidomos me matematikanin John Von Neumann, i cili ishte këshilltar i projektit për ENIAC. Idenë e njëjtë e kishte zhvilluar pothuajse në të njëjtën kohë edhe Alan Turing. Publikimi i parë i idesë ishte në një propozim të vitit 1945 nga von Neumann për kompjuterin e ri EDVAC (Electronic Discrete Variable Computer). Në vitin 1946, von Neumann dhe kolegët e tij filluan dizajnimin e kompjuterit të ri me program të ruajtur, i njohur si kompjuteri IAS, në institutin për studime të avancuara në Princeton (Princeton Institute for Advanced Studies). Kompjuteri IAS, edhe pse nuk ishte kompletuar deri në vitin 1952, është prototipi i të gjithë kompjuterëve të mëvonshëm me qëllim të përgjithshëm. Figura 2.1 tregon strukturën e përgjithshme të kompjuterit IAS. Njësia qendrore përpunuese (CPU) Njësia aritmetikore logjike (CA) Memoria punuese (M) Pajisjet I/O (I,O) Njësia për kontrollimin e programit (CC) Figura 2.1 – Struktura e kompjuterit IAS 8 MSc. Valdrin Haxhiu Kompjuteri IAS përbëhet nga:     Një memorie punuese ose kryesore (main memory), që ruan të dhënat dhe instruksionet Një njësi aritmetikore dhe logjike (arithmetic and logic unit – ALU) në gjendje të punojë mbi të dhëna binare Një njësi kontrolluese, e cila interpreton instruksionet në memorie dhe i ekzekuton ato Pajisjet hyrëse/dalëse (input/output – I/O) të kontrolluara nga njësia kontrolluese Struktura e kompjuterit IAS është përshkruar në një propozim të mëhershëm nga von Neumann, propozimi përmban edhe këtë pjesë: 2.2 E para: Meqë pajisja parasegjithash është një llogaritës, më së shpeshti duhet të kryejë operacionet themelore aritmetikore. Operacioni i mbledhjes, zbritjes, shumëzimit dhe pjestimit. Është e kuptueshme që duhet të ketë organe të specializuara për këto operacione. Për këtë punë duhet të ekzistojë pjesa specifike CA (shikoni Figura 2.1 ). 2.3 E dyta: Kontrolli logjik i pajisjes më së miri mund të bëhet nga një organ qendror i kontrollit, pjesa CC (shikoni Figura 2.1). Kjo pjesë duhet jetë në gjendje të merret me instruksione të ndryshme. 2.4 E treta: Çdo pajisje që merret me llogaritje duhet të ketë patjetër sasi të mjaftueshme të memories (pjesa M në Figura 2.1). 2.5 E katërta: Pajisja duhet të ketë patjetër organet për bartjen e të dhënave nga ambienti i jashtëm te pjesët C dhe M. Këto organe formojnë pjesën e hyrjes përmes pjesës I (shikoni Figura 2.1). 2.6 E pesta: Pajisja duhet të ketë patjetër organet për bartjen e të dhënave nga pjesët C dhe M në ambientin e jashtëm. Këto organe formojnë pjesën e daljes përmes pjesës O (shikoni Figura 2.1). Me disa përjashtime të rralla, të gjithë kompjuterët modern kanë të njëjtën strukturë të përgjithshme dhe funksion, njihen me emrin makinat von Neumann. Memoria e kompjuterit IAS përbëhet nga 1000 vende për ruajtje, të quajtura fjalë (word), secila me gjatësi 40 bit. Të dhënat dhe instruksionet ruhen në këtë memorie. Numrat paraqiten në formë binare dhe secili instruksion është një kod binar. 2.1.2 Gjenerata e dytë: tranzistorët Ndryshimi i parë më i madh në kompjuterin elektronik erdhi më zëvendësimin e një llampe me vakum me tranzistorin. Tranzistori është më i vogël, më i lirë, dhe liron më pak nxehtësi se një llampë me vakum, por mund të përdoret në mënyrën e njëjtë sikurse një llampë me vakum për ndërtimin e kompjuterëve. Tranzistori ndërtohet nga siliciumi si material gjysmëpërçues. Tranzistori u shpik nga Bell Labs në vitin 1947 dhe në vitet 1950-ta bëri një revolucion elektronik. Kompanitë NCR dhe RCA ishin të parat që ndërtuan kompjuterë të vegjël me tranzistorë. IBM paraqiti pas tyre serinë 7000 të kompjuterëve. Gjatë gjeneratës së tretë të 9 MSc. Valdrin Haxhiu kompjuterëve, kompania Digital Equipment Corporation (DEC) ndërtoi minikompjuterin e parë PDP-1. 2.1.3 Gjenerata e tretë: qarqet e integruara Kjo gjeneratë karakterizohet me vendosjen apo integrimin e komponentëve elementarë elektronik si: tranzistorët, rezistorët, kondensatorët dhe elementeve tjera në pllaka të vogla siliciumi me strukturë të njohur si qark i integruar. Brenda qarqeve të integruara - çipave, fillimisht ishin vendosur qindra tranzistorë dhe komponentë tjerë elektronik. Me kalimin e kohës, me rritjen e kërkesave për llogaritje më të shpejta, brenda çipave filloi vendosja e mijëra, qindra mijërave, milionave dhe në gjeneratat e sotme të procesorëve edhe më shumë se një miliardë tranzistorë dhe komponentë tjerë elektronik. Njëri nga themeluesit e kompanisë Intel (Integrated Electronics), Gordon Moore, kishte vërejtur se brenda procesorëve të Intel-it gjatë viteve të 1960-ta dhe fillimit të viteve 1970-ta, numri i tranzistorëve dyfishoj çdo vit. Me dyfishimin e numrit të tranzistorëve brenda procesorit, u dyfishua edhe shpejtësia e punës e procesorit. Gjatë punës për prodhimin e procesorëve u paraqiten sfida që ngadalësuan ritmin e rritjes së numrit të tranzistorëve nga çdo vit në çdo 18 muaj. Ky trend i rritjes së numrit të tranzistorëve të vendosur në procesor njihet si ligji i Moore. Për habinë e vet Gordon Moore dhe mbarë industrisë së kompjuterëve, ky ligj vazhdoi dhe vazhdon edhe sot të vlejë gjatë prodhimit të procesorëve. Pra, trendët e proceseve të prodhimit të procesorëve diktojnë ritmin e rritjes së numrit të tranzistorëve që mund të vendosen në një procesor. Ndër kompjuterët që u paraqiten gjatë kësaj gjenerate janë: IBM System/360 dhe DEC PDP-8. Mikroprocesorët Me kalimin e kohës brenda çipave u vendosën më shumë elementë elektronik, ashtu që më pak çipa nevojiteshin për të ndërtuar një procesor të kompjuterit. Në vitin 1971 kompania Intel zhvilloi mikroprocesorin e parë 4004. Ky mikroprocesor ishte çipi i parë që përmbante të gjitha komponentët e CPU-së në një çip të vetëm. Mikroprocesori 4004 mund të mbledh dy numra 4-bit dhe mund të shumëzojë vetëm me anë të përsëritjes së mbledhjes. Në vitin 1972, Intel paraqiti mikroprocesorin 8008. Ky ishte mikroprocesori i parë 8 bit. Hapin e radhës Intel-i e bëri në vitin 1974 me paraqitjen e mikroprocesorit 8080 si mikroprocesori i parë me përdorim të përgjithshëm (general-purpose). 8080 ishte poashtu 8 bit, por më i shpejt, me bashkësi më të pasur të instruksioneve dhe me mundësi më të madhe të adresimit të memories se mikroprocesorët 4004 dhe 8008. Mikroprocesorët 16 bit u zhvilluan në fund të viteve të 1970-ta. 10 MSc. Valdrin Haxhiu Referenca Materiali është marrë nga kapitulli 1 (faqe 6) dhe kapitulli 2 (faqe 16) i librit Computer Organization and Architecture Designing for Performance të autorit William Stallings. 11