Kolokvij PDF

Centralna procesna enota Centralno procesna enota (CPU), znana tudi kot mikroprocesor, je srce digitalnega računalnika, ki vsebuje njegovo programabilnost in zmožnost obdelave ukazov. Mikroprocesor, ki je bil predstavljen leta 1971 z Intelovim modelom 4004, se je od takrat razvil od 8-bitne konfigu...

Centralna procesna enota Centralno procesna enota (CPU), znana tudi kot mikroprocesor, je srce digitalnega računalnika, ki vsebuje njegovo programabilnost in zmožnost obdelave ukazov. Mikroprocesor, ki je bil predstavljen leta 1971 z Intelovim modelom 4004, se je od takrat razvil od 8-bitne konfiguracije do sodobnih 64-bitnih sistemov in se uporablja vse od avtomobilov do pametnih telefonov. Arhitektura in delovanje procesorja Procesor deluje v ciklu štirih osnovnih korakov: pridobivanje ukazov (fetch), njihovo dekodiranje (decode), izvajanje ukazov (execute) in zapisovanje rezultatov (writeback). To sistematično delovanje upravlja krmilna enota, ki usklajuje dejavnosti vseh sestavnih delov računalnika. Registri v procesorju, katerih velikost in število določata zmogljivosti procesorja, med temi operacijami začasno shranjujejo podatke. Sčasoma so procesorji prešli s 16-bitnih na 64-bitne registre, s čimer se je znatno povečalo njihovo računsko območje in naslovljivost pomnilnika. Dolžina besed in njen pomen Dolžina besede v procesorju določa število bitov, ki jih lahko obdeluje hkrati, in vpliva na obseg celih števil, ki jih procesor lahko obdeluje, ter na pomnilniške naslove, do katerih lahko dostopa. Na primer, 8-bitni procesor lahko naslovi le 256 diskretnih vrednosti, medtem ko lahko 32-bitni procesor naslovi do 4 294 967 296 lokacij. Ta razvoj dolžine besed je procesorjem omogočil, da lahko obdelujejo vse bolj zapletene podatkovne strukture in večje nabore podatkov, kar je ključnega pomena za sodobne aplikacije. Napredek v tehnologiji procesorjev Sodobni procesorji temeljijo na sinhronizaciji prek urnih signalov, katerih frekvence pogosto dosegajo 4 GHz. Čeprav so se izboljšave hitrosti zaradi fizikalnih omejitev upočasnile, so inovacije, kot so vzporedna obdelava in večjedrne zasnove, te omejitve omilile. Aritmetične in logične enote (ALU) v procesorju obdelujejo numerične izračune in logične odločitve, pri čemer za učinkovitost uporabljajo optimizirana vezja, kot so popolni seštevalniki. Aritmetična in logična enota (ALU) Aritmetična in logična enota (ALU) je ključna sestavina procesorja, optimizirana za hitre numerične izračune in logične operacije. ALU opravlja naloge, kot so seštevanje, odštevanje in logične primerjave (npr. true/false). Njegova funkcionalnost temelji na dveh temeljnih vezjih: polovični seštevalniki (HA): Ti seštevajo dve binarni številki, vendar ne upoštevajo prenosa iz prejšnjega seštevanja. popolni seštevalniki (FA): Ti so nadgrajeni s HA in vključujejo prenosne bite iz prejšnjih izračunov, kar omogoča ALU učinkovito izvajanje večbitnih seštevkov. Serijski večbitni seštevalnik na primer uporablja polovični seštevalnik za najmanj pomemben bit in polni seštevalnik za naslednje bite, kar zagotavlja natančnost pri kompleksnih operacijah. Arhitekture naborov ukazov: CISC proti RISC Dve prevladujoči arhitekturi procesorjev sta CISC (Complex Instruction Set Computing) in RISC (Reduced Instruction Set Computing). Sistemi CISC, ki so pogosti v osebnih računalnikih in konzolah, ponujajo bogat nabor ukazov in poenostavljajo prevajanje kode na račun počasnejšega izvajanja. Nasprotno pa sistemi RISC, ki se pogosto uporabljajo v napravah interneta stvari in pametnih telefonih, poudarjajo preprostost in hitrost ter zamenjujejo kompleksne nabore ukazov za hitro izvajanje. Vloga predpomnilnika Za zmanjšanje ozkega grla med procesorjem in počasnejšim pomnilnikom RAM sodobni procesorji uporabljajo predpomnilnik, majhno, hitro pomnilniško območje. Predpomnilniki delujejo na več ravneh (L1, L2 in L3), pri čemer so uravnoteženi med hitrostjo in zmogljivostjo. Strategije, kot sta LRU (Least Recently Used) in FIFO (First-In-First-Out), optimizirajo pridobivanje podatkov in zagotavljajo, da so pogosto dostopni podatki hitro na voljo. Vključujoče in izključujoče zasnove predpomnilnika še dodatno izboljšujejo upravljanje podatkov in povečujejo zmogljivost sistema. Večjedrni in večprocesorski sistemi Ko so enojedrni procesorji dosegli svoje meje rasti (rast števila tranzistorjev), so se pojavile večjedrne in večprocesorske konfiguracije. Večjedrni procesorji združujejo več procesnih enot v enem čipu, kar omogoča vzporedno izvajanje nalog. Večprocesorski sistemi, ki se pogosto uporabljajo v strežnikih, združujejo več procesorjev, da bi še povečali zmogljivost. Vendar se ti napredki povezujejo z izzivi, kot sta večja poraba energije in odvajanje toplote. Hladilni sistemi Za obvladovanje toplote, ki jo proizvajajo sodobni procesorji, so nujni hladilni sistemi. Najpogostejša rešitev je zračno hlajenje z ventilatorji in radiatorji. Pri zahtevnejših aplikacijah zagotavljajo učinkovito upravljanje toplote tekočinski hladilni sistemi s krožečimi tekočinami in zunanjimi radiatorji. Hitri pomnilnik Hierarhija pomnilnika v računalništvu predstavlja organizirano zaporedje vrst pomnilnika, od katerih vsaka sodeluje le s svojimi sosedi. Ta ureditev zagotavlja, da centralna procesna enota (CPU) zaznava mešanico počasnega in hitrega pomnilnika kot enoten sistem. Ključni koncept znotraj te hierarhije je lokacija pomnilnika: Prostorska lokacija: Gre za dostop do lokacij, ki so blizu druga drugi. Časovna lokacija: Vključuje ponavljajoči se dostop do nedavno uporabljenih podatkov. Vrste spomina Začasne pomnilne enote: Začasni pomnilnik, ki za ohranitev informacij potrebuje napajanje. Ta vrsta olajša obdelavo podatkov in pospeši izvajanje ukazov. Trajne pomnilne enote: Trajni pomnilnik, ki lahko ohrani podatke tudi ob izklopljenem napajanju. Uporablja se za shranjevanje programov, rezultatov in bistvenih podatkov. Bralni spomin (ROM): V njem so shranjeni podatki, ki jih je težko ali nemogoče spreminjati. Spremembe so možne le s posebnimi postopki. Bralno pisalni spomin (RAM): Omogoča konstanten dostopni čas za katero koli podatkovno točko s podobno zahtevnostjo za branje in pisanje. Serijski dostop (SAM): Običajno vključuje nespremenljiv dostopni čas in se uporablja v magnetnih in optičnih diskih. Digitalni in analogni pomnilnik Analogni spomin vključuje starejše tehnologije, kot so vinilne plošče in filmski trakovi. Digitalni pomnilnik, ki prevladuje v računalništvu, pa podatke shranjuje in priklicuje z elektronskimi, optičnimi in magnetnimi mehanizmi. Pomembne vrste vključujejo: Mehanski pomnilnik (npr. luknjane kartice). Optični pomnilnik (npr. CD-ji, DVD-ji). Električno shranjevanje (npr. SRAM, DRAM, Flash). Magnetno shranjevanje (npr. trdi diski). Struktura pomnilnika Pomnilne celice shranjujejo posamezne bite, ki jih predstavljajo stanja visoke ali nizke napetosti: Visoka napetost = 1 Nizka napetost = 0 Vsaka celica ima dva priključka: Naslovno linijo (Xi): Označuje celico. Podatkovna linija (Yi): Branje ali pisanje podatkov. Matrična arhitektura pomnilnika Zasnove, ki temeljijo na matriki, uporabljajo dekoderje za obravnavo določenih celic. Dekoder deluje kot stikalo: Za branje prenese napetost. Za pisanje nastavi napetost v naslovljeni celici. Večje pomnilniške besede uporabljajo več plasti bitnih ravnin, ki si delijo skupni dekoder. Types of Read-Only Memory Masked ROM: Tovarniško programiran z nespremenljivimi podatki, kjer tranzistorji določajo binarna stanja. Programmable ROM (PROM): V tem primeru je mogoče zapisovati le enkratno, tako da se prežgejo varovalke in nastavijo ničle. Erasable PROM (EPROM): Za brisanje in reprogramiranje se uporablja UV-svetloba, vendar je drag in nagnjen k nenamernemu brisanju. Electrically Erasable PROM (EEPROM): Omogoča brisanje na ravni bajtov, vendar počasnejše zapisovanje in omejene cikle ponovnega zapisovanja. ○ Pomnilnik Flash: Podvrsta EEPROM, ki omogoča brisanje na ravni blokov za večjo zmogljivost, hitrejše zapisovanje in počasnejše brisanje. Kategorije RAM Statični RAM (SRAM): (SRAM): ohranja podatke, dokler je napajanje zagotovljeno, z uporabo flip-flop stikal. Je hiter, vendar ima majhno gostoto in visoke stroške. Dinamični RAM (DRAM): Uporablja kondenzator za shranjevanje nabojev, ki jih je treba občasno osveževati. Ima večjo gostoto, vendar počasnejšo zmogljivost. Branje podatkov je destruktivno, zato je potrebno pisanje nazaj. Napredni tipi DRAM-a Sinhroni DRAM (SDRAM): Sinhronizira se z uro procesorja za hitrejše delovanje. DDR SDRAM (double data rate SDRAM): prenaša podatke na obeh robovih ure, kar povečuje hitrost. Iteracije, kot so DDR2, DDR3 in DDR4, izboljšujejo zmogljivost, DDR5 pa ponuja hitrosti do 4,8 Gb/s. Značilnosti polprevodniškega pomnilnika Tip Kategorija Mehanizem Mehanizem Trajnost brisanja pisanja RAM Branje/pisanje Električno, na Električno NE nivoju bajta ROM Samo branje Ni mogoče Maska DA Programmable Samo branje Ni mogoče Električno DA ROM Erasable PROM Večinoma samo UV svetloba, Električno DA branje celoten modul Electrically Večinoma samo Električno, na Električno DA Erasable PROM branje nivoju bajta Flash memory Večinoma samo Električno, na Električno DA branje nivoju bloka Kode za ugotavljanje napak RAID (Redundant Array of Independent Disks) je bil uveden konec osemdesetih let prejšnjega stoletja zaradi vse večjih zahtev po zmogljivosti shranjevanja in zanesljivosti računalniških sistemov. Sistemi RAID, ki so se sprva imenovali „Reduntant Array of Inexpensive Disks“ (kasneje „Redundant Array of Independent Disks“), so se pojavili zaradi naslednjih dejavnikov: Naraščajoče potrebe po obsežnih podatkovnih zbirkah in večpredstavnostnih aplikacijah. Hitrejši procesorji so vse bolj zavirali obdelavo podatkov. Potreba po zanesljivem shranjevanju, ki bi nadomestilo papirno dokumentacijo. Zmanjševanje stroškov, zaradi česar so sistemi RAID postali dostopni širšemu krogu uporabnikov. Načela sistemov RAID RAID uporablja dve osnovni metodi: Zrcaljenje (mirroring): Ustvari podvojene kopije podatkov na ločenih diskih. Podvajanje (Duplexing) še poveča zanesljivost s podvajanjem diskovnih krmilnikov. Porazdeljevanje (stripping): Podatke razdeli v bloke in jih razporedi po več diskih, z ali brez paritete (mehanizem redundance za izboljšanje varnosti). Različne ravni RAID združujejo ta načela: RAID 0: Razdelitev brez paritete, ki zagotavlja večjo hitrost, vendar manjšo zanesljivost (JBOD - Just a Bunch Of Disks). RAID 1: Zrcaljenje zagotavlja visoko (100%) redundanco; vsak par diskov lahko prenese eno napako. RAID 2: Uporablja pariteto na podlagi Hammingove kode na ravni bitov, vendar je zapleten in komercialno neizvedljiv. RAID 3: poenostavi RAID 2 z enakostjo na ravni besed; po ugotovitvi okvare diska lahko rekonstruira podatke. RAID 4: Uporablja pariteto na ravni blokov, vendar ima počasnejše zapisovanje majhnih podatkov. RAID 5: razporedi pariteto na ravni bloka med diske za odpornost proti napakam in avtomatsko obnovo enega okvarjenega diska. RAID 6: doda drugi disk z enakostjo, ki uporablja Reed-Solomon ECC za dodatno varnost, vendar je bolj zapleten (kompleksno branje in pisanje). RAID 7: optimizira za visoke hitrosti prenosa podatkov s krmilnikom operacijskega sistema v realnem času. RAID 10 in 50: kombinacija RAID 0 in zrcaljenja/RAID 5 za večjo zmogljivost in zanesljivost. Kode za odkrivanje in popravljanje napak Kode ECC (Error Checking and Correcting) zagotavljajo celovitost podatkov med pisanjem in shranjevanjem. Običajni mehanizmi vključujejo: Paritetne bite: Dodajajo redundantne bite za odkrivanje napak. Če je na primer v bloku liho število enic, je paritetni bit nastavljen na 1, v nasprotnem primeru pa na 0. Hammingova koda: Uporablja več paritetnih bitov za odkrivanje in popravljanje enobitnih napak. Paritetni biti so nameščeni strateško, pri čemer vsak spremlja določene skupine podatkovnih bitov. Hammingova koda v praksi Hammingova koda omogoča odkrivanje napak v več bitih in hkrati popravljanje enobitnih napak: Dodelitev bitov: Posebni paritetni biti spremljajo prekrivajoče se sklope podatkovnih bitov. Na primer: ○ b0: spremlja vse druge bite. ○ b1, b2, b4: vsak od njih preverja posebne podmnožice, kot so lihe lokacije ali določene kombinacije bitov. Lokacija in popravljanje napak: Kumulativne vrednosti neuspešnih paritetnih bitov določajo položaj okvarjenega bita za popravek.