Basiscursus Informatica, College 2, H 2 1 Basiscursus Informatica 98/991 Basiscursus Informatica College 2, Data Manupulatie Brookshear H2 Richard Benjamins

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 2 Basiscursus Informatica 98/992 Overzicht college 2 n Central processing unit (CPU) n Stored-program concept n Progamma executie n Andere architecturen n Rekenkundige/logische instructies n Communicatie met randapparatuur

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 3 Basiscursus Informatica 98/993 CPU n Deel van computer dat operaties uitvoert ä rekenkundige/logische eenheid: data manipulatie ä controle eenheid: coordinatie machine-activiteiten n Registers: tijdelijke opslag in CPU voor data die gemanipuleerd gaat worden (is) n Cache geheugen: bevat copie van relevant deel centraal geheugen

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 4 Basiscursus Informatica 98/994 Interface CPU-Main memory Arithmetic/ Logic unit Control Unit CPU Main memory Registers Bus

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 5 Basiscursus Informatica 98/995 Controle eenheid n Haalt data op uit centraal geheugen n Stopt het in register van CPU n Informeert rek/log unit in welke registers de data zit n Activeert rek/log unit n Zegt rek/log unit in welk register resultaat te stoppen

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 6 Basiscursus Informatica 98/996 Computer geheugen computer memory main memorymass storage CPU arithmetic/ logic unit control unit registerscache generalspecial purpose

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 7 Basiscursus Informatica 98/997 Optellen twee waarden n Stap 1. Haal 1ste waarde op, stop in register X n Stap 2. Haal 2de waarde op, stop in register Y n Stap 3. Activeer optel-circuit (rek/log) met inhoud van regs X, Y en reg Z voor resultaat n Stap 4. Sla resultaat op in Z n Stap 5. Stop Machine-instructies

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 8 Basiscursus Informatica 98/998 Machine-instructies n Drie soorten ä data transfer instructies (LOAD, STORE) (stap 1, 2, 4) – copy, geen move ä rekenkundige/logische instructies (AND, OR, XOR, SHIFT, ROTATE) (stap 3) ä controle instructies (STOP, JUMP) (stap 5)

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 9 Basiscursus Informatica 98/999 Data transfer instructies Arithmetic/ Logic unit Control Unit CPU Main memory Bus LOAD STORE Registers

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 10 Basiscursus Informatica 98/9910 Voorbeeld JUMP n Stap 1 LOAD register met waarde uit memory n Stap 2 LOAD ander register met andere waarde uit memory n Stap 3 Als 2de waarde = nul, JUMP naar stap 6 n Stap 4 Deel inhoud 1ste reg. door inhoud 2de reg, stop resultaat in derde register n Stap 5 STORE inhoud derde register in memory n Stap 6 Stop

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 11 Basiscursus Informatica 98/9911 JUMP n Unconditional JUMP ä spring naar stap 6 n Conditional JUMP ä als waarde = 9, dan spring naar stap 6 n Als 0 = 0, dan spring naar step 6

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 12 Basiscursus Informatica 98/9912 Overzicht college 2 n Central processing unit (CPU) n Stored-program concept n Progamma executie n Andere architecturen n Rekenkundige/logische instructies n Communicatie met randapparatuur

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 13 Basiscursus Informatica 98/9913 Programma is ook data n Programma is niet hard-wired in controle eenheid (niet: ander prog --> andere controle) n Programma zit in main memory ä controle eenheid extraheert programma uit geheugen ä decodeert instructies ä executeert instructies n Dus programma is als data

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 14 Basiscursus Informatica 98/9914 Machine-taal n Machine-instructies + coderingsysteem ä op-code veld –welke basis operaties (STORE, AND, ADD,...) ä operand veld –gedetailleerde info over operatie (registers, geheugen-cellen in operatie 4 hexidecimale cijfers (2 bytes) Op-code Operand

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 15 Basiscursus Informatica 98/9915 Hexidecimaal Bit patroonHexidecimaal Bit patroonHexidecimaal 1010A 1011B 1100C 1101D 1110E 1111F Machine-instructie = 16 bits = 2 bytes = 4 hexidecimale

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 16 Basiscursus Informatica 98/9916 Voorbeeld architectuur CPU Main memory Arithmetic/Logic unit Registers Instruction register Program counter Bus CelAdres F FF.... Control unit

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 17 Basiscursus Informatica 98/9917 Architectuur n 256 geheugen cellen (00-FF) a 1 byte n 16 algemene registers (0-F) a 1 byte n 2 special purpose registers ä programma teller (1 byte) ä instructie register (2 bytes) Arithmetic/Logic unit Registers Instruction register Program counter Bus Cel Adres F FF.... Control unit

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 18 Basiscursus Informatica 98/9918 Machine-instructies (vb) 1RXYLOAD reg R met inhoud van geheug cel XY 14A3Stop inhoud van cel A3 in reg Stop inhoud van cel 47 in reg 3 2RXYLOAD reg R met bitstring XY 20A3Stop bitstring “A3” in reg Stop bitstring “47” in reg 3 3RXYSTORE inhoud van reg R in geheug cel met adres XY 35B1Stop inhoud van reg 5 in geheug cel B1 40RSMOVE bitstring in reg R naar reg S 40A4Copieer inhoud reg A naar reg 4 5RSTADD bitstrings in reg S en T en stop res in reg R

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 19 Basiscursus Informatica 98/9919 Machine-instructies (vervlog) 6RSTADD (breuken) 7RSTOR 8RSTAND 9RSTXOR AR0XROTATE BRXYJUMP naar instructie in geheug cel met adres XY als bitstring in reg R gelijk is aan bitstring in reg 0. Anders ga door met volgende instructie B43CAls inhoud reg 4 = reg 0, ga naar geheug cel 3C COOOHALT

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 20 Basiscursus Informatica 98/9920 Voorbeeld: optellen n Stap 1. Haal 1ste waarde op, stop in register X n Stap 2. Haal 2de waarde op, stop in register Y n Stap 3. Activeer optel-circuit (rek/log) met inhoud van regs X, Y en reg Z voor resultaat n Stap 4. Sla resultaat op in Z n Stap 5. Stop

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 21 Basiscursus Informatica 98/9921 Voorbeeld programma n Stap 1. Haal waarde op uit cel 6C, stop in reg 5 n Stap 2. Haal waarde op uit cel 6D, stop in reg 6 n Stap 3. Tel op inhoud reg 5 en 6, stop in reg 0 n Stap 4. Sla resultaat cel 6E n Stap 5. Stop n Stap C n Stap D n Stap n Stap E n Stap 5. C000

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 22 Basiscursus Informatica 98/9922 Overzicht college 2 n Central processing unit (CPU) n Stored-program concept n Progamma executie n Andere architecturen n Rekenkundige/logische instructies n Communicatie met randapparatuur

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 23 Basiscursus Informatica 98/9923 Controle eenheid n Programma teller ä adres van volgende instructie ä rol: bijhouden waar programma is n Instructie register ä bevat de huidige instructie n Machine cyclus ä fetch, decode, execute

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 24 Basiscursus Informatica 98/9924 Teller and instructie reg CPU Main memory Arithmetic/Logic unit Registers Instruction register Program counter Bus CelAdres F FF.... Control unit

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 25 Basiscursus Informatica 98/9925 Machine cyclus n Fetch ä haal volgende instructie op (raadpleeg teller) ä stop in instructie-register ä update teller naar volgende instructie n Decode ä analyseer op-code en operand velden n Execute ä voer instructie uit ä ga naar fetch

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 26 Basiscursus Informatica 98/9926 JUMP instructie n B258: als inhoud reg2=reg0, spring naar instructie in cel 58 n Wat er gebeurt in de “executie”: ä als inhoud reg2=reg0, stop adres “cel 58” in programma teller ä overschrijf oude waarde die eerder in cyclus was opgehaald n Volgende “fetch” heeft nieuw adres (van JUMP)

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 27 Basiscursus Informatica 98/9927 Voorbeeld executie n Stap 1. Haal waarde op uit cel 6C, stop in reg 5 n Stap 2. Haal waarde op uit cel 6D, stop in reg 6 n Stap 3. Tel op inhoud reg 5 en 6, stop in reg 0 n Stap 4. Sla resultaat cel 6E n Stap 5. Stop n Stap C n Stap D n Stap n Stap E n Stap 5. C000

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 28 Basiscursus Informatica 98/9928 Progr. in geheugen n Stap C n Stap D n Stap n Stap E n Stap 5. C000 AdresInhoudcel A015 A16C A216 A36D A450 A556 A630 A76E A8C0 A900

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 29 Basiscursus Informatica 98/9929 Voorbeeld executie 0 AdresInhoudcel A015 A16C A216 A36D A450 A556 A630 A76E A8C0 A900 n Programma in centraal geheugen ä begin op A0 ä opeenvolgende adressen n 1 cel=1 byte, 1 instructie =2bytes (1 instr in 2 cel) n Teller telkens 2 adressen ophogen (A0, A2, A4,...)

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 30 Basiscursus Informatica 98/9930 Voorbeeld executie 1 AdresInhoudcel A015 A16C A216 A36D A450 A556 A630 A76E A8C0 A900 n Begin: teller op A0 n Fetch: 156C + teller A2 n Decode: LOAD n Execute n Na eerste cyclus: ä teller: A2 ä Instructie reg: 156C

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 31 Basiscursus Informatica 98/9931 Voorbeeld executie 2 AdresInhoudcel A015 A16C A216 A36D A450 A556 A630 A76E A8C0 A900 n Teller op A2 n Fetch: 166D + teller A4 n Decode: LOAD n Execute n Na tweede cyclus: ä teller: A4 ä Instructie reg: 166D

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 32 Basiscursus Informatica 98/9932 Voorbeeld executie 3 AdresInhoudcel A015 A16C A216 A36D A450 A556 A630 A76E A8C0 A900 n Teller op A4 n Fetch: teller A6 n Decode: ADD n Execute n Na derde cyclus: ä teller: A6 ä Instructie reg: 5056

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 33 Basiscursus Informatica 98/9933 Voorbeeld executie 4 AdresInhoudcel A015 A16C A216 A36D A450 A556 A630 A76E A8C0 A900 n Teller op A6 n Fetch: 306E + teller A8 n Decode: STORE n Execute n Na vierde cyclus: ä teller: A8 ä Instructie reg: 306E

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 34 Basiscursus Informatica 98/9934 Voorbeeld executie 5 AdresInhoudcel A015 A16C A216 A36D A450 A556 A630 A76E A8C0 A900 AA n Teller op A8 n Fetch: C000 + teller AA n Decode: HALT n Execute n Na vijfde cyclus: ä teller: AA ä programma is klaar

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 35 Basiscursus Informatica 98/9935 Programma versus Data n Beide worden bewaard in centraal geheugen n Beide bestaan uit bitstrings n Machine weet niet of string programma of data is n Wat gebeurt er als de teller een geheugenadres aangeeft met gewone data?

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 36 Basiscursus Informatica 98/9936 Overzicht college 2 n Central processing unit (CPU) n Stored-program concept n Progamma executie n Andere architecturen n Rekenkundige/logische instructies n Communicatie met randapparatuur

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 37 Basiscursus Informatica 98/9937 CISC versus RISC n Je kan een processor uitrusten met zeer complexe ingebouwde operaties (Pentium) ä Complex Instruction Set Computer (CISC) n Je kan ingewikkelde manipulaties ook uitvoeren met sequenties van hele simpele maar snelle operaties (Power PC) ä Restricted Instruction Set Computer (RISC)

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 38 Basiscursus Informatica 98/9938 Voor- en nadelen n CISC ä voordeel: makkelijker te programmeren (macro’s) ä nadelen: moelijker te bouwen, minder algemeen, overhead n RISC ä voordeel: simpeler te bouwen ä nadeel: moeilijker te programmeren (lager nivo machine-taal)

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 39 Basiscursus Informatica 98/9939 CISC n Instructies niet direkt door de CPU uitgevoerd, maar geinterpreteerd door een microprogramma dat weer uit meer elementaire instructies bestaat n Bijvoorbeeld: wordt: ä load cel-a in register 1 (R1) ä load cel-b in register 2 (R2) ä add R1 en R2 (resultaat in R1) ä store R1 in cell-b

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 40 Basiscursus Informatica 98/9940 Pipelining n Verhogen van de capaciteit van CPU n Normaal: fetch decode execute fetch decode execute

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 41 Basiscursus Informatica 98/9941 Pipeline met drie fetch fetch decode fetch decode execute decode execute fetch execute fetch decode fetch decode execute n Op elk moment output n Zonder pijp alleen om de drie n Een JUMP haalt rendement naar beneden

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 42 Basiscursus Informatica 98/9942 Multiprocessor machines n Tot nu toe: ä SISD: single instruction stream, single data stream n Parallel programas uitvoeren en gegevens verwerken ä MIMD: multiple instruction, multiple data –verschillende instructies op verschillende data ä SIMD: single instruction, multiple data –zelfde instructies op verschillende data

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 43 Basiscursus Informatica 98/9943 Problemen parallelle mach. n Load balancing/Scaling ä dynamische taak verdeling onder de beschikbare CPU’s zodat ze allemaal efficient gebruikt worden n Combinatorische explosie van overhead ä hoe meer taken, hoe meer werk in verdeling taken over CPU’s en in coordineren van interactie

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 44 Basiscursus Informatica 98/9944 Overzicht college 2 n Central processing unit (CPU) n Stored-program concept n Progamma executie n Andere architecturen n Rekenkundige/logische instructies n Communicatie met randapparatuur

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 45 Voorbeelden a) AND b) XOR c) OR

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 46 Basiscursus Informatica 98/9946 Masking n Bitstring combineren met een masker ä bepalen welk deel van bitstring het resultaat bepaalt ä gebruikt voor bitmaps: elke bit representeert iets n Stel: 8-bit geheugen-cel gebruikt als bitmap ä Is 3de van high-order end aanwezig? ä - - ? n Gebruik AND masker:

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 47 Basiscursus Informatica 98/9947 Maskers AND OR dupliceer bits met 1 rest heeft 0 dupliceer bits met 0 rest krijgt XOR geeft complement bij 1-en

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 48 Basiscursus Informatica 98/9948 Shifts, Rotations n Richting n Circulair (rotatie) (shift 1 naar rechts) (roteer een naar rechts)

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 49 Basiscursus Informatica 98/9949 Overzicht college 2 n Central processing unit (CPU) n Stored-program concept n Progamma executie n Andere architecturen n Rekenkundige/logische instructies n Communicatie met randapparatuur

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 50 Basis cursus SWI Randapparatuur n Printer n Modem n Extra disk n Soundblaster n Zipdrive n etc.

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 51 Basiscursus Informatica 98/9951 Verbindingen Randapparaat Bus Main memoryControllerCPUControllerRandapparaat Elk randapparaat heeft eigen controler

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 52 Basiscursus Informatica 98/9952 Controler n Soms op moederbord geprikt (kaart) n Converteert boodschappen tussen computer en randapparaat (vertaalslag) n Kan soms direct main memory lezen door bus --> Direct Memory Access (DMA) ä Von Neuman bottleneck n CPU kan controler vragen data te lezen en op bepaald adres tijdelijk op te slaan (buffer)

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 53 Basiscursus Informatica 98/9953 Communicatie: contr-CPU n Analoog aan CPU-main memory n Memory-mapped: controler is “onderdeel” van main memory (1 adres-systeem) n Niet memory-mapped: apparte adressering ä I/O adres (bv. D82A ipv 382A) n Port: alle geheugen cellen (adressen) die controler gebruikt n Handshaking: twee-weg communicatie

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 54 Basiscursus Informatica 98/9954 Parallelle/seriele comm. n Parallel: bits in string worden parallel verstuurd ä elke bit op een apart kanaal ä snel, maar vereist moderne technologie n Serieel: bit voor bit op zelfde kanaal ä kan met oudere tech., bv. telefoonlijn/modem n Snelheid in bps (bits per second) en baudrate ä baudrate: snelheid van states (niet bits) ä state kan meedere bits bevatten

Basiscursus Informatica, College 2, H 2 55 Basiscursus Informatica 98/9955 Data compressie n Relative encoding ä plaatje: lange bitstrings met zelfde pixels –codeer the bit + lengte van string ä bewegende beelden: codeer verschillen n Huffman code / frequency dependent ä string van tekens (characters) ä lengte bitstring voor teken omgekeerd evenredig met gebruiksfrequentie  letters e, a, d hebben korte bitpatronen n Lempel-Ziv encoding  herhaalde patronen refereren naar eerdere ( ing, the )