Ark it e k t ure K om pjut e ri Le k sioni I Evoluc ioni i k om pjut e ra ve dhe pe rform a nc a Sit ua t a ne sist e m e t k om pjut e rik e Application Algorithm Programming Language Operating System/Virtual Machines Instruction Set Architecture Microarchitecture Register‐Transfer Level Gates Circuits Devices Physics 2 Sit ua t a ne sist e m e t k om pjut e rik e Application Algorithm Programming Language Operating System/Virtual Machines Instruction Set Architecture Microarchitecture Register‐Transfer Level Arkitektura e Kompjuterave Gates Circuits Devices Physics 3 Ark it e k t ura dhe Orga nizim i 1 • Arkit ekt ura perfshin at o at ribut e qe j ane t e dukshm e per program uesit —Set i i I nst ruksioneve, num ri i bit eve t e perdorur per perfaqesim in e t e dhenave, m ekanizm at I / O, t eknikat e adresim it . —p.sh. A ka inst ruksion shum ezim i? • Organizim i perfshin m enyren se si vecorit e im plem ent ohen —Sinj alet e kont rollit , nderfaqet , t eknologj ia e m em ories. —p.sh. A ka nj e nj esi hardware per shum ezim in apo kryhet m e m bledhj e t e nj epasnj eshm e? Ark it e k t ura dhe Orga nizim i 2 • E gj it he fam ilj a I nt el x86 ndan t e nj ej t en arkit ekt ure • Fam ilj a I BM Syst em / 370 ndan t e nj ej t en arkit ekt ure t e pergj it hshm e • Kj o sj elle nj e kom pat ibilit et t e kodit —Te pakt en prapa • Organizim et ndryshoj ne nderm j et versioneve t e ndryshm e St ruk t ura dhe Funk sioni • St rukt ure esht e m enyra se si kom ponent et lidhen m e nj eri t j et rin. • Funksion esht e operim i i cdo kom ponent i individual si pj ese e st rukt ures Funk sion • Te gj it he funksionet e kom pj ut erit j ane: —Perpunim i i t e dhenave —Ruaj t j a e t e dhenave —Zhvendosj a e t e dhenave —Kont rolli Pa m ja funk siona le Funk sione t (a ) Z hve ndosja e t e dhe na ve Funk sione t (b) Rua jt ja Funk sione t (c ) Pe rpunim i nga bre nda Funk sione t (d) Pe rpunim i nga pa isje t H /D (I /O) St ruk t ura – N ive li k rye sor Periferike Kompjuter Njesia kryesore e perpunimit Kompjuter Memoria Nderlidhja e sistemit Hyrje Dalje Linjat e komunikimit St ruk t ura – CPU -ja CPU Kompjuter Njesia Arithmetike Logjike Regjistra I/O BUS Memoria CPU Nderlidhja e brendshme e CPU Njesia e kontrollit St ruk t ura – N je sia e K ont rollit Njesi Kontrolli CPU Sekuenca e veprimeve ALU BUS Regjistra Njesi kontrolli Dekoderat dhe Regjistrat e njesise Kontrolli i memories EN I AC - k rye sore • Elect ronic Num erical I nt egrat or And Com put er • Eckert dhe Mauchly • Universit et i i Pennsylvania • Filloi ne 1943 • Perfundoi ne 1946 —Shum e vone shryt ezim e usht arake • U perdor deri ne vit in 1955 EN I AC - de t a je • • • • • • • • Decim al ( j o binare) 20 akum ulat or m e 10 shifra Program ohej m anualisht m e celesa 18,000 t uba m e vakum 30 t on ≈140 m2 140 kW fuqia e konsum uar 5,000 m bledhj e/ s von N e um a nn/T uring • Koncept i i ruaj t j es se program it • Mem oria kryesore ruan t e dhenat dhe program et • ALU vepron m bi t e dhena binare • Nj esia e kont rollit int erpret on inst ruksionet qe vij ne nga m em oria dhe i ekzekut on • Paisj et hyrj e dalj e kom andohen nga nj esia e kont rollit • I nst it ut i ne Princt on —I AS • Perfunduar ne 1952 St ruk t ura e m a k ine s se von N e um a nn I AS - de t a je • 1000 x 40 bit fj ale —Num ra binare —2 x 20 bit inst ruksione • Grupi i regj ist rave( ruaj t j a ne CPU) —Mem ory Buffer Regist er —Mem ory Address Regist er —I nst ruct ion Regist er —I nst ruct ion Buffer Regist er —Program Count er —Accum ulat or —Mult iplier Quot ient St ruk t ura e I AS – de t a je K om pjut e ra K om e rc ia le • 1947 - Eckert - Mauchly Com put er Corporat ion • UNI VAC I ( Universal Aut om at ic Com put er) • Perllogarit j et per censusin ne US ne 1950 • U be pj ese e korporat es Sperry- Rand • Ne fund t e vit eve 50 - UNI VAC I I —Me i shpej t e —Me shum e m em orie I BM • Paisj e qe procesonin let ra m e vrim e • 1953 - seria 701 —Kom pj ut eri i pare i I BM m e program ne m em orie —Perllogarit j e shkencore • 1955 – seria 702 —Aplikacione biznesi • Paraprine serit e 700/ 7000 T ra nzist ore t • • • • • • • Zevendesuan t ubat m e vakum Te vegj el Te lire Me pak nxeht esi e cliruar Te ndert uara prej silici ( Rera) Te shpikura ne 1947 ne laborat oret e Bell William Shockley et al. K om pjut e ra t e ba zua r ne t ra nzist ore • Gj enerat a e dyt e e m akinave • I BM 7000 • DEC - 1957 —Prodhuan PDP- 1 St ruk t ura DEC - PDP-8 M ik roe le k t ronik a • Kom pj ut eri perbehet nga port a llogj ike, qeliza m em orie dhe nderlidhj e • Ket o m und t e prodhohen ne nj e gj ysem percj elles • p.sh. Sht rese silici Gje ne ra t a t e K om pjut e ra ve • Tuba vakum i- 1946- 1957 • Tranzist ore - 1958- 1964 • Shkalle e ulet int egrim i( SSI ) - 1965 —Deri ne 100 paisj e per chip • Shkalle e m esm e int egrim i( MSI ) - 1971 —100- 3,000 paisj e ne chip • Shkalle e lart e int egrim i( LSI ) - 1971- 1977 —3,000 - 100,000 paisj e ne chip • Shkalle shum e e lart e int egrim i( VLSI ) 1978 - 1991 —100,000 - 100,000,000 paisj e ne chip • Shkalla ult ra e int egrim it ( ULSI ) – 1991 - ? —Mbi 100,000,000 paisj e ne chip Ligji i M oore • • • • • • • • • Rrit j e e densit et it t e kom ponent eve ne chip Gordon Moore – bashket hem eluesi i I nt el Num ri i t ranzist oreve ne chip do t e dyfishohet cdo vit Qe nga 1970 shkalla e rrit j es se dendesit et it ka rene —Num ri i t ranzist oreve dyfishohet cdo 18 m uaj Kost o e chipit ka ngelur pot huaj se e pandryshuar Dendesit et i i lart e i paket im it do t e t hot e rruge elekt rike m e t e shkurt ra Perm asa m e t e vogla do t e t hot e fleksibilit et m e i lart e Konsum m e i vogel kerkesa per ft ohj e m e t e zbut ura Me pak nderlidhj e rrisin besueshm erine Rrit ja e num rit t e t ra nzist ore ve Re voluc ioni i K om pjut e ra ve • Progresi ne t eknologj ine e kom pj ut erave —I parashikuar nga ligj et e Moore • Ben aplikacionet e rej a t e m undura —Kom pj ut era ne aut om obile —Telefona —Proj ekt i i gj enom es se nj eriut —World Wide Web —Mot oret e kerkim it K la sa t e k om pjut e ra ve • Kom pj ut erat deskt op —Perdorim i pergj it hshem , variet et i soft it —Subj ekt i t radeoff kost o/ perform ance • Kom pj ut erat server —Bazohen ne rrj et a —Kapacit et i lart e, perform ance, besueshm eri —Nga serverat e vegj el deri t ek godinat e t era • Kom pj ut erat Em bedded —Te fshehur si kom ponent e t e sist em it —Kufizim e t e rrept a m bi fuqi/ perform ance/ kost o T re ndi sot … Cfa re do t e shik ojm e m e t e j…? • Si program et perkt hehen ne gj uhe m akine —Dhe si hardware- i i ekzekut on at o • Nderfaqj a hardware/ soft ware • Kush e percakt on perform ancen e nj e program i —Dhe si m und t e perm iresohet • Si proj ekt uesit e hardware- it perm iresoj ne perform ancen • Cfare esht e perpunim i ne paralel T e k upt ojm e pe rform a nc e n • Algorit m at —Percakt oj ne num rin e operacioneve qe ekzekut ohen • Gj uhet e program im it , kom pilat ori, arkit ekt ura —Percakt oj ne num rin e inst ruksioneve m akine per cdo operacion • Sist em et e m em ories dhe procesorit —Percakt oj ne sa shpej t e ekzekut ohen inst ruksionet • Sist em i I / O ( duke perfshire SO) —Percakt on sa shpej t e kryhen veprim et I / O Posht e progra m it • Program i aplikat iv —I shkruar ne gj uhe t e nivelit t e lart e • Soft ware i sist em it —Kom pilat ori: perkt hen kodin ne kom anda t e m akines —Sist em i operat iv: kodi i sherbim it – Menaxhim i i I / O – Menaxhim i i m em . dhe “ st orage” – Skedulim i i det yrave dhe m enaxhim i i burim eve • Hardware- i —Procesori, m em oria, kont rollerat I/O N ive le t e k odit t e progra m it • Gj uhe e nivelit t e lart e —Niveli i abst raksionit m e afer problem it —Jep m undesi per produkt ivit et dhe port abilit et • Gj uha asem bler —Perfaqeson ne m enyre t ekst uale inst ruksionet • Paraqit j a ne hardware —Binary digit s ( bit s) —I nst ruksione t e koduara dhe t e dhena Abst ra k sione t • Abst raksionet ne ndihm oj m e t e m errem i m e kom pleksit et in —Fshehin det aj et e t epert a t e nivelit t e ulet • Arkit ekt ura e set it t e inst ruksioneve ( I SA) —Nderfaqj a hardware/ soft ware • Applicat ion binary int erface —I SA + nderfaqj a e soft ware- it t e sist em it • I m plem ent im i —Det aj et qe qendroj ne posht e nderfaqes K om pone nt e t e nje k om pjut e ri • Te nj ej t et kom ponent e per cdo t ip kom pj ut eri —Deskt op, server, em bedded • I nput / out put perfshin —Paisj e per nderfaqen m e perdoruesin – Display, keyboard, m ouse —“ St orage” – Hard disk, CD/ DVD, flash —Adapt ore rrj et i – Per kom unikim in m e kom pj ut era t e t j ere Ana t om ia e k om pjut e rit Paisja dalese Kablli i rrjetit Paisja hyrese Paisja hyrese Ana t om ia e M ouse -i • Mouse- i opt ik —Dioda ilum inon rrafshin e posht em —Kam era m e rezolucion t e ulet —Nj esi e t hj esht e perpunuese e im azhit – Shikon per levizj e ne drej t im et x, y —But ona dhe levizj e vert ikale • Shum e m e e sakt e se m ouse- i i vj et er M onit ori • Monit ori LCD : pict ure elem ent s ( pixels) —Pasqyron perm baj t j en e nj e fram e buffer N e bre nde si N e bre nde si t e proc e sorit (CPU ) • Dat apat h: kryen operacione ne t e dhena • Cont rol: kont rollon dat apat h, m em orie, ... • Mem oria Cache —Nj e m em orie e shpej t SRAM per akses direkt t e t e dhenave N e bre nde si t e proc e sorit • AMD Barcelona: 4 processor cores N je ve nd i sigurt e pe r t e dhe na t • Mem oria kryesore volat ile — Hum bet inst ruksionet dhe t e dhenat m e fikj en e m akines • Mem oria sekondare j o- volat ile — Disku m agnet ik — Mem oria flash — Disku opt ik ( CDROM, DVD) Rrje t i • Kom unikim dhe ndarj e e burim eve • Local area net work ( LAN) : Et hernet —Brenda nj e godine • Wide area net work ( WAN: I nt ernet • Rrj et i Wireless : WiFi, Bluet oot h T re ndi i t e k nologjise • Teknologj ia elekt ronike zhvillohet —Rrit j a e kapacit et it dhe perform ances —Kost o e redukt uar Viti Teknologjia 1951 Vacuum tube 1965 Transistor 1975 Integrated circuit (IC) 1995 Very large scale IC (VLSI) 2005 Ultra large scale IC Kapaciteti DRAM Rraporti relativ performance/kosto 1 35 900 2,400,000 6,200,000,000 Pa isje t I /O • Periferike m e kerkesa H/ D int ensive • Kerkesa per t ransferim t e lart e t e t e dhenave ne nj esine e kohes • Procesori m und t a m enaxhoj e • Problem levizj a e t e dhenave • Disa zgj idhj e: —Caching —Buffering —Buse nderlidhese m e shpej t esi t e lart e —St rukt ura busi t e avancuara —Konfigurim e m e disa procesore Shpe jt e sia e t ra nsfe rim it ne pa isje t e ndryshm e Pe rm ire sim e t ne orga nizim in dhe a rk it e k t ure n e c hipit • Rrit j a e shpej t esise hardware- ike t e procesorit • Perdorim i i m em ories se shpej t e m e afer procesorit ( cache) • Ndryshim e ne organizim dhe arkit ekt ure —Rrit j a e shpej t esise efekt ive t e ekzekut im it —Paralelizm i Pe rform a nc a e proc e sore ve I nt e l Em be dde d Syst e m s ARM • ARM evolvoi nga arkit ekt ura RI SC • Perdoret kryesisht ne sist em et em bedded —Perdoret brenda ne produkt —Jo ne kom pj ut era t e perdorim it t e pergj it hshem —Funksion i dedikuar —P.sh. ABS • Cili aeroplan ka perform ancen m e t e m ire? Boeing 777 Boeing 777 Boeing 747 Boeing 747 BAC/ Sud Concorde BAC/ Sud Concorde Douglas DC8-50 Douglas DC8-50 Pe rc a k t im i i pe rform a nc e s 0 200 400 0 600 Boeing 777 Boeing 777 Boeing 747 Boeing 747 BAC/ Sud Concorde BAC/ Sud Concorde Douglas DC8-50 Douglas DC8- 50 500 1000 Shpejtesi e udhetimit( mph) 10000 Distanca e udhetimit( milje) Kapaciteti i pasagjereve 0 5000 1500 0 200000 Kapaciteti x shpejtesi 400000 K oha e pe rgjigje s dhe t hroughput • Koha e pergj igj es ( response t im e) —Sa kohe duhet per t e kryer nj e det yre • Throughput —Puna t ot ale e kryer per nj esi kohe – p.sh., det yra/ t ransaksione/ … per ore • Si ndikohen koha e pergj igj es dhe t hroughput nga —Zevendesim i i procesorit m e nj e version m e t e m ire? —Te sht oj m e m e shum e procesore? Pe rform a nc a Re la t ive • Percakt oj m e perform ancen = 1/ Kohe ekzekut im i • “ X esht e n here m e i shpej t e se Y” Performanc a X Performanc a Y = Koha ekzekutimi t Y Koha ekzekutimi t X = n Shembull: koha per te ekzekutuar nje prog. 10s ne A, 15s ne B Koha ekzekutimitB / Koha ekzekutimitA = 15s / 10s = 1.5 Pra A eshte 1.5 here me e shpejte se B M a t ja e k ohe s se e k ze k ut im it • Koha e harxhuar( Elapse Tim e) —Koha t ot ale e pergj igj es, duke perfshire t e gj t he aspekt et – Perpunim i, I / O, vonesa e SO, kohet e lira —Percakt on perform ancen e sist em it • Koha e CPU —Koha e shpenzuar duke perpunuar nj e det yre – Zbresim kohen m e I / O, m e det yra t e t j era —Perfshin kohen e perdoruesit m e CPU dhe at e t e sist em it m e CPU —Program e t e ndryshm e ndikohen ndryshe nga CPU dhe perform anca e sist em it Ora e CPU • Funksionim i i hardware- it num erik udhehiqet nga ora e sist em it Perioda Clock (cikle) Transferimi data Gjendjet e update Perioda e ores(clock): kohezgjatja e ciklit p.sh., 250ps = 0.25ns = 250×10–12s Frekuenca e ores (rate): cikle per sekond p.sh., 4.0GHz = 4000MHz = 4.0×109Hz Ora e Sist e m it K oha e CPU Koha CPU = Cikle Ore CPU × Koha Cikel Ore Cikle Ore CPU = Frekuence Ore • Perform anca perm iresohet nga —Redukt im i i num rit t e cikleve t e ores —Rrit j a e frekuences se ores —Proj ekt uesi i hardware- it duhet t e zgj edhi m idis frekuences se ores dhe num rit t e cikleve K oha e CPU She m bull • Kom pj ut eri A: frekuenca e ores 2GHz, Koha e CPU 10s • Proj ekt im i i kom pj ut erit B — Kerkoj m e nj e kohe CPU- j e 6s — Mund t e rrisim frekuencen, por do shkakt oj e 1.2 × ciklet e ores • Sa e shpej t e duhet t e j et e ora e kom pj ut erit B? Ciklet e OresB 1.2 × Ciklet e Ores A Frekuenca B = = Koha e CPUB 6s Ciklet e Ores A = Koha CPUA × Frekuenca A = 10s × 2GHz = 20 × 10 9 1.2 × 20 × 10 9 24 × 10 9 Frekuenca B = = = 4GHz 6s 6s N um ri i inst ruk sione ve dhe CPI Ciklet e Ores = Numri i Instruksioneve × Ciklet per Instruksion Koha CPU = Numri i Instruksioneve × CPI × Koha e Ciklit te Ores Numri i Instruksioneve × CPI = Frekuenca • Num ri i I nst ruksioneve per nj e program —Percakt ohet nga program i, I SA dhe kom pilat ori • Mesat arj a e cikleve per I nst ruksion —Percakt ohet nga hardware- i i CPU- se —Nese inst ruksione t e ndryshm e kane CPI t e ≠ – Merret m esat arj a e CPI CPI She m bull • Kom pj ut eri A: Koha e Ciklit = 250ps, CPI = 2.0 • Kom pj ut eri B: Koha e Ciklit = 500ps, CPI = 1.2 • I SA e nj ej t e • Cili esht e m ei Instruksio i shpej neve t e dhe = Numri × CPIsa? × Koha e Ciklit Koha CPU A A A = I × 2.0 × 250ps = I × 500ps A me i shpejte… Koha CPU = Numri i Instruksio neve × CPI × Koha e Ciklit B B B = I × 1.2 × 500ps = I × 600ps Koha CPU B = I × 600ps = 1.2 …me kaq Koha CPU I × 500ps A here CPI m e shum e de t a je • Nese klasa t e ndryshm e inst ruksionesh kerkoj ne num er t e ndryshem ciklesh Ciklet e Ores = ∑ (CPIi × Numri i Instruksio neve i ) n i=1 CPI mesatare e peshuar n Ciklet e Ores Numri i Instruksio neve i CPI = = ∑ CPIi × Numri i Instruksio neve i=1 Numri i Instruksio neve Frekuenca relative CPI She m bull • Sekuenca kodi t e kom piluara ne m enyra t e ndryshm e duke perdorur inst ruksione nga klasat A, B, C Klasa A B C CPI per klase 1 2 3 Nr. Inst. per sek 1 2 1 2 Nr. Inst. per sek 2 4 1 1 Sekuenca 1: Nr. Inst. = 5 Cikle Ore = 2×1 + 1×2 + 2×3 = 10 CPI mes. = 10/5 = 2.0 Sekuenca 2: Nr.Inst. = 6 Cikle Ore = 4×1 + 1×2 + 1×3 =9 CPI mes. = 9/6 = 1.5 Pe rm ble dhje e Pe rform a nc e s Instruksio ne Cikle Ore Sekonda Koha e CPU = × × Program Instruksio ne Cikle Ore • Perform anca varet nga —Algorit m i: afekt on Nr. I ns., edhe CPI —Gj uha e program im it : afekt on Nr. I ns., CPI —Kom pilat ori: afekt on Nr. I ns., CPI —Arkit ekt ura e Set it t e I nst ruksioneve: afekt on Nr. I ns., CPI , Kohen e ciklit Fuqia • Ne t eknologj ine CMOS Fuqia = Ngarkesa Kapacitive × Tensioni 2 × Frekuenca ×30 5V → 1V ×1000 Re duk t im i i Fuqise • Supozoj m e qe CPU e re ka —85% t e ngarkeses kapacit ive t e CPU se vj et er —Redukt im 15% t ension dhe 15% ne frekuence C vjeter × 0.85 × (Vvjeter × 0.85) 2 × Fvjeter × 0.85 Pe re 4 = = 0.85 = 0.52 2 Pvjeter C vjeter × Vvjeter × Fvjeter Muri i fuqise Nuk mund te reduktojme tensionin me tej Nuk mund te heqim me shume nxehtesi Si mund ta permiresojme ndryshe performancen? Pe rform a nc a U niproc e sor Kufizuar nga fuqia, paralelizmi ne nivel instruksionesh, vonesa e memories M ult iproc e ssors • Mikroprocesoret m ult icore —Me shum e se nj e procesor per chip • Kerkon program im ne paralel —Krahaso m e paralelizm in ne nivel inst ruksionesh – Hardware ekzekut on disa inst ruksione nj eheresh – I fshehur nga program uesi —I vesht ire per t u bere – Program im i per perform ance – Balancim i i ngarkeses – Opt im izim i i kom unikim it dhe sinkronizim it Fre k ue nc a e e k ze k ut im it • Millions of inst ruct ions per second ( MI PS) MI PS= I / Koha CPU* 10 6 • Millions of float ing point inst ruct ions per second ( MFLOPS) • Varen shum e nga set i i inst ruksioneve, proj ekt im i i kom pilat orit et j … Ligji i Am da hl • Nese F esht e pj esa e llogarit j eve sekuenciale, dhe ( 1- F) esht e pj esa qe m und t e paralelizohet , at ehere rrit j a m aksim ale e shpej t esise qe m und t e arrihet m e P procesore esht e speedup= 1/ ( F+ ( 1- F) / P) She m bull • Nese 90% e llogarit j eve m und t e paralelizohen ( pra 10% j ane sekuenciale) at ehere rrit j a m aksim ale e shpej t esise qe m und t e arrihet m e 5 procesore esht e 1/ ( 0.1+ ( 1- 0.1) / 5) pra 3.6 . Do t e t hot e qe program i m und t e ekzekut ohet m aksim um i 3.6 here m e shpej t e ne nj e sist em m e 5 procesore ne krahasim m e nj e sist em m e nj e procesore. N e progra m se k ue nc ia l • Rrit j a m aksim ale e shpet esise ne nj e program sekuencial ku nj e pj ese perm iresohet m e p here, kufizohet nga m osbarazim i • Ku f esht e pj esa e kohes e shpenzuar m e perpara( para perm iresim it ) ne nj esine qe nuk u ndryshua. She m bull • Nese pj esa B ne nj e kom pj ut er esht e bere 5 here m e e shpej t e ( p= 5) t A = 3 t B= 1 at ehere f= t A/ ( t A+ t B) = 0.75 Speedup≤5/1+0.75(5- 1) = 1.25 • Nese pj esa A behet 2 here m e e shpej t e p= 2, f= t B/ ( t A+ t B) = 0.25 Speedup≤2/1+0.25(2- 1) = 1.60 She m bull pe rfundim i • Rrit j a e A m e nj e fakt or 2 sj ell nj e perm iresim m e t e lart e ne perform ance sesa rrit j a e B • Perqindj a j epet nga form ula ( 1- 1/ speedup) * 100 Pe rm ble dhje • Kost o/ perform ance po perm iresohet —Per shkak t e perm iresim eve t eknologj ike • Sht resat hierarkike t e abst raksionit —Ne hardware dhe soft ware • Arkit ekt ura e set it t e inst ruksioneve —Nderfaqj a hardware/ soft ware • Koha e ekzekut im it : nj esia m e e m ire per m at j en e perform ances • Fuqia esht e nj e fakt or lim it ues —Perdoret peralelizm i per t e perm iresuar perform ancen. Lit e ra t ura 1. 2. 3. Arkit ekt ura e Kom pj ut erave, Agim Cam i ( faqe 11- 16) Organizim i dhe arkit ekt ura e kom pj ut erave ( faqe 37- 48) Com put er organizat ion and design, D.Pat t erson, J.Hennessy ( Kapit ulli I ) FALEMI NDERI T