Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 1/11

Szmtgp s perifrik A szmtgp a ki/bemeneti egysgen keresztl ll kapcsolatban a krnyezetvel. Pldnkban egy nyomtatt s egy billentyzetet kapcsolunk a szmtgphez:

A szmtgp ktflekppen vezrelheti a perifrikat:

- Programozottan:

A szmtgpnek a bels utastsokon kvl I/O utastsai is vannak:

Out (cm): a megcmzett perifrinak parancsot s/vagy informcit kld

az informci lehet adat, pl. nyomtass egy adott kd karaktert

vezrls, pl. mostantl pirosan nyomtass

A kett nem felttlenl klnl el, pl. kezdj j sort vagy j lapot parancs nyomtatsi kdknt szokott kimenni.

In (cm): a megcmzett perifritl informcit olvas be. A beolvasott informci ktfle lehet:

a perifria llapotra vonatkoz:

o a perifria ksz (pl. klaviatrn letttek egy gombot, a kdot lehet olvasni)

o a perifria foglalt (pl. nyomtatn elindtottak egy nyomtatst, s mg nem rt vget nem lehet j nyomtatst indtani)

Adat, pldul a lettt karakter kdja.

- Megszaktssal:

ha a perifria azt szeretn, hogy a szmtgp foglalkozzon vele, megszaktst kr, erre a fut program flbeszakadhat, s a program a perifrival kezd foglalkozni.

A programozott mkdst csak a szmtgp ltal kiadott utastsok vezrlik, a megszaktst a perifrik s a szmtgp kztti hardver vezrli.

Perifria programozott mkdtetse Karaktersorozat (szveg) nyomtatsa egy perifrin:

Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 2/11

A feladat: a memriban tallhat karakter sorozat nyomtatsa

Ehhez a memriban tallhat karaktereket egyms utn ki kell kldeni a nyomtatba. A nyomtats a szmtgp sebessghez kpest nagyon lassan trtnik (pldul 0,01s = 10ms/karakter), ezrt a kvetkez karakter nyomtatsa eltt meg kell vrnunk, hogy az elz nyomtats befejezdjn. A balodali program folyamatbra megvalstshoz kt I/O utasts szksges: IN (Nyomtat sttusz) A szmtgp beolvassa a nyomtat llapott, amelyben benne van az, hogy a nyomtat ksz-e mg egy sor informci lehet benne, pldul, hogy van-e papr a nyomtatban (eezel most nem foglalkozunk) OUT (karakter)

A szmtgp kikldi a nyomtatand karakter kdjt, s nyomtatst indt. Ltszik, hogy a nyomtats a szmtgpet 100%-ban lekti, mert folyamatosan figyelni kell, hogy mikor kldhet a kvetkez karakter. A figyels alatt a szmtgp semmi hasznosat nem csinl, pldul foglalkozhatna egy msik feladattal!

Erre szolgl a megszakts: a szmtgp a nyomtats megindtsa utn msik feladatba kezd, majd amikor a perifria elkszl a nyomtatssal, flbeszaktja azt, megindtja a kvetkez nyomtatst, majd visszatr a megszaktott mkdsre.

Megszakts A szmtgp kpes arra, hogy a perifri(k)bl jv jelzs hatsra megszaktsa a fut programot, s egy msik programot kezdjen el, majd vissza tudjon trni az eredeti feladatra. Tbb perifria is lehet, mi felttelezzk, hogy a szmtgphez egy nyomtat, s egy klaviatra van kapcsolva, mindkett krhet megszaktst. Nyilvn a nyomtat megszakits krsekor a kvetkez karakter nyomtatst kell indtani (ha van), a klaviatra megszakts krsekor pedig be kell olvasni a lettt billenty kdjt. Tbbfle megszaktsi rendszer van, mi csak a legegyszerbbel foglakozunk: - brki kr megszaktst, ugyanaz a program indul, amelyik elszr megkeresi, hogy ki krte a megszaktst (ezt egyszer megszaktsnak nevezik) - ha egy megszakts kiszolglsa folyik, azt msik megszakts nem szakthatja meg (ezt egyszint megszaktsnak nevezik).

Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 3/11

A megszaktshoz a kvetkez ramkrre van szksg:

A megszakts kezels elemei:

o A CPU-ban (szmtgp kzponti egysg) van egy megszakts engedlyez Flip-flop, melyet az EI (Enable Interrupt) utastssal lehet berni, a DI (Disable Interrupt) utastssal trlni)

o a perifrik kezelshez kt tovbbi utasts kell: OUT (Elfogads1) Ez trli a nyomtat ksz jelzst OUT (Elfogads2) Ez trli a klaviatura ksz jelzst

o Ha a megszakts engedlyezve van S a nyomtat ksz VAGY a klaviatura ksz, bels megszakts krs keletkezik.

A megszakts krs kezelse (a kvetkez szablyok szerinti mkdst a CPU hardware hajtja vgre!):

o Trldik a megszakts engedlyezs flip-flop ezrt nem fogad el jabb megszaktst a CPU

o A CPU a Stack-ben menti a PC rtkt, ugyangy, mint egy CALL utastsnl ezrt majd RET utastssal lehet a megszaktsi programbl visszatrni.

o A PC-be berdik a megszaktsi program fix kezdcme (pldul a 0004h cm) - ezrt egyszer a megszaktsi rendszer, gy elindul a megszakts kiszolglsa.

(A megszakts kezel program a kvetkez oldalon ltszik.) o A megszakts elfogadsa utn a regisztereket menteni kell, mert azokat a megszakts

kiszolgls is hasznlja, s visszatrs utn a programot pontosan gy kell folytatni, mintha meg sem szaktottk volna.

o a program megkeresi a megszaktst kr eszkzt, s kiszolglja azt. Ha nem tall ilyet, az hiba!

o Ha a nyomtat kszlt el, csak akkor indtunk jabb nyomtatst, ha mg tart a szveg. Ha vge van, csak a krst trljk.

o A program trli annak a perifrinak a ksz jelzst, amelyet kiszolglt. o A visszatrshez:

Visszalltjuk a regisztereket (ahogy mr rtuk, fordtott sorrendben kell a POP utastsokat alkalmazni, mint a PUS-okat).

Engedlyezzk a megszaktst, mert klnben a CPU nem fogad el tbb megszaktst.

A RET utastssal visszatrnk a megszaktott programba amikor a CPU megkezdte a megszakts kiszolglst, a Stack-be mentette a PC rtkt!

Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 4/11

Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 5/11

Szmtgpek teljestmnynek nvelsre hasznlt eszkzk Csak nhny rdekes megoldst ismertetnk, messze a teljessg ignytl. Cache

(Angolul ugyangy mondjk, mint a Cash-t [kassza, kszpnz], de jelentse rejtekhely.)

A szmtgpben a Cache olyan gyors memria, amely a CPU s az operatv memria kztt foglal helyet.

Ha a CPU a memribl olvas, akkor az olvasott

memriacm, az olvasott adat s egy minden Cache mveletnl eggyel nvekv sorszm a Cache-ba kerl. Ha legkzelebb a CPU ugyanerrl a cmrl olvas, akkor az adatot nem a memribl, hanem a Cache-bl kapja meg. A Cache sokkal gyorsabb, mint az operatv memria, ezrt a mkds felgyorsul. A mdszer azrt eredmnyes, mert a szmtgp programok gyakran hajtjk vgre ismtelten ugyanazt a programrszt, illetve veszik el tbbszr ugyanazt az adatot. A Cache mkdshez a kvetkez feladatokat kell megoldani:

o r kell jnni, hogy egy memriacm tartalma benne van-e a Cache-ben. Ezt gynevezett tartalom szerinti kivlasztssal valstjk meg: a Cache azt a rekeszt vlasztja ki, melyben a cm megegyezik a kvnt cmmel. Az gy mkd memrit asszociatv memrinak nevezik.

o ha a Cache tele van, akkor egy j adat behelyezsekor egy bentlvt el kell dobni. ltalban a legrgebben hasznltat dobjk el. Ezt segti a hasznlati sorszm: a legkisebb sorszmt kell eldobni. (az brn a sorszmok azt mutatjk, hogy a Cache 1., 2., 3., 4. cmre kerlt tartalom, majd a CPU a 2. Cahche cmet jra olvasta. Ha most j memria tartalmat runk a Cahce-be, az az 1. cmre fog kerlni, s hasznlati sorszma 6 lesz.)

o Ha a CPU a memriba r, akkor ezt egyrszt a Cache-be, msrszt a memriba is be kell rni, de a CPU-nak nem kell megvrnia a Memriba trtn rs vgt.

Ha az adat benne van a Cache-ben, azt Hit-nek (tallat), ha nincs, Miss-nek (cltveszts) nevezik.

A PC-ben hasznlt processzorokban nagymret Cache-ek vannak, az elmondottnl sokkal bonyolultabb szervezsek: a Cache ktszint, az els szint viszonylag kicsi [Pentium III Coppermine (0.18 m): L1-Cache: 16 + 16 KB (Adatok + Utastsok), L2-Cache: 256 KB. Amint az elzekbl ltszik, az utastsok s adatok kln Cache-be kerlnek.

CPU

Cache

Operatvmemria

Memriacm

AdatHasznlatisorszm1 120h A7h

5 201h 23h3 070h 15h

4 121h 7Ch

Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 6/11

PipeLine s prhuzamosts

A feladat az

kN

N

k

kn xhy

1

0

szorzatsszeg kiszmtsa (ez az u.n. FIR digitlis szr kplete).

Ismtelten el kell venni kt memriatartalmat (hk s xN-k), ezeket sszeszorozni, s hozzadni az eddigi sszeghez. A feladatot a kvetkez brn lthat blokksmval oldjuk meg:

A hk egytthatkat tegyk az A memriba, az xN-k egytthatkat a B memriba. Ttelezzk fel, hogy a kvetkez mveletek mindegyike egy tem alatt hajthat vgre:

o hk s xN-k elvtele a memribl ha ezt egyszerre lehet elvgezni, ez tipikus prhuzamosts, melynek alapja az, hogy a memrit ktfel osztottuk

o a szorzs vgrehajtsa o az sszeads vgrehajtsa, melynek eredmnye az akkumultorba kerl. Ttelezzk fel, hogy a felsorolt mveletek prhuzamosan hajthatk vgre. Ekkor a kvetkez tblzatban brzolt mkds valsthat meg:

tem Elvtel a memribl Szorzs sszeads

1 h0, xN - -

2 h1, xN-1 h0, xN -

3 h2, xN-2 h1, xN-1 h0, xN

4 h3, xN-3 h2, xN-2 h1, xN-1

5 - h3, xN-3 h2, xN-2

6 - - h3, xN-3

Ltszik, hogy az adatprt elvev processzor tovbbadja az adatprt a szorz processzornak, s mialatt az szoroz, elveszi a memribl a msodik prt. Ugyanez igaz a szorz s sszead kztt is. gy a feldolgozsi sebessg 1 adatpr/tem, ami hromszor olyan gyors, mintha az adatpronknt 3 mveletet egyms utn hajtannk vgre. A lert szervezs a pipe line (csvezetk), amit inkbb futszalag-ra rdemes fordtani. A vzolt mkdst elssorban jelfeldolgoz processzorokban alkalmazzk. Ltszik, hogy a ciklus elejn s vgn nem teljes a prhuzamossg, meg kell vrni, mig a pipe line a ciklus elejn feltltdik, illetve a ciklus vgn kifolyik. Ezrt a pipe-line elrendezs olyan feladatoknl hatsos, ahol sok adaton kell ugyanazt a mveletsort vgrehajtani. Ilyen pldul a kpfeldolgozs is.

Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 7/11

Tbbmagos CPU

2005. mjusban jelent meg a ktmagos AMD Opteron 875, 2005. novemberben a ktmagos Intel Xeon MP.

A ktmagos processzorok teljestmnye dupla akkora lehet, mint az egymagos, de ennek felttele az, hogy a gpben tnylegesen kt szl fusson prhuzamosan. (Az Opteron 875 teljestmnye egy szl futsakor kisebb, mint az egymagos Opteron 852-, mert rajele 2,2 GHz az egymagos processzor 2,6 GHz-vel szemben.) [Szlaknak nevezik egy programon bell, vagy tbb programban a prhuzamosan fut feladatokat, pldul egy jtkprogram s vele prhuzamosan egy internet letlts fut]

Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 8/11

Szuperszmtgpek A szuperszmtgpek egy-egy idszakban a szmtstechnika cscst jelentik, teljestmnyk az ltalban hasznlt szmtgpek sokszorosa. A teljestmnyt ltalban FLOP-ban, illetve ennek tbbszrsben mrik.

1 Flop = 1 lebegpontos mvelet/s.

1 MFlop 1 GFlop 1 TFlop 1 Pflop 1 Eflop

Mega Giga Terra Peta Exa

106 Flop 10

9 Flop 10

12 Flop 10

15 Flop 10

18 Flop

11 sor nknyesen kiragadva a szuperszmtgpek trtnetbl:

1976 Cray-1 250 MFlop

1985 Cray-2 3.9 GFlop

2004 IBM Blue

Gene/L

70.72 TFLOPS DoE/IBM Rochester, Minnesota, USA

2005 136.8 TFLOPS DoE/U.S. National Nuclear Security

Administration,

Lawrence Livermore National Laboratory,

California, USA

280.6 TFLOPS

2007 478.2 TFLOPS

2008 IBM Roadrunner 1.026 PFLOPS DoE-Los Alamos National Laboratory, New

Mexico, USA 1.105 PFLOPS

2009 Cray Jaguar 1.759 PFLOPS DoE-Oak Ridge National Laboratory, Tennessee,

USA

2010 Tianhe-1A 2.566PFLOPS National Supercomputing Center of Tianjin

China, 2010

2011 Fujitsu K

computer 10.51 PFLOPS Kobe, Japan

2012 IBM Sequoia 16.32 PFLOPS Livermore, USA

2012 Cray Titan 17.59 PFLOPS Oak Ridge, USA

(A Blue Gene/L-ben a 478.2 TFlop-os vltozatban 131,072 processzor mag van, melyhez nagyon hasonlt hasznlnak sok kzepes teljestmny szmtgpben is (PowerPC 440). 2007. junius 16: Blue Gene/P - 294,912 processzor mag.)

A Tianhe-1A 14,336 Intel Xeon CPU-t s 7,168 Nvidia Tesla M2050 GPU-t tartalmaz, egy j, a knaiak ltal fejlesztett sszektsi technikval, melynek tviteli kapacitsa az Infiniband sebessgnek ktszerese. A Tianhe-1A 103 szekrny helyet foglal, slya 155 tonna,s fogyasztsa 4.04 megawatt.[

30 v alatt a teljestmny kb. milliszorosra ntt, 2012-re hetvenmilliszorosra.

A mostani PC-k teljestmny cscsa nhny Gflop, a 80-as vek elejn a szuperszmtgpek teljestmnye volt ekkora!

Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 9/11

Cray 2 Blue Gene/L

CRAY TITAN

Active Became operational October 29, 2012

Sponsors US DOE and NOAA (

Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 10/11

Grid Computing

2007: Ahogyan a Web az Interneten trtn informci eloszts eszkze, a GRID olyan szolgltats, amely a szmtgpek teljestkpessgt s adattrol kpessgt osztja szt az Interneten keresztl. A GRID jval tlmutat a szmtgpek kztti egyszer kommunikcin, s vgs clja az, hogy a szmtgpek globlis hlzata hatalmas szmtstechnikai erforrsknt legyen hasznlhat.

2011: A leggyorsabb kvzi szuperszmtgpek Ezek grid struktrban mkd projektek:

BOINC 5 PFLOPS 2010. mrcius 7,29 PFLOPS 2012. december

Folding@Home 5,13 PFLOPS 2013. februr

Mire j a szuperszmtgp? Extrm nagy szmtsi igny feladatok gyors megoldsra.

Decade Uses and computer involved

1970s Weather forecasting, aerodynamic research (Cray-1).

1980s Probabilistic analysis, radiation shielding modeling (CDC Cyber).

1990s Brute force code breaking (EFF DES cracker),

2000s 3D nuclear test simulations as a substitute for legal conduct Nuclear Proliferation

Treaty (ASCI Q).

2010s Molecular Dynamics Simulation (Tianhe-1A)

Pldul: meteorolgiai szimulci (elrejelzs)

A mdszer: a lgkr felosztsa vges trfogat cellkra, s az ezek kztti valamint kls hatsra ltrejv vltozsok idbeni szimulcija.

Informatika alapjai-7 A szmtgp felptse II 11/11

(Wikipedia Numerical Weather Prediction)

Models use systems of differential equations based on the laws of physics, fluid motion, and

chemistry, and use a coordinate system which divides the planet into a 3D grid. Winds, heat

transfer, solar radiation, relative humidity, and surface hydrology are calculated within each

grid cell, and the interactions with neighboring cells are used to calculate atmospheric

properties in the future.

A kvetkez fejtegets spekulci mert nem talltam hozz adatokat: Osszuk a lgkrt 1km x 1km x 0.2km-es cellkra 10 km magassgig. Ez km2-enknt 50 cella. A fld felszne 510 milli km2. Ez 510e6 * 50 = 25,500,000,000 = 25,5 * 10

9 cella.

A szmts peridusa legyen 0,1 ra, egy napra 240 jraszmols. Egy cella j llapotnak kiszmtsa ignyeljen 10000 mveletet. Ekkor egy napi elrejelzshez 25,5e9 x 240 x 10000 mvelet kell = 61,200,000,000,000,000= 61,2 * 1015 mvelet kell.