Basic Computer Systems Design

& Architecture01418114 – Introduction to Computer Science

Prasertsak U., Ph.D

Computer Architecture

• Von Neumann Architecture

2

The input unit - moves data from the outside into the computer.

The output unit -moves results from inside the computer to the outside

The control unit -acts as the stage unit to ensure that all the other components act in concert.

The arithmetic/logic gate unit - performing arithmetic and logic operations on data

The memory unit - holds both data and instructions

Memory

Address Contents

00000000 11100011

00000001 01010101

… …

11111100 00000000

11111101 11111111

11111110 10101010

11111111 00110011

3

Memory is a collection of cells, each with a unique physical

address. For example, if the addressibility is 8, and there are 256 cells of memory, the cells would be addressed as follows:

The bits in address 1111110 are

numbered as follows:

Memory Hierarchy

4

Picture from: http://people.nas.nasa.gov/

Memory Access Time

5

Picture from: http://www.embedded.com/

Control Unit

6

There are two special registers in the control unit. • Program Counter (PR)• Instruction Register (IR)

BUS

7

A communication system that transfers data between components inside a computer, or between computers

Multi-core processor

8

In consumer technologies, multi-core is usually the term used to describe two or more CPUs working together on the same chip.

Parallelism and Performance in Multi-Core CPUs

9

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์แบบ Centralized System

• บางคร้ังเรียกวา่ Host Based System หรือแบบรวมศูนย ์เป็นสถาปัตยกรรมแบบรองรับผูใ้ชห้ลายคน โดยทุกคนจะใชท้รัพยากรต่าง ๆ ร่วมกนั แบบ Time Sharing

เคร่ืองคอมพิวเตอร์ ณ ส่วนกลางจะเป็นเคร่ืองขนาดใหญ่ เช่น Server Computer

หรือ Mainframe Computer

10

ข้อดี / ข้อเสีย ของการประมวลผลแบบรวมศนูย์

• ขอ้ดี▫ การติดตั้งระบบ หรือโปรแกรมต่าง ๆ ท าไดง่้าย เน่ืองจากสามารถติดตั้ง ณ ศูนยก์ลาง

เพียงจุดเดียว▫ การควบคุมต่าง ๆ ท าไดง่้าย▫ สะดวกในการจดัการขอ้มูลและเรียกใชข้อ้มูล เช่น การรวบรวมขอ้มูลเพื่อออกรายงาน

หรือติดตามความเคล่ือนไหวต่าง ๆ ท าไดร้วดเร็ว เน่ืองจากขอ้มูลพร้อมอยูแ่ลว้ ณ ส่วนกลาง

▫ การรักษาความปลอดภยัท าไดง่้าย

11

ข้อดี / ข้อเสีย ของการประมวลผลแบบรวมศนูย์

• ขอ้เสีย▫ อาจเกิดปัญหา Single point of Failure (ความลม้เหลวของจุดเดียว) เน่ืองจาก

หากระบบส่วนกลางล่ม จะท าใหร้ะบบโดยรวมล่มทั้งหมด จึงมีความเส่ียงสูง▫ ท างานไดช้า้ลงเม่ือมีจ านวนผูใ้ชเ้พิ่มมากข้ึน เน่ืองจากอาจเกิดจากปัญหาคอขวด

(Bottle Neck) ของระบบ▫ ค่าใชจ่้าย ในการด าเนินการสูง▫ การปรับเปล่ียนหรือเพิ่มเติมศกัยภาพของระบบ เป็นเร่ืองใหญ่และใชทุ้นสูง

12

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์แบบ Decentralized System

• มีลกัษณะการท างานคลา้ยกบัแบบรวมศูนย ์แต่ศูนยร์วมไม่ไดมี้จุดเดียวเกิดจากการแยกตวัของหน่วยงานออกเป็น เขตหรือภาคท าใหเ้กิดความตอ้งการในการกระจายระบบการท างานออกไป แต่ยงัคงเช่ือมต่อขอ้มูลระหวา่งกนั

13

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์แบบ Distributed System

• สถาปัตยกรรมแบบกระจาย เกิดข้ึนเน่ืองจากตอ้งการลดขนาดของการท างานณ ศูนยก์ลางใหเ้ลก็ลง เพื่อประหยดัค่าใชจ่้าย และเน่ืองจากการส่ือสารท าได้รวดเร็วข้ึน เคร่ืองคอมพิวเตอร์มีประสิทธภาพมากข้ึน การกระจายการท างานออกไปยงัส่วนต่าง ๆ จึงสามารถท าไดโ้ดยไม่ท าใหง้านเกิดปัญหา และยงัเป็นการช่วยกนัท างานไปพร้อมกนัได้

14

ข้อดี / ข้อเสีย ของการประมวลผลแบบกระจาย

• ขอ้ดี▫ ใชเ้วลาในการตอบสนองเร็ว เน่ืองจากไม่ตอ้งรอการประมวลผลจากศูนยก์ลาง▫ ลดตน้ทุนตวัประมวลผลกลาง▫ ระบบน่าเช่ือถือมากข้ึน เน่ืองจากทนต่อความผดิพลาดไดดี้ เม่ือหน่วยใดไม่สามารถ

ท างานได ้หน่วยอ่ืน ๆ จะไม่กระทบ สามารถท างานต่อไปได้▫ แบ่งปันทรัพยากรร่วมกนั ไดมี้ประสิทธิภาพมากข้ึน เน่ืองจากระบบมีขนาดเลก็ลง

• ขอ้เสีย▫ การดูแลรักษาท าไดย้ากข้ึน เน่ืองจากมีการกระจายตวัของระบบไปตามจุดต่าง ๆ ▫ ความถูกตอ้งของขอ้มูล อาจเกิดผลกระทบเน่ืองจากขอ้มูลกระจายอยูห่ลายจุด▫ การรักษาความปลอดภยัขอ้มูลท าไดย้ากมากข้ึน

15

สถาปัตยกรรมการท างานแบบ Client-Server

• เป็นการแบ่งการท างานออกเป็น 2 ส่วน ไดแ้ก่ ส่วนใหบ้ริการ (Server) และส่วนขอใชบ้ริการ (Client) ซ่ึงกระบวนการประมวลผลจะเนน้หนกัในส่วนของ Server จากนั้นจึงส่งผลลพัธ์ท่ีไดก้ลบัไปยงัผูข้อใชบ้ริการ ซ่ึงโดยส่วนมากจะตอ้งมีการร้องขอใชบ้ริการมาจากฝ่าย Client

ก่อนจากนั้น Server จึงตอบสนองความตอ้งการนั้นกลบัไป (Response)

16

สถาปัตยกรรมการท างานแบบ Cluster-Server

• เป็นการแบ่งการท างานในส่วนใหบ้ริการ (Server) เพิ่มข้ึนมากกวา่ 1 จุด โดยในแต่ละจุดท างานเหมือนกนั เน่ืองจากตอ้งการ 1) รองรับการขอใชบ้ริการจ านวนมาก 2) เพื่อใหท้นต่อความผดิพลาดท่ีเกิดข้ึน เช่น

17

สถาปัตยกรรมการท างานแบบ Cluster-Server (ตอ่)

• แนวทางการติดตั้งเคร่ืองใหบ้ริการ (Server) เพื่อใหท้นต่อความผดิพลาดท่ีเกิดข้ึน และเพื่อแบ่งการท างานไม่ใหห้นกัมากเกินไป

18

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์แบบ Peer-to-Peer (P2P)

• P2P คืออะไร - “Peer-to-Peer เป็นระบบ Self organizing โดยปราศจากการควบคุมจากศูนยก์ลาง และประกอบไปดว้ยเพียร์ (Peer) ท่ีสามารถแชร์ทรัพยากร (resource) ให้กบัเพียร์อ่ืนๆเขา้มาใชง้านได”้

19

น าเสนอโดย http://javaboom.wordpress.com/ อา้งอิงจาก: A. Oram et al., Peer-to-Peer:Hardnessing the Power of

Disruptive Technologies, Oreilly, 2001

สถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์แบบ Peer-to-Peer (P2P)

• Robust - คงทน ไม่ล่มง่าย ๆ เม่ือมี Peer ใดออกจากการเช่ือมต่อ ระบบโดยรวมยงัคงท างานต่อไปได้

• High Availability - ระบบจะใชก้ารท าซ ้ าขอ้มูล (Redundancy) เพื่อช่วยใหข้อ้มูลกระจายตวัอยูใ่นเครือข่าย และสามารถใชแ้ทนกนัไดเ้ม่ือตอ้งการ จึงท าใหค้วามพร้อมในการใชง้านสูง

• Load Balancing - ระบบสามารถช่วยแบ่งภาระการท างานออกไปไดดี้ เม่ือมีคนตอ้งการขอ้มูลเดียวกนัมาก ๆ ขอ้มูลท่ีกระจายอยูใ่น Peer ต่าง ๆ จะถกูน ามาใชเ้พื่อช่วยกนัแบ่งปันใหก้บัผูท่ี้ตอ้งการ จึงเป็นการช่วยแบ่งเบาภาระการท างานไดอ้ยา่งดี

• มีความเป็นอิสระสูง (High Freedom) เน่ืองจากไม่มี Admin ในระบบ ไม่มีศนูยก์ลางในการควบคุม การเขา้ออกจากระบบสามารถท าไดโ้ดยอิสระ ซ่ึงไม่ท าใหร้ะบบล่ม ดงันั้นจึงมีความยดืหยุน่และอิสระสูง

20

อา้งอิงจาก http://javaboom.wordpress.com/

Peer-to-Peer Example in Network

• Napster Architecture▫ Centralized Indexing

▫ Centralized Searching

21

Peer-to-Peer Example in Network

• Gnutella & BitTorrent

22

สถาปัตยกรรมการท างานแบบ Client-Server ในลกัษณะ Web Based• การท างานแบบ Web Based นั้นมีลกัษณะการท างานแบบ Client-Server

แบ่งออกเป็น 3 ลกัษณะ ไดแ้ก่▫ 2-Tier Architecture – Application Server + DB

Server รวมอยูท่ี่เดียวกนั▫ 3-Tier Architecture – Application Server และ DB

Server แยกกนัอยูค่นละระบบ▫ n-Tier Architecture - หรือ multi-tier ลกัษณะน้ี Application

Server และ DB Server แยกกนัอยูค่นละระบบ รวมทั้งมี Frontend

Server เพื่อใหบ้ริการในการจ่ายงานไปยงัจุดต่าง ๆ ในลกัษณะแบ่งภาระงาน(Load Balancing) หรือมี Server ใหบ้ริการหลายตวัท างานร่วมกนั

23

สถาปัตยกรรมการท างานแบบ Web Based

• 2-Tier Architecture – Application Server + DB Server

รวมอยูท่ี่เดียวกนั

24

สถาปัตยกรรมการท างานแบบ Web Based

• 3-Tier Architecture – Application Server และ DB

Server แยกกนัอยูค่นละระบบ

25

สถาปัตยกรรมการท างานแบบ Web Based

• n-Tier Architecture - หรือ multi-tier มี Server ใหบ้ริการหลายตวั ( > 3 ระดบั) ท างานร่วมกนั

26

Virtualization Technology & Cloud

Computing

• เม่ือระบบเครือข่ายมีประสิทธิภาพมากข้ึน เม่ืออุปกรณ์คอมพิวเตอร์มีสมรรถนะเพิ่มข้ึน การใช้งานอุปกรณ์ใหเ้กิดประโยชน์สูงสุด ยอ่มน ามาซ่ึงความคุม้ค่าในการลงทุน ฉะนัน้จะท าอยา่งไรใหอุ้ปกรณ์ท่ีมีอยูใ่นระดบัเทพ..!! ถูกใชใ้หเ้กิดประโยชน์สูงสุด

• Virtualization Technology คืออะไร ใช่ค าตอบหรือไม่ และเก่ียวอะไรกบัค าวา่ Cloud Computing

27

Data center implementation

28

Total Cost of Ownership

• .

29

Purchasing cost20-25%

Post purchase/Maintenance cost75-80%

Data center implementation on Cloud

30

Introduction to Cloud Computing

(cont.)

• Overview Concept ▫ Package of computing resources, such as computation and

storage

▫ Service individual homes and offices across the country via

the network

▫ Readily available on demand

31

Computing Facilities(SW/HW/Network)

Access Provide

ProvidersConsumersPay for Accessing

IT Platform Evolution

• IT Platform Evolution

32

Picture from: Cloud Computing for Dummiesby John Hamrick

Introduction to Cloud Computing

(cont.)

• Mobility of Contents

33

Your Desktop on a Thin Client

Your Desktop on a SmartPhone

Your Desktop on an iMac

Your Desktop on a PC

As you move between devices, your desktop follows you!

*This slide from: Andre Coetzee in the presentation name “The Future of Technology”

Some of the key providers

• .

34

From: Courtesy Gravitant, Inc from Cloud Technology Spectrum

Hosted Instances

• Host Instances is the physical representation of a computer for running on a virtualization environment.▫ H/W Configuration on demand (RAM, CPU, HD

space, Network, etc.)

▫ Any OS, Applications

▫ Pay as you use

35

Sample of Instances Request

• .

36

Virtualization

• Virtualization, Why?

37

Optimized Resources

Virtualization (cont.)

• Virtualization is the ability to run multiple operating systems on a single physical system and share the underlying hardware resources.*▫ A Virtual machine (VM) is an isolated runtime

environment (guest OS and applications)

▫ Multiple virtual systems (VMs) can run on a single physical system

38

*VMware white paper, Virtualization Overview

Virtualization Architecture (cont.)

• .

39

*VMware white paper, Virtualization Overview

Virtualization (cont.)

• Hypervisor - A hypervisor, a.k.a. a virtual machine manager/monitor (VMM), or virtualization manager, is a program that allows multiple operating systems to share a single hardware host.▫ Controlling the host processor and resources, allocating

▫ To make sure that the guest operating systems (called virtual machines) cannot disrupt each other.

40

Type of Hypervisor

• Hypervisors in Virtualization

41

Picture from: http://www.cisco.com

Virtualization infrastructure

• .

42

Benefits of Virtualization in Cloud

Computing

• Consumers don’t need to own hardware

• Resources are rented as needed from Cloud providers

• The providers allow creating virtual servers▫ Choose the OS and software to run on each instance

▫ The VM will run on a large server farm

▫ Virtual server can initiate within a minute

• Pay per use

43

Software in the Cloud

• Two perspective of software in the cloud*

44

*Source: Software Architecture and the Cloud, Grace A. Lewis, Research, Technology and Systems Solutions

(RTSS) Program, SASI 2012

Services Models

• .

45

From : Cloud Security and Privacy by Mather and Kumaraswamy

Services Models (cont.)

• Data Privacy

46

*Source: Software Architecture and the Cloud, Grace A. Lewis, Research, Technology and Systems Solutions

(RTSS) Program, SASI 2012

What are the services?

• .

47

Picture from: http://info.apps.gov

Deployment Models

• .

48

Why isn’t everyone to use cloud?

• The cloud acts as a big black box, nothing inside the cloud is visible to the clients

• Clients have no idea or control over what happens inside a cloud

• Clouds are still subject to traditional data confidentiality, integrity, availability, and privacy issues, plus some additional attacks

49

Why isn’t everyone to use cloud? (cont.)

• .

50

Disadvantage of Cloud Computing

• Technical Issues▫ Possible downtime

▫ Lack of support

▫ Inflexibility – Locking into their proprietary application and format of services

• Security Issues▫ Prone to attack

▫ How safe is your data?

• Long-running cost – Does the cloud application have all the features that the software does and if not, are the missing features important to you?

51