Egy elképzelt CPU. A CPU fő részei. Intel 386. Dekódoló és Sínvezérlő. Regiszterek

Átírás

1 Számítógép architektúrák A processzor A mai program A CPU és részei ALU, regiszterek, vezérlő, sín, MMU. Utasításkészlet, CPU futási módok. Teljesítménymérés. Vadász, Ea A Neumann architektúra A fő komponensek A CPU: központi egység A (központi) tár (memória) Memória A perifériák, eszközök, I/O modulok A sín (busz) A működés általánosan: CPU A CPU veszi a soron következő gépi instrukciót és azt elemzi, végrehajtja. Ha kell, adatokat is vesz. Egyes instrukciók a perifériákat kezelik. sín I/O modulok Vadász, Ea

2 Egy elképzelt CPU ALU Belső sín Regiszterek Dekódoló és vezérlő Sínvezérlő Címgeneráló Vadász, Ea A CPU fő részei Nagyon általánosan a fő részek: az ALU (a számolómű) más néven végrehajtó egység (VE), a regiszterkészlet (tároló hierarchia csúcs), a dekódoló-vezérlő egység, a sínkezelő, címgeneráló, védelmi egység, a sínvezérlő egység. Ennél bonyolultabb is lehet! Pl. lehet több ALU stb. Vadász, Ea Prefetch Unit MMU Paging Unit Bus Interface Unit Execution Unit Segment Unit Instruction Decode Unit BUS ALU Registers Protection Test Unit Control Unit Vadász, Ea

3 MIPS R CP Master Pipeline / Bus Control CPU Exeption/Control Registers MMU Registers TLB Local Control Logic General Regs ALU Shifter Multipier/Divider Address Adder PC Incrementer Address Bus Data Bus Vadász, Ea 7 Az R-es regiszterei Általános célú regiszterek Szorzás/osztás regiszterei Utasítás számláló r r HI LO PC r Ezekből: r: hardveresen bedrótozott -t tartalmaz r: link regiszter a jump-and-link instrukcióhoz Vadász, Ea SYSTEM COPROCESSOR REGISZTEREI EntryHi EntryLo Status Index Context TLB Random Cause EPC PRld 7 NotAccessedbyRandom BadVAddr Ezeket a virtuális memória rendszer használja Ezeket a kivételkezelés használja Vadász, Ea

4 Az ALU Aritmetikai és logikai egység Néhány (alapvető) műveletet (operációt) képes végrehajtani Összeadás, kivonás, fixpontos szorzás, osztás, léptetések, összehasonlítások (logikai műveletek). Később az instrukciókat nézzük A lebegőpontos aritmetika? Néha külön processzor erre. Vadász, Ea A regiszterek A CPU belső tárolói. Leggyorsabb elérés. Munkamemóriát biztosítanak a CPU számára, segítik a címképzést, segítik a vezérlést (pl. státus jellemzőket tárolva). Többnek van neve (a programozó használhatja) Különböző hosszúságúak (bitszélességűek), átlapolások lehetnek köztük. Vadász, Ea A regiszterek osztályai (Programozási) felhasználási lehetőség szerint Programozó számára látható (user visible): alkalmazások és a rendszerprogramok is használhatják. Ezen belül felhasználási mód szerint általános (bármely instrukcióban használható), speciális (csak bizonyos instrukciókban használhatók). Korlátozott használatú: a processzor, esetleg operációs rendszer magja használhatja Vadász, Ea

5 A regiszterek osztályai Felhasználási cél szerint Adatregiszterek, címregiszterek, Veremmutató regiszter (SP) (a verem tetejét mutatja) Indexregiszter (bázis cím + index adja a címet), Szegmensregiszter (szegmens cím és eltolás ad címet) Címleképző táblá(ka)t mutató regiszter(ek) Vezérlő (speciális célú) regiszterek Programszámláló regiszter (PC: Program Counter; IP: Instruction Pointer) Instrukció-tároló regiszter (IR) Állapot regiszter (PSW: Program Status Word) Vadász, Ea Az állapot regiszter Az állapot regiszter a CPU belső állapotát tükröző állapotbiteket foglalja össze: feltétel bitek vagy flag-ek (átvitel, zero, előjel, túlcsordulás stb.), melyek az instrukciók végrehajtása végén bebillennek v. sem. Üzemmód bitek (user/kernel mode) és az IT maszk (IT enable/disable). A PSW és PC együtt alkot(hat)ja a PSLW-t (Program Status Longword). A processzor és az intrukció folyam állapotáról minden fontos információ megvan benne. Vadász, Ea A vezérlő és dekódoló egység A felhozott gépi instrukciót elemzi, dekódolja (pl. megállapítja, milyen mikrokódokat kell majd használni), vezérli a CPU többi egységét (pl. az utasításokat kibocsátja). A CPU sínje A CPU-n belüli adatforgalmat biztosító áramkörök. Vadász, Ea

6 A címképző és a sínvezérlő egység A címképző és védelmi egység feladata a logikai (virtuális) címből a valós (fizikai) címek leképzésének segítése Ebben részegység lehet a TLB (Translation Lookaside Buffer) Részegység lehet a szegmenskezelést, a lapozást segítő MMU elem Lehet benne speciális védelmi alegység A sínvezérlő feladata az instrukciók felhozatala (fetch) a memóriából, az adatok tényleges mozgatása memóriából (load), memóriába (store), I/O modulokból (in) és modulokba (out). Vadász, Ea A gyorsítótárak Korszerű architektúrákban cache memória Instrukció gyorsítótár (I-Cache) Adat gyorsítótár (D-Cache) A be-kitöltések a gyorsítótárból történnek, de ezt a tárgyalás során néha figyelmen kívül hagyjuk A gyorsítótárakról később lesz szó Vadász, Ea 7 Egy elképzelt mikroprocesszor Van A, B, C, Test és IP regisztere A jobboldali listán felsoroljuk az instrukciókészletét 7 címeken PROM - címeken RAM Az alábbi programot a=; f=; while (a <= ) { f = f * a; a = a + ; } LOAD reg,mem //reg (mem) CON reg,const //reg const SAVE reg,mem //mem (reg) ADD r,r,r //r (r) + (r) MUL r,r,r //r (r) * (r) COMP r,r //T (r) > (r) JUMP mem IP mem JG mem ha t, akkor IP mem STOP Stop execution stb. Vadász, Ea

7 // Assume a is at address // Assume f is at address CON B, // a=; SAVE B, CON B, // f=; SAVE B, LOAD A, // if a > CON B, COMP A,B 7 JG 7 LOAD A, // f=f*a; A programunk LOAD B, MUL C,A,B SAVE C, LOAD A, // a=a+; CON B, ADD C,A,B SAVE C, JUMP // loop back to if 7 STOP a=; f=; while (a <= ) { f = f * a; a = a + ; } Vadász, Ea Az utasításkészlet A CPU architektúra specifikálja a készletet Egy instrukció: Kód Címrész Címrész Több címzési mód lehetséges direkt és indirekt memória címzés, direkt regiszter címzés, indirekt regiszter címzés, Normális, továbbá pre/post auto de/inkremens címzések, relatív címzés, közvetlen címzés. A kétoperandusú instrukció típusok az operandusok szerint Register-to-register ( olcsóbb ) Register-to-memory ( drágább ) Register-to-I/O A memória címek logikai címek. Az MMU segíti a fizikai címre való leképzést. Vadász, Ea Címzési módok Direkt memória címzés CIMRÉSZ memória rekesz operandus Indirekt memória címzés CIMRÉSZ memória rekesz operandus címe operandus Direkt regiszter címzés CIMRÉSZ regiszter operandus Indirekt regiszter címzés CIMRÉSZ regiszter operandus címe operandus [++ --]SP regiszter[++ --] operandus címe operandus Relatív címzés CIMRÉSZ regiszter,eltolás operandus címe + eltolás operandus Közvetlen címzés CÍMRÉSZ operandus Vadász, Ea 7

8 Instrukció csoportok Aritmetikai és logikai instrukciók ADD SUB MUL DIV AND OR XOR NOT NEG COMPL TEST COMPARE Bitléptetések forgatások, inkrementáció, dekrementáció SHIFT SLL SLR SLA SRA RCL RCR ROL ROR INC DEC Vadász, Ea További instrukció csoportok Adatmozgató instrukciók LOAD STORE LB LW SB SW... MOVE IN OUT Veremkezelő instrukciók PUSH POP PUSHALL POPALL Vadász, Ea További csoportok Ugrások, elágazások Feltétel nélküli: JUMP BRANCH Feltételes: J(felt): JZ JS JC... BZ BS BC... Vadász, Ea

9 És még további csoportok Ciklusszervező instrukciók LOOP REP Hívások, visszatérések, processz-kapcsolás CALL RET IT IRET BREAK WAIT NOP PMTSW Társprocesszor instrukciók FINIT FLD FST FADD FSUB FMUL... FWAIT Vadász, Ea A verem, veremkezelő instrukciók A verem (stack) absztrakt adatszerkezet, de a mai processzorok támogatják egy megvalósításukat. Ma a központi memória szegmensein. A MOVE instrukciók is kezelhetik: sérülnek az absztrakt peremfeltételek. Nézzük az ábrát! Ebben a PUSH/POP hatását, az SP változását! Vadász, Ea Veremtár PUSH X POP X full SP full SP full SP empty empty empty Vadász, Ea 7

10 Az MMU Memoria Management Unit feladatai Segíteni a logikai-fizikai címleképzést, címaritmetika a hardverben, szorosan együttműködve az OS-sel. néha TLB-t használva. segíteni a memóriavédelmet. Együttműködni a buszvezérlővel. Igazán csak az OS memóriamenedzseléssel együtt érthető, ezért halasztjuk... Ismét említjük: a memória elérés a gyorsítótárakon keresztül történik Vadász, Ea A processzorok működési módjai Legalább két módot elvárunk (sokszor több is) normál (user) mód, védett (kernel) mód. Privilegizáltabb. Az egyre privilegizáltabb módokban: szélesebb az instrukciókészlet, szélesebb a címtartomány. A módváltás: a trap. OS vezérelt feladat. Mindig nyilvántartott az aktuális mód. Vadász, Ea Híres processzorok Pentium II, III, Celeron, Xeon, IV Itanium MIPS R,,,,, DEC Alpha,, A IBM RS II, Power, Power-II HP PA-RISC SUN Sparc, SuperSPARC, UltraSPARC II Vadász, Ea

11 mikroprocesszor történelem Name Pentium Pentium II Pentium III Pentium Date Transistors,,, 7,,,,, 7,,,, Microns..... Clock speed Data width bits bits -bit bus bits bits bits bits -bit bus bits -bit bus bits -bit bus MIPS.. ~ ~,,.. GHz bits -bit bus ~,7 Vadász, Ea A CPU teljesítmény mérése A CPU ciklusok. Miért? A ciklusidő. Egy gépi instrukció végrehajtására,, néhányszáz ciklus kellhet. IA példák. A működési frekvencia növelése csökkenti a ciklusidőt. Hol a határ? Technológiafüggés. idő-per-feladat = C * T * I ahol: C az utasításokra eső ciklusok száma, T a ciklus ideje, I a feladatra eső utasítások száma. Vadász, Ea A MIPS teljesítménymérés Millió instrukció per szekundum: MIPS MIPS i = /(T * C i ) ahol i az i-edik instrukció. De melyik? Nagy eltérések a szükséges ciklusok számában! Egyszerű ugyan, de sohasem írunk csakis i-edik instrukciókból álló programot. Lehet súlyozott átlagot adni, de mi legyen a súlyozás? Vadász, Ea

12 A szabványos terhelésosztályok Adott típusú (integrális aritmetikai, lebegőpontos aritmetikai, grafikus, tranzakciós stb.) feladathoz terhelőprogramok (benchmark), és azt futtatva mérnek, azt statisztikázva súlyoznak. Különböző terhelésosztályok és metrikák Whetstone, Livermore Loops, Dhrystone, Linpack benchmarkok. TPC Benchmark A SPEC Vadász, Ea SPEC: Standard Performance Evaluation Corporation -ben alapították. Nonprofit szervezet. SPEC_ratio, VAX-7 a viszonyító gép -től: SPECint: normalizált integer teszt geom. átl. SPECfp: normalizált lebegőpontos teszt g. átl. -től (viszonyító: SPARCstation /) SPECint (CINT): teszt, erős optimálás, speed SPECint_rate_base: teszt, teljesítmény (több processzoros gépek összevetése is), normál optimálás SPECfp: normalizált teszt, speed SPECfp_base: normál optimálás, sebesség stb. Vadász, Ea SPEC CPU CINT ( terhelésosztály geometriai átlaga, metrika) SPECint: peak speed SPECint_base: speed, konzervatív optimáló compiler SPECint_rate: throughput peak SPECint_rate_base: throughput konzerv. opt. CFP ( terhelésosztály, metrika) SPECfp: SPECfp_base: SPECfp_rate: SPECfp_rate_base: Vadász, Ea

13 SPECint, SPECfp AI, go játék MotoK chip szimul. CC verzió kompesszáló-dekompr. LISP interpreter jpeg graf kompressdekompr AB kezelő végeselem hálógeneráló hullámzó víz modell (* griden) Monte Carlo szimuláció hidrodinamikai egyenletek D feszülts. mező számítás parciális diff. egy. megoldás szimulált turbulencia számítás meteorológiai modell quantum kémiai probléma plazmafizikai probléma Vadász, Ea 7 IDEAS Top Performers IDEAS Top Performers - SPECint IDEAS Top Performers - SPECint - SPECint - Single CPU Subset IDEAS Top Performers - SPECint_rate IDEAS Top Performers - SPECfp_rate IDEAS Top Performers - iocomp (Full List) Vadász, Ea. április Vadász, Ea

14 . március Vadász, Ea IDEAS Top Performers - SPECint. március R A N K System # C P U Processor Re Su lt Ba se line Test Date IBM Corporation IBM eserver pseries Turbo POWER 7 Nov- Precision WorkStation (. GHz P) Pentium 7 Jan- Precision WorkStation (. GHz Xeon) Xeon 7 Jan- Precision WorkStation (. GHz P) Pentium 7 Jan- Precision WorkStation (. GHz Xeon) Xeon 7 Jan- Corporation DMD motherboard (. GHz, Pentium processor) Pentium processor (. GHz, bus) 7 77 Nov- 7 Precision WorkStation (.A GHz P) Pentium 7 7 Jan- Precision WorkStation (. GHz Xeon) Xeon 77 7 Jan- Precision WorkStation (.A GHz P) Pentium 7 7 Jan- Precision WorkStation (. GHz Xeon) Xeon 7 7 Jan- Corporation DMD motherboard (.A GHz, Pentium processor) Pentium processor (.A GHz, bus) 7 7 Nov- Advanced Micro Devices Epox KHA+ Motherboard, AMD Athlon (TM) XP + AMD Athlon (TM) XP Jan- Advanced Micro Devices Epox KHA+ Motherboard, AMD Athlon (TM) XP + AMD Athlon (TM) XP Oct- Compaq Computer Corporation AlphaServer ES Model / Alpha C 7 Jun- Advanced Micro Devices Epox KHA+ Motherboard, AMD Athlon (TM) XP + AMD Athlon (TM) XP + 7 Oct- Vadász, Ea R IDEAS Top Performers - SPECint () System # Processzor Result Basee Date 7 Corporatio n Corporatio n Fujitsu Siemens C Corporatio n Precision WorkStation (. Pentium ( system bus) GHz P) DEMVR motherboard Pentium Processor with HT (. GHz, Pentium Technology (. GHz, processor with HT bus) Technology) Precision WorkStation (. Pentium ( system bus) GHz P) Precision WorkStation (. Pentium ( system bus) GHz P) DEMVR motherboard Pentium processor (. GHz, (. GHz, Pentium bus) processor) Precision WorkStation (. Pentium ( system bus) GHz P) Xeon processor (. GHz, CELSIUS R bus) Sep- Precision WorkStation (. Pentium ( system bus) GHz P) DEMVR motherboard Jul- Pentium processor (.7 GHz, (.7 GHz, Pentium Vadász, bus) processor) Ea Nov- Aug- Nov- Nov- Jul- Nov- Feb-

15 # IDEAS Top Performers - SPECint ( március) Rank System C Processor P U Pea k Res ult Basel ine Test Date Corporation D7PBZ motherboard (AA-)(. GHz, Pentium Processor with HT Technology Extreme Edition) Pentium Processor with HT Technology Extreme Edition (. GHz, bus) 7 Jan- Corporation D7PBZ (AA-) motherboard (. GHz, Pentium processor with HT Technology Extreme Edition) Pentium Processor with HT Technology Extreme Edition (. GHz, bus) Sep- Precision Workstation (. GHz Pentium Extreme Edition) Pentium ( system bus) 7 Feb- IBM Corporation ION Computer Systems Advanced Micro Devices Precision Workstation Xeon ( Jan- (. GHz Xeon, MB L system bus) Cache) IBM x(.ghz, MHZ Feb- Xeon processor 7 FSB) Precision Workstation Pentium ( Nov- (. GHz Pentium Extreme system bus) Edition) SRWV (.GHz Xeon Xeon processor, Feb- processor w. MB L cache) system bus ASUS SKN Motherboard, Nov- AMD Opteron (TM) 77 AMD Opteron (TM) Vadász, Ea Precision Workstation Pentium ( Jan- ( GHz Pentium ) system bus) IDEAS Top Performers - SPECint ( március) R a n k Compan y System # CPU Processor Peak Base Dat e Corporati on (R) DXECV motherboard(.7 GHz, (R) Pentium(R) processor Extreme Edition supporting Hyper- Threading Technology) core, chip, core/chip (Hyper- Threading Technology enabled) (R) Pentium(R) processor Extreme Edition supporting Hyper-Threading Technology(.7 GHz, bus) 7 7 Dec - Advanced Micro Devices MSI KN Neo Platinum Motherboard, AMD Athlon (TM) FX- core, chip, core/chip AMD Athlon (TM) FX- (ADAFXDEIAS) 7 Sep - Corporati on (R) DXECV motherboard(. GHz, (R) Pentium(R) processor supporting Hyper-Threading Technology) (R) Pentium(R) processor supporting Hyper- Threading Technology (. GHz, bus) core, chip, core/chip (Hyper- Threading Technology enabled) 7 7 Nov - Vadász, Ea. március Vadász, Ea

16 Rank 7 Fujitsu Limited Fujitsu Siemens Computers Hewlett Packard Corporation Fujitsu Limited Fujitsu Siemens Computers Hewlett Packard Compaq Computer Corporation Hewlett Packard Corporation IDEAS Top Performers - SPECint_rate ( március) Ran k System # CPU Processor Result Baseline Test Date Origin X RA RA Aug- Origin X Rk R Nov- Origin X Rk R 7 Feb- Origin X Rk R Nov- Fujitsu Limited PRIMEPOWER (7) SPARC GP 7 Sep- Fujitsu Siemens Computers PRIMEPOWER (7) SPARC GP 7 Sep- 7 Origin X Rk R 7 Aug- Hewlett-Packard Hewlett-Packard IDEAS Top Performers - SPECint_rate ( március) Ra nk System # CP U Processor Result Baseli ne Test Date Origin X RA RA Aug- Origin X Rk R Nov- Hewlett-Packard HP Integrity Superdome -way ( Itanium ) Itanium Aug- Altix (, Itanium ) Itanium Sep- Altix (, Itanium ) Itanium 7 Dec- 7 Hewlett-Packard Fujitsu Limited IDEAS Top Performers - SPECint_rate. március # Resu Base Test System Processor CPU lt line Date Origin X Rk R Nov- Origin X Rk R Nov- SPARC PRIMEPOWER (7) 7 Sep- GP SPARC PRIMEPOWER (7) 7 Sep- GP Origin X Rk R 7 Aug- X Rk R 77 May- HP Superdome -way (7 PA-7) PA Aug- SPARC PRIMEPOWER (7) Sep- GP SPARC PRIMEPOWER (7) Sep- GP Origin X Rk R 7 May- X Rk R 7 Aug- HP Superdome -way ( PA- PA- 7 Mar- ) Origin X Rk R Jul- Alpha AlphaServer GS Model / Jun- C HP Superdome -way (7 PA-7) PA-7 Sep- Vadász, Ea May- X Rk R 77 PA- HP Superdome -way (7 PA-7+) 7 Jun- + HP Superdome -way (7 Vadász, PA-7) PA Ea Aug- 7 Feb- Origin X Rk R 7 Altix (, Itanium ) Jun- Itanium Nov- Origin X Rk R Alpha AlphaServer GS Model 7 Jun- SPARC Sep- PRIMEPOWER (7) 7 GP Vadász, Ea

17 Compan y System # CPU Processor R B Dat e Altix 7 Bx ( M L, Itanium ) cores, chips, core/chip Itanium Nov - Altix (, Itanium ) cores, chips, core/chip Itanium 7 Apr - Altix 7 Bx (, Itanium ) cores, chips, core/chip Itanium 7 Dec - Origin X RA RA Aug - Origin X Rk R Nov - 7 Hewlett- Packard IBM HP Integrity Superdome (.GHz/MB Itanium, cells) IBM eserver p (, CPU) cores, chips, core/chip cores, chips, cores/chip (SMT on) Itanium (.GHz/MB, FSB) POWER 7 Jan - Oct - Altix 7 Bx ( M L, Itanium ) cores, chips, core/chip Itanium Oct - Hewlett- Packard HP Integrity Superdome -way ( Itanium ) Itanium Aug - Altix (, Sep Itanium Itanium ) - Vadász, Ea IDEAS Top Performers - SPECint_rate ( március). március Vadász, Ea IDEAS Top Performers - icomp Processor Pentium III - GHz Pentium III - Pentium III - icomp Inde x. icomp Ind ex. icomp Index. Pentium II - Pentium II - Celeron - Pentium II - Pentium II - Celeron - Est. Est. Pentium III - Pentium III - 7 Pentium III - 7 Pentium II - Celeron - Pentium II - Celeron - A Pentium II - 7 Pentium III - Pentium III - E Pentium III - Pentium III - Pentium III - Pentium III - Pentium II - Pentium II Celeron - Pentium Pro - Celeron - Pentium - (MMX) Pentium Pro - 7 Pentium - (MMX) Pentium - (MMX) Pentium - (MMX) Pentium - Vadász, Ea Pentium - 7 7