Számítógép architektúrák. A mai program. A Neumann architektúra. A processzor

Átírás

1 Számítógép architektúrák A processzor A mai program A CPU és részei ALU, regiszterek, vezérlő, sín, MMU. Utasításkészlet, CPU futási módok. Teljesítménymérés. Vadász, 7 Ea A Neumann architektúra A fő komponensek CPU A CPU: központi egység A (központi) tár (memória) Memória A perifériák, eszközök, I/O modulok A sín (busz) A működés általánosan: 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, 7 Ea

2 Egy elképzelt CPU ALU Belső sín Regiszterek Dekódoló és vezérlő Sínvezérlő Címgeneráló Vadász, 7 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, 7 Ea CPU blokk-diagram central_processing_unit Vadász, 7 Ea 6

3 86 Prefetch Unit MMU Paging Unit Bus Interface Unit Execution Unit Segment Unit Instruction Decode Unit BUS ALU Registers Protection Test Unit Control Unit Vadász, 7 Ea 7 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, 7 Ea 8 A Pentim II elsődleges regiszterei Vadász, 7 Ea 9

4 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, 7 Ea SYSTEM COPROCESSOR REGISZTEREI EntryHi EntryLo Status 6 Index Context TLB Random Cause EPC PRld 8 7 NotAccessedbyRandom BadVAddr Ezeket a virtuális memória rendszer használja Ezeket a kivételkezelés használja Vadász, 7 Ea 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, 7 Ea

5 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, 7 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, 7 Ea 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, 7 Ea

6 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 instrukció folyam állapotáról minden fontos információ megvan benne. Vadász, 7 Ea 6 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, 7 Ea 7 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, 7 Ea 8 6

7 A gyorsító-tárak Korszerű architektúrákban cache memória Instrukció gyorsítótár (I-Cache) Adat gyorsítótár (D-Cache) A be-kitöltések a gyorsító-tárból történnek, de ezt a tárgyalás során néha figyelmen kívül hagyjuk A gyorsító-tárakról később lesz szó Vadász, 7 Ea 9 Az IA- architektúra: Vadász, 7 Ea Egy elképzelt mikroprocesszor Van A, B, C, Test és IP regisztere A jobboldali listán felsoroljuk az instrukciókészletét 7 címeken PROM 8 - 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, 7 Ea 7

8 // Assume a is at address 8 // Assume f is at address 9 CON A, // a=; SAVE A,8 CON B, // f=; SAVE B,9 LOAD A,8 // if a > CON B, 6 COMP A,B 7 JG 7 8 LOAD B,9 // f=f*a; A programunk 9 LOAD A,8 MUL C,A,B SAVE C,9 LOAD A,8 // a=a+; CON B, ADD C,A,B SAVE C,8 6 JUMP // loop back to if 7 STOP a=; f=; while (a <= ) { f = f * a; a = a + ; } Vadász, 7 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, 7 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, 7 Ea 8

9 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, 7 Ea További instrukció csoportok Adatmozgató instrukciók LOAD STORE LB LW SB SW... MOVE IN OUT Veremkezelő instrukciók PUSH POP PUSHALL POPALL Vadász, 7 Ea 6 További csoportok Ugrások, elágazások Feltétel nélküli: JUMP BRANCH Feltételes: J(felt): JZ JS JC... BZ BS BC... Vadász, 7 Ea 7 9

10 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, 7 Ea 8 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, 7 Ea 9 Veremtár PUSH X POP X full SP full SP full SP empty empty empty Vadász, 7 Ea

11 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, 7 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, 7 Ea Híres processzorok Pentium II, III, Celeron, Xeon, IV Itanium AMD Opteron, Turion, Athlon MIPS R,,,, DEC Alpha 6, 6, 6A, 6 IBM RS6 II, Power, Power-II, Power HP PA-RISC 8, 89 SUN Sparc, SuperSPARC, UltraSPARC IV Vadász, 7 Ea

12 mikroprocesszor történelem Name Pentium Pentium II Pentium III Pentium Date Transistors 6, 9,, 7,,,,, 7,, 9,, Microns Clock speed MHz MHz 6 MHz 6 MHz MHz 6 MHz MHz MHz Data width 8 bits 6 bits 8-bit bus 6 bits bits bits bits 6-bit bus bits 6-bit bus bits 6-bit bus MIPS.6. ~ ~,,.8. GHz bits 6-bit bus ~,7 Vadász, 7 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, 7 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, 7 Ea 6

13 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, 7 Ea 7 SPEC: Standard Performance Evaluation Corporation 989-ben alapították. Nonprofit szervezet. SPEC_ratio, VAX-78 a viszonyító gép 99-től: SPECint9: 8 normalizált integer teszt geom. átl. SPECfp9: normalizált lebegőpontos teszt g. átl. 99-től (viszonyító: SPARCstation /) CINT9 CFP9 -től CINT ( teszt, metrika) CFP ( tesz, metrika) Vadász, 7 Ea 8 SPEC CPU 6 Viszonyító gép: Sun UltraSparc II., 96 MHz CINT6 ( teszt, metrika) szövet SPECint6 SPECint_base6 SPECint_rate6 SPECint_rate_base6 CFP6 ( teszt, metrika) szövet SPECfp6 SPECfp_base6 SPECfp_rate6 SPECfp_rate_base6 Vadász, 7 Ea 9

14 A metrikák A sebesség metrikák (nincs rate ): egy processzoros gépek összevetésére. (A teszt mennyi idő alatt fut le.) (név nélkül, peak): agresszív optimalizáló fordítókkal base: konzervatív fordítás Átbocsátó képesség (throughput) metrikák (rate): sokprocesszoros gépek összehasonlítására. (A tesztet sok példányban futtatják, és mérik, hogy időegység alatt hány példány fut le.) (név nélkül, peak): agresszív optimalizáló fordítókkal base: konzervatív fordítás Vadász, 7 Ea SPECint, SPECfp AI, go játék Moto88K 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, 7 Ea IDEAS Top Performers IDEAS Top Performers - SPECint Benchmark menüpont, SPEC almenüpont... Vadász, 7 Ea

15 . április Vadász, 7 Ea. március Vadász, 7 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 69 Turbo POWER 8 79 Nov- Precision WorkStation (. GHz P) Pentium 8 79 Jan- Precision WorkStation (. GHz Xeon) Xeon Jan- Precision WorkStation (. GHz P) Pentium Jan- Precision WorkStation (. GHz Xeon) Xeon 8 78 Jan- 6 Corporation D8MD motherboard (. GHz, Pentium processor) Pentium processor (. GHz, MHz bus) Nov- 7 Precision WorkStation (.A GHz P) Pentium Jan- 8 Precision WorkStation (. GHz Xeon) Xeon Jan- 9 Precision WorkStation (.A GHz P) Pentium 7 7 Jan- Precision WorkStation (. GHz Xeon) Xeon 7 7 Jan- Corporation D8MD motherboard (.A GHz, Pentium processor) Pentium processor (.A GHz, MHz bus) 7 7 Nov- Advanced Micro Devices Epox 8KHA+ Motherboard, AMD Athlon (TM) XP + AMD Athlon (TM) XP Jan- Advanced Micro Devices Epox 8KHA+ Motherboard, AMD Athlon (TM) XP 9+ AMD Athlon (TM) XP Oct- Compaq Computer Corporation AlphaServer ES Model 68/ Alpha 6C Jun- Advanced Micro Devices Epox 8KHA+ Motherboard, AMD Athlon (TM) XP 8+ AMD Athlon (TM) XP Oct- Vadász, 7 Ea

16 R IDEAS Top Performers - SPECint () System # Processzor Result Basee Date Corporatio n Corporatio n Fujitsu Siemens C Corporatio n Precision WorkStation (.6 Pentium ( MHz system bus) GHz P) D8EMVR motherboard Pentium Processor with HT (.6 GHz, Pentium Technology (.6 GHz, MHz processor with HT bus) Technology) Precision WorkStation (.6 Pentium ( MHz system bus) GHz P) Precision WorkStation (.8 Pentium ( MHz system bus) GHz P) D8EMVR motherboard Pentium processor (.8 GHz, (.8 GHz, Pentium MHz bus) processor) Precision WorkStation (.66 Pentium ( MHz system bus) GHz P) Xeon processor (.8 GHz, MHz CELSIUS R6 bus) # IDEAS Top Performers - SPECint ( március) Rank System C Processor P U Pea k Res ult Basel ine Test Date Corporation D87PBZ motherboard (AA-6)(. GHz, Pentium Processor with HT Technology Extreme Edition) Pentium Processor with HT Technology Extreme Edition (. GHz, 8 MHz bus) Jan- Corporation D87PBZ (AA-6) motherboard (. GHz, Pentium processor with HT Technology Extreme Edition) Pentium Processor with HT Technology Extreme Edition (. GHz, 8 MHz bus) 6 8 Sep- Precision Workstation 6 (. GHz Pentium Extreme Edition) Pentium (8 MHz system bus) 6 7 Feb IBM Corporation ION Computer Systems Advanced Micro Devices Sep- Precision WorkStation (.8 Pentium ( MHz system bus) GHz P) D8EMVR motherboard Jul- Pentium processor (.67 GHz, (.67 GHz, Pentium Vadász, 7 MHz bus) processor) Ea 6 Nov- Aug- Nov- Nov- Jul- Nov- Feb- Precision Workstation 6 Xeon ( MHz Jan- (. GHz Xeon, MB L 6 system bus) Cache) IBM x(.ghz, MHZ Feb- Xeon processor 7 8 FSB) Precision Workstation 6 Pentium (8 Nov- (. GHz Pentium Extreme 6 MHz system bus) Edition) SRWV (.GHz Xeon Xeon processor, Feb- processor w. MB L cache) MHz system bus ASUS SK8N Motherboard, Nov- AMD Opteron (TM) 8 77 AMD Opteron (TM) 8 Vadász, 7 Ea 7 Precision Workstation 6 Pentium (8 Jan- 69 ( GHz Pentium ) MHz system bus) IDEAS Top Performers - SPECint ( március) R a n k Compan y System # CPU Processor Peak Base Dat e Corporati on (R) D9XECV 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, 66 MHz bus) Dec - Advanced Micro Devices MSI K8N Neo Platinum Motherboard, AMD Athlon (TM) 6 FX- core, chip, core/chip AMD Athlon (TM) 6 FX- (ADAFXDEIAS) 8 7 Sep - Corporati on (R) D9XECV motherboard(.6 GHz, (R) Pentium(R) processor 66 supporting Hyper-Threading Technology) (R) Pentium(R) processor 66 supporting Hyper- Threading Technology (.6 GHz, 8 MHz bus) core, chip, core/chip (Hyper- Threading Technology enabled) 78 7 Nov - Vadász, 7 Ea 8 6

17 IDEAS Top Performers - SPECint (6. február) System #CPU Processor Result Baseline Test Date Advanced Micro Devices ASUS A8N-SLI Deluxe, AMD Athlon (TM) 6 FX-7 core, chip, core/chip AMD Athlon (TM) 6 FX Jun- Advanced Micro Devices TYAN Tomcat K8E (S86), AMD Opteron (TM) core, chip, core/chip AMD Opteron (TM) (99- pin) Aug- Hewlett- Packard ProLiant DL8 (AMD Opteron (TM) ) core, chip, core/chip AMD Opteron (TM) 9 87 Aug- Fujitsu Siemens Computers CELSIUS H, Pentium M 78 core, chip, core/chip Pentium M 78 (.6 GHz) 89 8 Jul- Vadász, 7 Ea 9. március Vadász, 7 Ea Rank 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 # Resu Base Test System Processor CPU lt line Date Origin 8 6X MHz Rk 6 R 89 Nov- Origin 8 8X MHz Rk 8 R 6 8 Nov- SPARC6 PRIMEPOWER (67MHz) 8 7 Sep- GP SPARC6 PRIMEPOWER (67MHz) 8 7 Sep- GP Origin 8 8X MHz Rk 8 R 79 Aug- 8 8X MHz Rk 8 R 77 9 May- HP Superdome 6-way (7MHz PA-87) 6 PA Aug- SPARC6 PRIMEPOWER (67MHz) Sep- GP SPARC6 PRIMEPOWER (67MHz) Sep- GP Origin 8 6X MHz Rk 6 R 7 96 May- 6X MHz Rk 6 R Aug- HP9 Superdome 6-way (MHz PA- 6 PA Mar- 86) Origin 8 6X MHz Rk 6 R 9 Jul- Alpha AlphaServer GS Model 68/ 8 Jun- 6C HP Superdome -way (7MHz PA-87) PA Sep- Vadász, 7 Ea 7

18 IDEAS Top Performers - SPECint_rate ( március) Ran k System # CPU Processor Result Baseline Test Date Origin 8 6X 6MHz RA 6 R A Aug- Origin 8 6X MHz Rk 6 R 89 Nov- Origin 8 8X 6MHz Rk 8 R 7 69 Feb- Origin 8 8X MHz Rk 8 R 6 8 Nov- Fujitsu Limited PRIMEPOWER (67MHz) 8 SPARC6 GP 7 Sep- 6 Fujitsu Siemens Computers PRIMEPOWER (67MHz) 8 SPARC6 GP 7 Sep- 7 Origin 8 8X MHz Rk 8 R 79 Aug X MHz Rk 8 R 77 9 May- 9 Hewlett-Packard HP Superdome 6-way (87MHz PA-87+) 6 PA Jun- Hewlett-Packard HP Superdome 6-way (7MHz Vadász, PA-87) 7 6 PA Ea Aug- IDEAS Top Performers - SPECint_rate ( március) Ra nk System # CPU Processor Result Baseli ne Test Date Origin 8 6X 6MHz RA 6 RA Aug- Origin 8 6X MHz Rk 6 R 89 Nov- Aug- Hewlett- Packard HP Integrity Superdome 6-way ( MHz Itanium ) 6 Itanium 9 9 Altix (MHz, Itanium ) 6 Itanium 8 Sep- Altix (MHz, Itanium ) 6 Itanium 7 Dec- 6 Origin 8 8X 6MHz Rk 8 R 7 69 Feb- 7 Altix (MHz, Itanium ) 6 Itanium 6 6 Jun- 8 Origin 8 8X MHz Rk 8 R 6 8 Nov- Vadász, 7 Ea Compan y System # CPU Processor R B Dat e Altix 7 Bx (6MHz 6M L, Itanium ) 8 cores, 8 chips, core/chip Itanium 96 Nov - Altix (MHz, Itanium ) 8 cores, 8 chips, core/chip Itanium 7 Apr - Altix 7 Bx (MHz, Itanium ) 8 cores, 8 chips, core/chip Itanium 7 Dec - Origin 8 6X 6MHz RA 6 RA Aug - Origin 8 6X MHz Rk 6 R 89 Nov - 6 Hewlett- Packard HP Integrity Superdome (.6GHz/9MB Itanium, 6 cells) 6 cores, 6 chips, core/chip Itanium (.6GHz/9MB, MHz FSB) 8 8 Jan - 7 IBM IBM eserver p 9 (9 MHz, 6 CPU) 6 cores, chips, cores/chip (SMT on) POWER 7 6 Oct - 8 Altix 7 Bx (6MHz 9M L, Itanium ) 6 cores, 6 chips, core/chip Itanium Oct - Vadász, 7 Ea IDEAS Top Performers - SPECint_rate ( március) 8

19 Számítógép architektúrák A processzor VÉGE 9