SZÁMÍTÓGÉPEK, SZÁMÍTÓGÉPRENDSZEREK Hardver architektúrák, a CPU. előadás Ea A mai program és részei ALU, regiszterek, vezérlő, sín, MMU. Utasításkészlet, CPU futási módok. Teljesítménymérés és fokozás. Híres processzorok felvillantva. Ea A Neumann architektúra A fő komponensek CPU sín : központi egység A (központi) tár (memória) Memória I/O modulok A perifériák, eszközök, I/O modulok A sín (busz) A működés általánosan: veszi a soron következő gépi instrukciót és azt elemzi, végrehajtja. Ha kell, adatokat is vesz. Egyes instrukciók a perifériákat kezelik. Ea
Egy elképzelt CPU ALU Belső sín Regiszterek Dekódoló és vezérlő Sínvezérlő Címgeneráló Ea fő részei Nagyon általánosan a fő részek: az ALU (a számolómű), 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. Ea Prefetch Unit MMU Paging Unit Bus Interface Unit Execution Unit Segment Unit Instruction Decode Unit BUS ALU Registers Protection Test Unit Control Unit Ea
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 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 Ea SYSTEM COPROCESSOR REGISZTEREI EntryHi EntryLo Status Index Context TLB Random Cause EPC PRld 7 Not Accessed by Random Ezeket a virtuális memória rendszer használja BadVAddr Ezeket a kivételkezelés használja Ea 9
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. Ea A regiszterek 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. 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 OS kernel használhatja 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) 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. 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). sínje -n belüli adatforgalmat biztosító áramkörök. Ea
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). Ea Egy elképzelt mikroprocesszor Van A, B, C, Test és IP regisztere A jobboldali listán felsoroljuk az instrukciókészletét 7 címeken ROM - címeken RAM Az alábbi programot a=; f=; while (a <= ) { f = f * a; a = a + ; } LOADA mem - Load register A from memory address LOADB mem - Load register B from memory address CONB con - Load a constant value into register B SAVEB mem - Save register B to memory address SAVEC mem - Save register C to memory address ADD - Add A and B and store the result in C SUB - Subtract A and B and store the result in C MUL - Multiply A and B and store the result in C DIV -DivideA andb andstoretheresultinc COMP - Compare A and B and store the result in Test JUMP addr - Jump to an address JEQ addr - Jump, if equal, to address JNEQ addr - Jump, if not equal, to address JG addr - Jump, if greater than, to address JGE addr - Jump, if greater than or equal, to address JL addr - Jump, if less than, to address JLE addr - Jump, if less than or equal, to address STOP - Stop execution Ea 7 // Assume a is at address // Assume f is at address 9 CONB // a=; SAVEB CONB // f=; SAVEB 9 LOADA // if a > CONB COMP 7 JG 7 LOADA 9 // f=f*a; A programunk 9 LOADB MUL SAVEC 9 LOADA // a=a+; CONB ADD SAVEC JUMP // loop back to if 7 STOP a=; f=; while (a <= ) { f = f * a; a = a + ; } Ea
Az utasításkészlet 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. Ea 9 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 Ea Instrukció csoportok Adatmozgató instrukciók LOAD STORE LB LW SB SW... MOVE IN OUT Aritmetikai és logikai instrukciók ADD SUB MUL DIV AND OR XOR NOT NEG COMPL TEST COMPARE Veremkezelő instrukciók PUSH POP PUSHALL POPALL Ea 7
További csoportok Bitléptetések forgatások, inkrementáció, dekrementáció SHIFT SLL SLR SLA SRA RCL RCR ROL ROR INC DEC Ugrások, elágazások Feltétel nélküli: JUMP BRANCH Feltételes: J(felt): JZ JS JC... BZ BS BC... Ciklusszervező instrukciók LOOP REP Ea És még további csoportok Hívások, visszatérések, processz-kapcsolás CALL RET IT IRET BREAK WAIT NOP PMTSW Társprocesszor instrukciók FINIT FLD FST FADD FSUB FMUL... FWAIT 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! Ea
Veremtár PUSH X POP X full SP full SP full SP empty empty empty Ea 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... 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. Ea 7 9
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 Ea mikroprocesszor történelem Name Date Transistors Microns Clock speed Data width MIPS 97 979 9, 9,,. MHz MHz MHz bits bits -bit bus bits.. 9 7,. MHz bits Pentium Pentium II Pentium III Pentium 99 99 997 999,,,, 7,, 9,,,,.... MHz MHz MHz MHz. GHz bits bits -bit bus bits -bit bus bits -bit bus bits -bit bus ~ ~ ~,7 Ea 9 teljesítmény mérése 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. 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? Ea A szabványos terhelésosztályok (benchmark) Adott típusú (integrális aritmetikai, lebegőpontos aritmetikai, grafikus, tranzakciós stb.) feladathoz benchmarkot, és azt futtatva mérnek, azt statisztikázva súlyoznak. Terhelésosztály és metrika Whetstone, Livermore Loops, Dhrystone, Linpack benchmarkok. TPC Benchmark A SPEC Ea SPEC: Standard Performance Evaluation 99-ben alapították. SPEC_ratio, VAX-7 a viszonyító gép 99-től: SPECint9: normalizált integer teszt geom. átl. SPECfp9: normalizált lebegőpontos teszt g. átl. 99-től (viszonyító: SPARCstation /) SPECint9 (CINT9): teszt, erős optimálás, speed SPECint_rate_base9: teszt, teljesítmény (több processzoros gépek összevetése is), normál optimálás SPECfp9: normalizált teszt, speed SPECfp_base9: normál optimálás, sebesség stb. 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: Ea SPECint, SPECfp AI, go játék MotoK chip szimul. CC verzió kompesszáló-dekompr. LISP interpreter jpeg graf kompress-dekompr 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 Ea IDEAS Top Performers IDEAS Top Performers - SPECint http://www.ideasinternational.com/benchmark/spec/specint.html IDEAS Top Performers - SPECint - SPECint9 - Singel CPU Subset http://www.ideasinternational.com/benchmark/spec/specint_s.html IDEAS Top Performers - SPECint_rate http://www.ideasinternational.com/benchmark/spec/specintr.html IDEAS Top Performers - SPECfp_rate http://www.ideasinternational.com/benchmark/spec/specfpr.html IDEAS Top Performers - iocomp (Full List) http://www.ideasinternational.com/benchmark/intel/icomp.html Ea
. április Ea 7. március Ea IDEAS Top Performers - SPECint R A N K System # C P U Processor Re Su lt Base line Test Date IBM IBM eserver pseries 9 Turbo POWER 79 Nov- Precision WorkStation (. GHz P) Pentium 79 Jan- Precision WorkStation (. GHz Xeon) Xeon 7 Jan- Precision WorkStation (. GHz P) Pentium 7 Jan- Precision WorkStation (. GHz Xeon) Xeon 7 Jan- DMD motherboard (. GHz, Pentium processor) Pentium processor (. GHz, MHz bus) 7 77 Nov- 7 Precision WorkStation (.A GHz P) Pentium 79 7 Jan- Precision WorkStation (. GHz Xeon) Xeon 77 7 Jan- 9 Precision WorkStation (.A GHz P) Pentium 7 7 Jan- Precision WorkStation (. GHz Xeon) Xeon 7 7 Jan- DMD motherboard (.A GHz, Pentium processor) Pentium processor (.A GHz, MHz bus) 7 7 Nov- Advanced Micro Devices Epox KHA+ Motherboard, AMD Athlon (TM) XP + AMD Athlon (TM) XP + 7 97 Jan- Advanced Micro Devices Epox KHA+ Motherboard, AMD Athlon (TM) XP 9+ AMD Athlon (TM) XP 9+ 7 77 Oct- Compaq Computer AlphaServer ES Model / Alpha C 79 Jun- Advanced Micro Devices Epox KHA+ Motherboard, AMD Athlon (TM) XP + AMD Athlon (TM) XP + 7 Oct-. március Ea 9
R IDEAS Top Performers - SPECint () System # Processzor Result Basee Date Precision WorkStation (. GHz P) Pentium ( MHz system bus) Nov- DEMVR motherboard (. GHz, Pentium processor with HT Technology) Pentium Processor with HT Technology (. GHz, MHz bus) 7 99 Aug- Precision WorkStation (. GHz P) Pentium ( MHz system bus) 7 Nov- Precision WorkStation (. GHz P) Pentium ( MHz system bus) 7 Nov- DEMVR motherboard (. GHz, Pentium processor) Pentium processor (. GHz, MHz bus) Jul- Precision WorkStation (. GHz P) Pentium ( MHz system bus) 9 Nov- 7 Fujitsu Siemens C CELSIUS R Xeon processor (. GHz, MHz bus) 97 Feb- Precision WorkStation (. GHz P) Pentium ( MHz system bus) 97 Sep- 9 DEMVR motherboard (.7 GHz, Pentium processor) Pentium processor (.7 GHz, MHz bus) 99 Ea Jul- # IDEAS Top Performers - SPECint ( március) Ra System C Processor nk P U Peak Resu lt Basel ine Test Date D7PBZ motherboard (AA-)(. GHz, Pentium Processor with HT Technology Extreme Edition) Pentium Processor with HT Technology Extreme Edition (. GHz, MHz bus) 7 Jan- D7PBZ (AA-) motherboard (. GHz, Pentium processor with HT Technology Extreme Edition) Pentium Processor with HT Technology Extreme Edition (. GHz, MHz bus) Sep- Precision Workstation (. GHz Pentium Extreme Edition) Pentium ( MHz system bus) 7 Feb- Precision Workstation (. GHz Xeon, MB L Cache) Xeon ( MHz system bus) Jan- IBM IBM x(.ghz, MHZ FSB) Xeon processor 7 Feb- Precision Workstation (. GHz Pentium Extreme Edition) Pentium ( MHz system bus) Nov- 9 ION Computer Systems SRWV (.GHz Xeon processor w. MB L cache) Xeon processor, MHz system bus Feb- Advanced Micro Devices ASUS SKN Motherboard, AMD Opteron (TM) AMD Opteron (TM) 77 Nov- Precision Workstation (. Pentium ( MHz GHz Pentium ) system bus) 9 Jan- Ea IDEAS Top Performers - SPECint ( március) Ra nk System # CPU Processor Peak Base Dat e Corporat ion (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, MHz bus) 79 79 Dec - Advance dmicro Devices MSI KN Neo Platinum Motherboard, AMD Athlon (TM) FX- core, chip, core/chip AMD Athlon (TM) FX- (ADAFXDEIAS) 7 Sep - Corporat ion (R) D9XECV motherboard(. GHz, (R) Pentium(R) processor supporting Hyper- Threading Technology) core, chip, core/chip (Hyper- Threading Technology enabled) (R) Pentium(R) processor supporting Hyper- Threading Technology (. GHz, MHz bus) 7 7 Nov - Ea
. március Ea IDEAS Top Performers - SPECint_rate Ra nk System # CP U Processor Res ult Baseli ne Test Date Origin X MHz Rk R 9 Nov- Origin X MHz Rk R Nov- Fujitsu Limited PRIMEPOWER (7MHz) SPARC GP 7 Sep- Fujitsu Siemens Computers PRIMEPOWER (7MHz) SPARC GP 7 Sep- Origin X MHz Rk R 79 Aug- X MHz Rk R 77 9 May- 7 Hewlett Packard HP Superdome -way (7MHz PA-7) PA-7 77 7 Aug- Fujitsu Limited PRIMEPOWER (7MHz) SPARC GP 9 99 Sep- 9 Fujitsu Siemens Computers PRIMEPOWER (7MHz) SPARC GP 9 99 Sep- Origin X MHz Rk R 7 9 May- X MHz Rk R 9 7 Aug- Hewlett Packard HP9 Superdome -way (MHz PA- ) PA- 7 Mar- Origin X MHz Rk R 9 Jul- Compaq Computer AlphaServer GS Model / Alpha C Jun- Hewlett Packard HP Superdome -way (7MHz PA-7) PA-7. március 9 Sep- Ea IDEAS Top Performers - SPECint_rate ( március) Rank System # CPU Processor Result Baseline Test Date Origin X MHz RA RA Aug- Origin X MHz Rk R 9 Nov- Origin X MHz Rk R 7 9 Feb- Origin X MHz Rk R Nov- Fujitsu Limited PRIMEPOWER (7MHz) SPARC GP 7 Sep- Fujitsu Siemens Computers PRIMEPOWER (7MHz) SPARC GP 7 Sep- 7 Origin X MHz Rk R 79 Aug- X MHz Rk R 77 9 May- 9 Hewlett-Packard HP Superdome -way (7MHz PA-7+) PA-7+ 9 Jun- Hewlett-Packard HP Superdome -way (7MHz A PA-7) CPU PA-7 77 7Ea Aug-
IDEAS Top Performers - SPECint_rate ( március) Ra nk System # CPU Processor Result Baselin e Test Date Origin X MHz RA RA Aug- Origin X MHz Rk R 9 Nov- Hewlett-Packard HP Integrity Superdome -way ( MHz Itanium ) Itanium 9 9 Aug- Altix (MHz, Itanium ) Itanium Sep- Altix (MHz, Itanium ) Itanium 7 Dec- Origin X MHz Rk R 7 9 Feb- 7 Altix (MHz, Itanium ) Itanium Jun- Origin X MHz Rk R Nov- 9 Hewlett-Packard AlphaServer GS Model Alpha 7 Jun- Fujitsu Limited PRIMEPOWER (7MHz) SPARC GP 7 Sep- Ea System # CPU Processor R B Date Altix 7 Bx (MHz M L, Itanium ) cores, chips, core/chip Itanium 9 Nov - Altix (MHz, Itanium ) cores, chips, core/chip Itanium 7 Apr- Altix 7 Bx (MHz, Itanium ) cores, chips, core/chip Itanium 7 Dec - Origin X MHz RA RA Aug - Origin X MHz Rk R 9 Nov - Jan- Hewlett- Packard HP Integrity Superdome (.GHz/9MB Itanium, cells) cores, chips, core/chip Itanium (.GHz/9MB, MHz FSB) 7 IBM IBM eserver p 9 (9 MHz, CPU) cores, chips, cores/chip (SMT on) POWER 7 Oct- Altix 7 Bx (MHz 9M L, Itanium ) cores, chips, core/chip Itanium Oct- 9 Hewlett- Packard HP Integrity Superdome -way ( MHz Itanium ) Itanium 9 9 Aug - Altix (MHz, Itanium Itanium ) IDEAS Top Performers - SPECint_rate ( március) Sep - Ea 7. március Ea
IDEAS Top Performers - icomp Processor Pentium III - GHz icomp Index. icomp Inde x. icomp Index. Pentium II - MHz Pentium II - MHz Celeron - MHz 9 Est. Pentium III - 9 MHz Pentium II - MHz Pentium III - MHz 9 Pentium II - MHz Celeron - MHz 9 9 Est. Pentium III - MHz 9 Pentium II - MHz Celeron - MHz Pentium III - 7 MHz Pentium II - MHz Pentium III - 7 MHz Celeron - A MHz Pentium II - MHz 9 7 Pentium III - MHz Pentium III - E MHz Pentium III - MHz Pentium III - MHz Pentium III - MHz Pentium III - MHz Pentium II - MHz Pentium II - MHz 7 9 7 Celeron - MHz Pentium Pro - MHz Celeron - MHz Pentium - MHz (MMX) Pentium Pro - MHz Pentium - MHz (MMX) Pentium - MHz (MMX) Pentium - MHz (MMX) Pentium - MHz Pentium - MHz 97 Ea 9 7 A teljesítmény fokozás Nem strukturális módszerek Órajel frekvencia növelés, Instrukciók számának csökkentése (optimálás) Strukturális módszerek Utasításokra eső ciklusok számának csökkentése, szupercsövek (super-pipeline), szuperskalár CPU-k (CPU-n belüli párhuzamosítás). Külső párhuzamosítás (multiprocesszoros rendszerek) Ea SZÁMÍTÓGÉPEK, SZÁMÍTÓGÉPRENDSZEREK Hardver architektúrák, a CPU. előadás vége Ea 7