Wpływ architektury procesora na system operacyjny

Transkrypt

1 Wpływarchitektury procesoranasystem operacyjny Prezentacjęprzygotowali: ŁukaszJagielski MaciejPazurkiewicz

2 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Podziałprocesorów Treśćprezentacji ogólnieoprocesorach procesoryciscarisc przetwarzaniepotokowe wielordzeniowość 64 bitowość ogólnieoarchitekturach64 bitowych x86 64jakopowszechnaarchitektura64 bitowa 64 bitowesystemyoperacyjne

3 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Procesor

4 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Podziałprocesorów Podziałprocesorów długośćsłowamaszynowego liczbardzeni architektura przeznaczenie taktowaniezegara wielkośćcache

5 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Procesorasystemoperacyjny Procesorasystemoperacyjny systemoperacyjnybudowanyjestzmyśląo konkretnejplatformiesprzętowej popularnośćkonkretnychprocesorówzależyw głównejmierzeodtego,jakiesystemy operacyjnebędąnanichdziałać procesorwpływaprzedewszystkimna szybkośćdziałaniasystemuoperacyjnego

6 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny CISC CharakterystykaCISC dużyzbiórinstrukcji dużo(nieużywanych)trybówadresowania kodyinstrukcjiozmiennejdługości wyspecjalizowanerejestry łatwiejszekodowaniewjęzykach asemblerowych

7 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny CISC PrzykładyCISC VAX PDP 11 Motorola68000 x86

8 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny RISC CharakterystykaRISC małaliczbainstrukcji prostetrybyadresowania kodinstrukcjimieszczącysięwsłowie procesora dużouniwersalnychrejestrówprocesora jedyniestoreiloadnadanychwpamięci potokowanie

9 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny RISC PrzykładyRISC CDC6600(74instrukcje) RISC I,RISC II(32/39instrukcji) MIPS PlayStation,PlayStation2,Nintendo64, PSP ARM AppleiPhone,iPod,GameBoy Advance,niektóretelefonyNokiaiSony Ericsson Power Macintosh,Xbox360,PlayStation3

10 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Przetwarzanieskalarne źródłohttp://eng.wikipedia.org

11 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Przetwarzaniepotokoweinstrukcji Przetwarzaniepotokowe technikaskracającaczaswykonaniaciągu instrukcji poleganapodzialeinstrukcjinaniezależne fazy,któremogąbyćwykonywane jednocześniedlaosobnychinstrukcji zapoczątkowanawprocesorachrisc

12 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny FazyklasycznegopotokowaniaRISC KlasycznepotokowanieRISC instructionfetch(pobanieinstrukcji) instructiondecode(interpretacjainstrukcji) execute(wykonanieobliczeń,obliczenie adresu...) memoryaccess(np.odczytdanychdlaload) writeback(zapiswyniku)

13 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny KlasycznepotokowanieRISC źródłohttp://eng.wikipedia.org

14 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Przetwarzanesuperskalarne źródłohttp://eng.wikipedia.org

15 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Przetwarzaniepotokowe:hazardy Hazardyprzyprzetwarzaniupotokowym realizacjaniektórychetapówmożepowodowaćkonflikty dostępudopamięci jeśliczasytrwaniaposzczególnychetapówmogąbyć niejednakowe,tonaróżnychetapachwystąpipewne oczekiwanie wprogramiewystępująskoki(rozgałęzienia)warunkowe wystąpienieprzerwaniasprzętowegolubwyjątkuprocesora stanowizdarzenienieprzewidywalneirównieżpogarsza przetwarzaniepotokowe

16 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Przetwarzaniepotokowe:metodyrozwiązywaniazastojów Metodyrozwiązywaniazastojów zmianakolejnościinstrukcji przenazwanierejestrów rozwijaniepętli zgadywaniedalszejkolejnościrozkazów optymalizacjakodu

17 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Rodzajezrównolegleniaobliczeń Zrównoleglanieobliczeń napoziomieinstrukcji(potokowanie,vliw, przetwarzaniesuperskalarne) napoziomiedanych napoziomieprocesów,wątków HyperThreading wielordzeniowość klastry,superkomputery,grid...

18 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Procesorywielordzeniowe:przyczynypowstania Przyczynyrozwojuwielordzeniowości memorywall szybszyrozwójprocesorówodpamięci instructionlevelparallelismwall(ilpwall) brakmożliwościdalszegozrównoleglaniapoprzez potokowanie powerwall corazwiększypobórmocywrazze wzrostemmocyobliczeniowej

19 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Procesorywielordzeniowe:cotojest? Cotojestprocesorwielordzeniowy? kilkamikroprocesorówzintegrowanychna jednejmatrycy każdyzmikroprocesorówposiadawłasną pamięćpodręczną dostępdozasobówkomputerawspólnydla mikroprocesorów

20 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Procesorywielordzeniowe:przykłady Przykłady AMDAthlon64,Athlon64FX,Athlon64X2, SempronX2,TurionX2 Power4,Power5,Power6 IntelCoreDuo,Core2Duo,Core2Quad, Corei7,Itanium2,PentiumD NvidiaGeForce

21 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Procesorywielordzeniowe:systemoperacyjny Wielordzeniowośćasystemoperacyjny możliwośćobsługiwiększejliczbyprocesów bezkoniecznościprzełączaniakontekstu szybszapracaprzywieluprocesach możliwośćzrównolegleniaobliczeńnapoziomie instrukcjipomiędzyprocesorami

22 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Procesorywielordzeniowe:zastosowania Zastosowania silnikigraficznegierwspierająceobliczeniana wielordzeniowychprocesorach bibliotekipozwalającetworzyćprogramy rozproszone: Clik++ OpenMP MPI

23 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość 64 bitowość cotoznaczy,żeprocesorjest64 bitowy? historiaprocesorów64 bitowych x86 64jakoprzykładpowszechnej architektury64 bitowej 64 bitowesystemyoperacyjne przykłady:windows,linux zalety wadyiproblemy

24 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:cotoznaczy? 64 bitowyprocesor(wteorii): 64 bitowerejestryogólnego przeznaczenia 64 bitoweszyny(adresówidanych) 64 bitoweintegeryiadresy 64 możezaadresowaćpamięćrozmiaru2

25 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:cotoznaczy? 64 bitowyprocesor(wpraktyce): szerokośćszynod32do64bitów odpowiedniomniejszaadresowalna przestrzeń Czasemnazywasiętaknawetprocesory32 bitowe o64 bitowejszyniedanych!

26 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:historia jużwlatach60.64 bitowecpuw superkomputerach(tymczasemarchitektura32 bitowajakostandarddopieroodlat80.) odpoczątkulat90.64 bitoweprocesorycoraz częściejwserwerachistacjachroboczych opartychnaarchitekturzerisc od2003powszechnewkomputerach domowychdziękiarchitekturompowerpc64i x86 64

27 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:architekturax86 64 Architekturax86 64 zaprojektowanaprzezamd wprowadzonaprzezintelapodnazwąem64t obecnieamd64iintel64 powszechnawewspółczesnychpecetach: IntelCore2 AMDAthlon64,Turion64,Opteron

28 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:architekturax86 64 Najważniejszecechy: nadzbiórinstrukcjiirejestrów 32 bitowejarchitekturyx86 8zupełnienowychrejestrów istniejąceimplementacjemają: wirtualnąprzestrzeńadresowąrozmiaru ażdo256tb fizycznąprzestrzeńadresowąrozmiaru1tb (ograniczeniewynikazrozmiaruszynyadresowej) ostatniąwartośćmożnazwiększyćdo4pb (ograniczeniewynikazalgorytmustronicowania)

29 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:architekturax86 64 Trybypracy Tryb Long 64 bit Compatibility Legacy System 64 bitowy 16lub32 bitowy Konieczność Domyślny przekompilowa rozmiar niaaplikacji adresu Domyślny Rozmiar rozmiar rejestrów operandów2 ogólnych Rozszerzone rejestry1 Tak Tak Nie 16lub32 16lub32 32 Nie Nie 16lub32 16lub32 16lub32 Nie 1 dostępdo8dodatkowychrejestrówogólnegoprzeznaczenia(r8 R15) 2 rozmiarmożnaoczywiściemodyfikowaćprzezustawienieodpowiedniegobitubądź używanieprefiksówinstrukcji

30 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:windowsx64 Windowsx64:najważniejszecechy: 8TBprzestrzeniadresowejdlakażdego procesuużytkownika 8TBprzestrzeniadresowejdlajądra możnazaadresowaćod128gbdo1tb RAMu(wzależnościodwersji) modeldanychllp64: 32 bitoweintegeryilongi 64 bitowewskaźniki

31 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:windowsx64 Windowsx64:uruchamianieprogramów: wszystkieprocesytrybujądramusząbyć64 bitowe(niemożnainstalować32 bitowych sterowników) możnauruchamiać32 bitoweprocesy działającewtrybieużytkownika jeślisąskompilowanezopcją'largeaddressaware'będą mogłykorzystaćz4gbprzestrzeniadresowejzamiast2 GBdomyślnychdlaWindows

32 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:linux Linux:najważniejszecechy: wsparciedlaprocesorów64 bitowychod wersji2.4jądra fizycznaprzestrzeńadresowaażdo64tb wirtualnaprzestrzeńadresowaażdo128tb modeldanychlp64: 32 bitoweintegery 64 bitowelongi 64 bitowewskaźniki

33 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:zalety Zalety64 bitowegosoczyli... To nieprawda, że 64-bitowy system jest przydatny tylko wtedy, gdy ma się więcej niż 4 GB RAMu!

34 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:zalety Wirtualnaprzestrzeńadresowa częśćprzestrzeniadresowejprocesujest rezerwowananabibliotekiikomponentysystemu operacyjnego dlategoteżw32 bitowym systemieprocesymająmniejniż4gb dlasiebie wwindowsachdomyślnieprocesmadodyspozycji 2GB,wLinuxachokoło3GB uniemożliwiatonaprzykładmapowaniedużych plikównapamięć

35 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:zalety Fizycznaprzestrzeńadresowa w32 bitowymsystemiemożnazaadresowaćco najwyżej4gbpamięcifizycznej jednakczęśćadresówpotrzebnajesturządzeniom wejścia/wyjścia(np.pci,pciexpress) pozostałychadresówmożewięcbyćzamało,aby zaadresować4,anawet3gbpamięcifizycznej pozostanieonaniewykorzystana Tychograniczeńniemaw64 bitowych systemachoperacyjnych!

36 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:zalety Innezalety szybszewniektórychzadaniachobliczeniowych silniedużychliczb dodwóchrazyszybciej szyfrowaniedanych nawetkilkukrotnieszybciej wydajniejszewmanipulacjidanymidużego rozmiaru ogromnebazydanych obliczenianaukowe obróbkawideo sprawniejszejeślichodziowielozadaniowośći pracęprzydużymobciążeniu

37 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:wadyiproblemy Wadyiproblemy puchnięciedanychiprogramów 32 bit:sizeof(structtask_struct)~ bit:sizeof(structtask_struct)~4000 uwaganawyrównaniedanych structstr{ void*p; intm; }; structstrtab[4]; 32 bit sizeof(tab)=32 64 bit sizeof(tab)=64

38 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:wadyiproblemy Wadyiproblemy brakniektórychprogramówisterownikówwwersjach 64 bitowych np.adobeflashplayer czasemproblemyzesprzętem czasemaplikacje32 bitowemogądziałaćwolniej x86 64 różnicaprawieniezauważalna(poprostunieużywa sięniektórychrejestrówiinstrukcji) Itaniumiinnearchitekturywpełni64 bitowe różnicamoże byćznacząca(potrzebaemulowaćśrodowisko32 bitowe)

39 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:wadyiproblemy Problemyprzyprzenoszeniuaplikacji używanie magicznychliczb alokowaniepamięci size_tarraysize=n*4; long*array=(long*)malloc(arraysize); arytmetyka longl=0^0x ; printf("%ld\n",l); 32 bit =LONG_MIN 64 bit(lp64) =?

40 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:wadyiproblemy Problemyprzyprzenoszeniuaplikacji indeksowanietablic inti=0; while(ogromnatablica[i]!=id) i++; toniezadziaładlatablicwiększychodint_max operacjenabitach ptrdiff_tsetbit(ptrdiff_tval,unsignedbitnum){ ptrdiff_tmask=1<<bitnum; returnval mask; } setbit(0,32)=0x0!=0x niedziała,bo 1 jesttypuintiprzyshifcienastępuje przepełnienie

41 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny 64 bitowość:wadyiproblemy Problemyprzyprzenoszeniuaplikacji projektującaplikacjęna64 bitowysystemoperacyjny należypamiętaćotym,żebyćmożeużytkownikbędzie chciałkorzystaćzbardzodużychzestawówdanych (prawdopodobniedlategowłaśniezainstalowałtaki system) tabliceoponadint_maxelementach plikiwiększeniż4gb należytouwzględnićtakżewczasietestów,gdyżniektóre błędymogąsięujawnićdopieroprzydanychbardzo dużychrozmiarów patrzprzykładynapoprzednichslajdach należypamiętaćteżotym,żebyćmożeprzyjdzieczas architektur128 bitowych!

42 Wpływarchitekturyprocesoranasystemoperacyjny Źródła Źródła Wikipedia RISCArchitecture Zarządzaniepamięciąw32 i64 bitowychsystemach Windows AMD,x86 64TMTechnologyWhitePaper AMD64FAQ 20issuesofportingC++codeonthe64 bitplatform