Witold Komorowski: RISC. Witold Komorowski, dr inż.

Transkrypt

1 Witold Komorowski, dr inż.

2 Koncepcja RISC i przetwarzanie potokowe

3 RISC koncepcja architektury i organizacji komputera

4 Aspekty opisu komputera Architektura Jak się zachowuje? Organizacja Jak działa? Realizacja Z czego jest zrobiony?

5 Problemy projektantów Realizacja tranzystory, układy scalone, oporniki, wolty, mikroampery, gigaherce, nanosekundy... E L E K T R O N I K A Organizacja bramki, przerzutniki, sumatory, rejestry, multipleksery, pamięci, sterowniki, procesory... S T R U K T U R A Architektura rozkazy, operacje, argumenty, adresy, przerwania... P R O G R A M O W A N I E

6 Architektura listy rozkazów (IS Architecture) Interfejs Software Hardware

7 Wymagania użytkownika Wydajność (performance) czyli szybkość wykonywania programów

8 Czas wykonania programu (t) = = liczba wykonanych rozkazów (IC) x x liczba cykli zegara potrzebnych do wykonania rozkazu (CPI) x x czas cyklu zegara (1/f) t = IC * CPI * 1/f

9 Czynniki wpływające na wydajność Realizacja (technologia) Organizacja (struktura) Architektura (lista rozkazów) Oprogramowanie (kompilator) IC CPI f

10 Organizacja komputera Model von Neumann'a M CPU I/O Memory Central Processing Unit Input/Output

11 Cykl rozkazowy Pobranie rozkazu z pamięci Wykonanie rozkazu w procesorze

12 Cykl rozkazowy Pamięć zawsze wolniejsza niż procesor! M CPU I/O Przechowuje program Przechowuje dane Pobiera rozkazy Dekoduje rozkazy Wykonuje operacje

13 Cykl rozkazowy von Neumann s bottleneck M CPU I/O Przechowuje program Przechowuje dane Pobiera rozkazy Dekoduje rozkazy Wykonuje operacje

14 Sekwencja rozkazów 1. rozkaz Pobranie Wykonanie 2. rozkaz Czas dostępu do pamięci Pobranie Wykonanie Czas cyklu Czas

15 Możliwości przyspieszenia sekwencji rozkazów * Skrócenie cyklu rozkazowego (szczególnie fazy odczytu z pamięci) * Współbieżne wykonywanie różnych faz kolejnych rozkazów

16 Podstawowe zmiany organizacji Pamięć buforowa: skrócenie średniego czasu dostępu Przetwarzanie potokowe: zwiększenie częstości kończenia rozkazów

17 Pamięć buforowa (cache) Cache Main Hit CPU Miss Duża Wolna Dość tania Mała Bardzo szybka Droga

18 Praktyczne efekty stosowania pamięci cache Cache Main Hit CPU Duża Wolna Dość tania > 98% Mała Bardzo szybka Dość droga

19 Potok rozkazów (pipeline) 1. rozkaz Pobranie Wykonanie 2. rozkaz Pobranie Wykonanie 3. rozkaz Pobranie Wykonanie 4. rozkaz Czas cyklu Czas między zakończeniem kolejnych rozkazów Pobranie Wykonanie

20 Wczesne realizacje Pamięć Jednostka komunikacji BIU Bufor (6 B) Potok 2-stopniowy w μp 8086 (r.1978) Jednostka wykonawcza EU CPU

21 Potok wielostopniowy Czas cyklu 1. F1 F2 F3 F4 2. F3 Czas pomiędzy rozkazami F2 F1 5. CPI = 1 6. Takty zegara

22 Koncepcja tradycyjna Cel Zapełnienie luki semantycznej Środki Sterowanie mikroprogramowe Efekt Rozbudowane listy rozkazów, formaty i sposoby adresowania Skomplikowany układ sterowania, spowolnione działanie CISC Complex Instruction-Set Computer

23 Koncepcja RISC (Reduced Instruction-Set Computer) Cel Szybkie wykonywanie rozkazów Środki Potokowość, pamięć cache Efekt Stała długość rozkazu, prosty układ sterowania Prymitywne rozkazy, model LOAD - STORE, skomplikowany kompilator

24 Genealogia RISC RISC I SPARC V9 SPARC D.Patterson, C.Sequin Sun Microsystems Berkeley ( ) (1987) (1994) MIPS MIPS R2000 MIPS32, MIPS64 J.Hennessy MIPS Computer Systems (MIPS Technologies) Stanford ( ) (Silicon Graphics) IBM 801 RS/6000 PowerPC Power4 G.Radin IBM ( ) (+ Motorola) (2000) Transputer D.May, I.Barron INMOS (1983)

25 CISC vs RISC Architektura Liczba różnych długości rozkazu Liczba sposobów adresowania Maksymalna długość rozkazu [bajty] Adresacja pośrednia CISC RISC IBM Nie VAX Tak MC Nie IA Nie SPARC Nie MIPS Nie RS/ Nie

26 CISC vs RISC Architektura Liczba różnych długości rozkazu Liczba sposobów adresowania Maksymalna długość rozkazu [bajty] Adresacja pośrednia CISC RISC IBM Nie VAX Tak MC Nie IA Nie SPARC Nie MIPS Nie RS/ Nie

27 Potok 5-stopniowy I cache D cache Load/Store IF ID EX WB (AC) MA Register file IF Instruction fetch ID Instruction decode EX/AC Execution / Address calculation MA WB Memory access Write back

28 Bezkonfliktowe przetwarzanie potokowe 1. IF ID EX MA WB 2. IF ID EX MA WB 3. IF ID EX MA WB 4. IF ID EX MA WB 5. IF ID EX MA WB 6. IF ID EX MA WB Takty zegara

29 Zakłócenia potoku Konflikt zasobów (równoczesne żądanie dostępu do pamięci) Konflikt danych (opóźniona aktualizacja danych w pamięci) Konflikt sterowania (realizacja skoków)

30 Konflikt zasobów 1. IF ID AC MA WB 2. IF ID EX MA WB rozkaz 1. czyta/zapisuje dane z/do pamięci 3. IF ID EX MA WB 4. IF ID EX MA WB 5. IF ID EX MA WB rozkaz 4. jest z pamięci odczytywany 6. IF ID EX MA WB Takty zegara

31 Rozwiązanie konfliktu zasobów Pamięć danych i rozkazów Procesor centralny Pamięć danych Pamięć rozkazów Procesor centralny Architektura Princeton (von Neumann a) Architektura Harvard (na poziomie pamięci cache)

32 Konflikt danych 1. IF ID EX MA WB r1 r2 + r3 2. IF ID EX MA WB r5 r1 + r4 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 Takty zegara Rozkaz 2. w takcie t5 wymaga danych, które będą zapisane w rejestrze przez rozkaz 1. dopiero w takcie t6.!

33 Rozwiązanie konfliktu danych (nieefektywne) 1. IF ID EX MA WB r1 r2 + r3 2. IF ID ~~ ~~ EX MA WB r5 r1 + r4 3. IF ID ~~ ~~ EX MA WB t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 Takty zegara Następuje wstrzymanie potoku na dwa takty

34 Rozwiązanie konfliktu danych przez wyprzedzanie argumentów IF EX ID MA WR Rozkaz r1 r2 + r3 r2 + r3 IF EX ID MA WR Rozkaz r5 r1 + r4 Wynik jest przekazywany drogą na skróty (forwarding) do następnego rozkazu

35 Konflikt sterowania 1. IF ID EX MA WB 2. IF ID AC MA WB Skok warunkowy efektywny Kara za skok 3. IF ID EX MA WB 4. IF ID EX MA WB Opróżnienie potoku z niepotrzebnych rozkazów 3. i IF ID EX MA WB 6. IF ID EX MA WB Takty zegara

36 Łagodzenie konfliktów sterowania * Skoki opóźnione (delayed branch) * Przewidywanie skoków (branch prediction)

37 Skoki opóźnione Każdy rozkaz skoku zmienia adres docelowy dopiero po następnym rozkazie Przykład opóźnionego rozkazu CALL add r1,r5,r7 Po optymalizacji: sub r2,r3,r2 add r1,r5,r7 call tamtam call tamtam nop sub r2,r3,r2 inc r4 inc r4

38 Przewidywanie skoków Tablica skoków (Branch Target Buffer, BTB) Licznik rozkazów Adres rozkazu Adres docelowy Stan α σ s

39 Algorytm predykcji Nieefektywny Będzie efektywny s=01 Nieefektywny Efektywny Będzie nieefektywny s=10 Nieefektywny Będzie efektywny s=00 Efektywny Efektywny Będzie nieefektywny s=11 Nieefektywny Efektywny

40 Everything should be made as simple as possible, but not one bit simpler. Albert Einstein

41 Procesory superskalarne i przetwarzanie out-of-order Pobieranie rozkazów Dekodowanie rozkazów Przydział rozkazów Jednostka wykonawcza 1 Jednostka wykonawcza 2 Jednostka wykonawcza k Kompletacja

42 Działanie procesora superskalarnego Kod źródłowy Kompilator Kod liniowy Procesor Sprzętowe zrównoleglenie rozkazów

43 Koncepcja VLIW (Very Long Instruction Word) Grupa rozkazów bardzo długie słowo rozkazowe MUL FADD LD BRC Jednostka stp. Jednostka zmp. Jednostka pam. Jednostka obsługi skoków

44 Działanie procesora VLIW Kod źródłowy Kompilator Kod równoległy Procesor Programowe (statyczne) zrównoleglenie kodu

45 Realizacja techniki EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing) Procesor Itanium (IA-64) Wiązka trzech 41-bitowych rozkazów RISC 128 rejestrów stp. 64-bitowych 128 rejestrów zmp. 82-bitowych Obszar 2 64 adresów (16 EB) 22 jednostki funkcyjne potok 8-stopniowy Itanium2, 2002

46 Więcej

47 Tanenbaum, A.: * Strukturalna organizacja systemów komputerowych. Helion, 2006 (wyd. 5.) [50] Stallings, W.: * Organizacja i architektura systemu komputerowego. WNT 2004 (wyd. 3.) [46] Biernat, J.: * Architektura komputerów. WPWr, 2005 (wyd. 4.) [18] Komorowski, W.: * Instrumenta computatoria. Helion, 2000 [12] Komorowski, W.: * Krótki kurs architektury i organizacji komputerów. Mikom, 2004 [12]

48 ... wydaje mi się to jakoś nierealne, że tak szybko i tak daleko doszliśmy. Nie wiadomo zresztą, po co. Stanisław Lem