Architektura systemów komputerowych. Przetwarzanie potokowe I

Transkrypt

1

2 Architektura systemów komputerowych

3 Plan wykładu. Praca potokowa. 2. Projekt P koncepcja potoku: 2.. model ścieżki danych 2.2. rejestry w potoku, 2.3. wykonanie instrukcji, 2.3. program w potoku. Cele Poznanie pojęcia pracy potokowej. Poznanie techniki projektowania procesora z przetwarzaniem potokowym.

4 Praca potokowa

5 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego Czynności w produkcji samochodów: Wydajność produkcyjna: samochód w ciągu 4 godzin, 6 samochodów na dzień, 80 samochodów na miesiąc, 260 samochodów na rok. godzina godzina godzina godzina

6 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego Czynności w produkcji samochodów: Wydajność produkcyjna: samochód w ciągu 4 godzin, 6 samochodów na dzień, 80 samochodów na miesiąc, 260 samochodów na rok. zakończenie produkcji spawanie montaż rozpoczęcie produkcji zakończenie produkcji malowanie testowanie spawanie montaż rozpoczęcie produkcji malowanie testowanie czas

7 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego Taśma produkcyjna samochodów: dostawa części spawanie godzina montaż godzina malowanie godzina testowanie godzina Wydajność taśmy produkcyjnej: pierwszy samochód jest składany w ciągu 4-ch godzin opóźnienie potoku następne samochody powstają co godzinę, - 2 samochodów powstanie pierwszego dnia produkcji, - 24 samochody powstaną każdego następnego dnia, w miesiącu fabryka wyprodukuje 77 samochodów, rocznie powstanie 8604 samochody.

8 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego Taśma produkcyjna samochodów: dostawa części Auto Auto 2 Auto 3 Auto 4 spawanie spawanie montaż spawanie montaż malowanie testowanie malowanie testowanie montaż spawanie malowanie testowanie montaż spawanie ukończenie auta malowanie testowanie montaż ukończenie auta 2 malowanie testowanie... czas

9 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego wstęp wydajność przetwarzania potok instrukcji Praca potokowa to cykl połączonych ze sobą operacji, w których wyniki poprzedniej stają się argumentami dla następnej. Pojęcia: rodzaje potoków specyfika pracy potoku implementacje

10 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego wstęp wydajność przetwarzania potok instrukcji Praca potokowa to cykl połączonych ze sobą operacji, w których wyniki poprzedniej stają się argumentami dla następnej. Pojęcia: rodzaje potoków specyfika pracy potoku implementacje W odniesieniu do komputerów pojęcie potoku powiązane jest z: procesorem potok instrukcyjny wymaga podziału pracy CPU na etapy, w których wynik wykonania rozkazu zostaje skompletowany po wykonaniu wszystkich etapów, związanych z daną instrukcją, układem GPU spotykane w większości procesorów graficznych, składający się z wielu bloków funkcjonalnych lub całych procesorów specjalizowanych. Potok graficzny jest zoptymalizowany pod kontem wykonywania operacji graficznych, np.: operacji teksturowania, manipulacji światłami oraz kolorami, odwzorowania perspektywy itp., oprogramowaniem jest funkcją systemu operacyjnego, umożliwiając komunikację (wymianę danych) między uruchomionymi aplikacjami. Przykładem jest potok nazwany lub nienazwany systemu UNIX / Linux.

11 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego wstęp wydajność przetwarzania potok instrukcji Praca potokowa to cykl połączonych ze sobą operacji, w których wyniki poprzedniej stają się argumentami dla następnej. Pojęcia: rodzaje potoków specyfika pracy potoku implementacje Zastosowanie potoku nie powoduje zmniejszenia czasu potrzebnego na wykonanie czynności, natomiast zwiększa znacznie wydajność systemu. Jednocześnie obecność potoku powoduje: powstawanie opóźnień w propagacji sygnałów (wyników), zwiększone zapotrzebowanie na komponenty służące do budowy systemu, takie jak: jednostki wykonawcze, moduły pamiętające, bufory i magistrale, itp.. W odniesieniu do komputerów pojęcie potoku powiązane jest z: procesorem potok instrukcyjny wymaga podziału pracy CPU na etapy, w których wynik wykonania rozkazu zostaje skompletowany po wykonaniu wszystkich etapów, związanych z daną instrukcją, układem GPU spotykane w większości procesorów graficznych, składający się z wielu bloków funkcjonalnych lub całych procesorów specjalizowanych. Potok graficzny jest zoptymalizowany pod kontem wykonywania operacji graficznych, np.: operacji teksturowania, manipulacji światłami oraz kolorami, odwzorowania perspektywy itp., oprogramowaniem jest funkcją systemu operacyjnego, umożliwiając komunikację (wymianę danych) między uruchomionymi aplikacjami. Przykładem jest potok nazwany lub nienazwany systemu UNIX / Linux.

12 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego wstęp wydajność przetwarzania potok instrukcji Praca potokowa to cykl połączonych ze sobą operacji, w których wyniki poprzedniej stają się argumentami dla następnej. Pojęcia: rodzaje potoków specyfika pracy potoku implementacje Istnieją trzy główne metody implementacji potoku: potok rejestrowy synchroniczny, potok rejestrowy asynchroniczny, potok niebuforowany. Dla rozwiązań niebuforowanych proces sterowania jest tak zaprojektowany, że przekazywanie danych następuje tylko podczas ich stabilność. W każdym przypadku szybkość pracy potoku zależy od jego najwolniejszego stopnia. Zastosowanie potoku nie powoduje zmniejszenia czasu potrzebnego na wykonanie czynności, natomiast zwiększa znacznie wydajność systemu. Jednocześnie obecność potoku powoduje: powstawanie opóźnień w propagacji sygnałów (wyników), zwiększone zapotrzebowanie na komponenty służące do budowy systemu, takie jak: jednostki wykonawcze, moduły pamiętające, bufory i magistrale, itp.. W odniesieniu do komputerów pojęcie potoku powiązane jest z: procesorem potok instrukcyjny wymaga podziału pracy CPU na etapy, w których wynik wykonania rozkazu zostaje skompletowany po wykonaniu wszystkich etapów, związanych z daną instrukcją, układem GPU spotykane w większości procesorów graficznych, składający się z wielu bloków funkcjonalnych lub całych procesorów specjalizowanych. Potok graficzny jest zoptymalizowany pod kontem wykonywania operacji graficznych, np.: operacji teksturowania, manipulacji światłami oraz kolorami, odwzorowania perspektywy itp., oprogramowaniem jest funkcją systemu operacyjnego, umożliwiając komunikację (wymianę danych) między uruchomionymi aplikacjami. Przykładem jest potok nazwany lub nienazwany systemu UNIX / Linux.

13 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego wstęp wydajność przetwarzania potok instrukcji Wydajność systemu można przedstawić jako liczbę produkcji w jednostce czasu. Wydajność jest zależna architektury danego systemu. Przypadki: architektura liniowa architektura potokowa

14 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego wstęp Wydajność systemu można przedstawić jako liczbę produkcji w jednostce czasu. Wydajność jest zależna architektury danego systemu. wydajność przetwarzania Przypadki: architektura liniowa architektura potokowa potok instrukcji zakończenie produkcji spawanie montaż zakończenie produkcji malowanie testowanie spawanie rozpoczęcie produkcji montaż malowanie testowanie rozpoczęcie produkcji czas wykonania jednego zadania = n jednostek czasu, czas wykonania jednego podzadania jednostka czasu, wydajność systemu = n zadań w jednostce czasu. czas

15 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego wstęp wydajność przetwarzania potok instrukcji Auto Auto 2 Auto 3 Auto 4 spawanie Wydajność systemu można przedstawić jako liczbę produkcji w jednostce czasu. Wydajność jest zależna architektury danego systemu. Przypadki: architektura liniowa architektura potokowa montaż malowanie testowanie spawanie montaż malowanie testowanie spawanie montaż malowanie testowanie spawanie montaż malowanie testowanie ukończenie auta ukończenie auta 2... czas wykonania pierwszego zadania = n jednostek czasu (opóźnienie), liczba zadań wykonanych w czasie T = T n wydajność systemu = (n ) T zadań w jednostce czasu. czas

16 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego wstęp wydajność przetwarzania potok instrukcji Wydajność systemu można przedstawić jako liczbę produkcji w jednostce czasu. Wydajność jest zależna architektury danego systemu. Przypadki: architektura liniowa architektura potokowa Współczynnik zwiększenia wydajności: wydajność architektury potokowej wydajność architektury liniowej = (n ) T n = n n(n ) n dla T T

17 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego wstęp wydajność przetwarzania potok instrukcji Potok instrukcji zwiększa wydajność procesora w zakresie liczby wykonywanych instrukcji w jednostce czasu. Pojęcia: koncepcja stopnie potoku

18 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego wstęp wydajność przetwarzania potok instrukcji Potok instrukcji zwiększa wydajność procesora w zakresie liczby wykonywanych instrukcji w jednostce czasu. Pojęcia: koncepcja stopnie potoku W procesorach najpowszechniej stosuje się potok instrukcji, którego etapy nazywane stopniami, odpowiadają fazom cyklu rozkazowego CPU. Procesor jest urządzeniem synchronicznym, rozpoczynającym każdą z czynności zgodnie z taktami zegara systemowego. Zazwyczaj koncepcja potoku zakłada rozpoczynanie akcji w każdym jego stopniu w tym samym momencie, kiedy zegar systemowy zmienia stan, generując kolejny takt. Architektura potoku zależy od różnych czynników, w ogólności: od modelu ISA procesora, od architektury CPU, uwzględnia ograniczenia zasobów wykonawczych procesora. Nowoczesne procesory posiadają mocno rozbudowane potoki instrukcyjne złożone z ponad 20 stopni, które realizują również zadania optymalizacyjne pracy potoku.

19 Praca potokowa wprowadzenie do zagadnienia przetwarzania potokowego wstęp wydajność przetwarzania Potok instrukcji zwiększa wydajność procesora w zakresie liczby wykonywanych instrukcji w jednostce czasu. Pojęcia: koncepcja stopnie potoku W procesorach najpowszechniej stosuje się potok instrukcji, którego etapy nazywane stopniami, odpowiadają fazom cyklu rozkazowego CPU. W podstawowej konfiguracji potok powinien zawierać nastę- Procesor jest urządzeniem synchronicznym, pujące stopnie: rozpoczynającym każdą z czynności zgodnie pobranie rozkazu: z taktami zegara systemowego. Zazwyczaj - adres w RAM określa rejestr PC / IP, koncepcja potoku zakłada rozpoczynanie - pobranie rozkazu (opcodu i ewentualnie argumentu), akcji w każdym jego stopniu w tym samym dekodowanie rozkazu i pobranie wartości rejestrów: momencie, kiedy zegar systemowy zmienia - wybranie rejestrów biorących udział w operacjach, stan, generując kolejny takt. Architektura poto- wskazanie dodatkowych argumentów, ku zależy od różnych czynników, w ogólności: pobranie argumentów z pamięci (opcjonalnie): od modelu ISA procesora, - obliczenie adresu efektywnego argumentu w RAM, od architektury CPU, - pobranie argumentu do rejestru tymczasowego, uwzględnia ograniczenia zasobów wykonaw wykonanie rozkazu: czych procesora. - wykonanie obliczeń lub przekształceń, Nowoczesne procesory posiadają mocno roz- wykonanie operacji na pamięci RAM, budowane potoki instrukcyjne złożone - wyznaczenie adresu następnej instrukcji, z ponad 20 stopni, które realizują również zapisanie wyników: zadania optymalizacyjne pracy potoku. - zapisanie do rejestrów procesora wyników obliczeń, - zapisanie adresu następnego rozkazu do rejestru PC / IP. potok instrukcji

20 Projekt P koncepcja potoku: model ścieżki danych

21 Projekt P model ścieżki danych architektura potokowa projektowanego na wykładzie CPU Schemat blokowy ścieżki danych IP STAN OPR IR IR0 NAT RAM RFILE ADR R/W L H MAR CS SEG 0

22 Projekt P model ścieżki danych architektura potokowa projektowanego na wykładzie CPU IF (predecode) IP STAN OPR IR IR0 NAT RAM RFILE ADR R/W L H MAR CS SEG 0

23 Projekt P model ścieżki danych architektura potokowa projektowanego na wykładzie CPU IF ID (predecode) IP STAN OPR IR IR0 NAT RAM RFILE ADR R/W L H MAR CS SEG 0

24 Projekt P model ścieżki danych architektura potokowa projektowanego na wykładzie CPU IF ID AC (predecode) IP STAN OPR IR IR0 NAT RAM RFILE ADR R/W L H MAR CS SEG 0

25 Projekt P model ścieżki danych architektura potokowa projektowanego na wykładzie CPU IF ID AC OF (predecode) IP STAN OPR IR IR0 NAT RAM RFILE ADR R/W L H MAR CS SEG 0

26 Projekt P model ścieżki danych architektura potokowa projektowanego na wykładzie CPU IF ID AC OF EX (predecode) (reg-mem) IP STAN OPR IR IR0 NAT RAM RFILE ADR R/W L H MAR CS SEG 0

27 Projekt P model ścieżki danych architektura potokowa projektowanego na wykładzie CPU IF ID AC OF EX (predecode) (reg-mem) IP STAN OPR NAT IR0 IR RFILE RAM L ADR R/W H SEG 0 CS MAR WB

28 Projekt P model ścieżki danych architektura potokowa projektowanego na wykładzie CPU IF ID AC OF EX (predecode) (reg-mem) IP IR NAT R/W RAM H L RFILE IR0 MAR SEG 0 CS WB rodzaj instrukcji rej rej, rej rej, seg rej, mem jmp / bra IF ns ns ns ns ns ID AC OF EX ns 2ns ns 2ns ns 2ns ns ns ns 2ns ns 2ns brak operacji w potoku (nop) WB S 4ns ns 5ns ns 5ns ns 7ns 4ns

29 Projekt P model ścieżki danych architektura potokowa projektowanego na wykładzie CPU IF ID AC OF EX (predecode) (reg-mem) IP IR H L RFILE IR0 MAR SEG 0 CS Wykonanie rozkazów bez potoku: NAT WB R/W RAM R0 R0 R R R2 [0] R czas (ns) IF ID AC OF EX WB IF ID AC OF EX WB czas potrzebny na wykonanie rozkazu = 7 ns czas potrzebny na wykonanie 3 rozkazów = 2 ns IF ID AC...

30 Projekt P model ścieżki danych architektura potokowa projektowanego na wykładzie CPU IF ID AC OF EX (predecode) (reg-mem) IP IR L RFILE IR0 MAR H SEG 0 CS Wykonanie rozkazów w potoku: NAT WB R/W RAM R0 R0 R R R2 [0] R czas (ns) IF ID AC OF EX WB IF ID AC OF EX WB IF ID AC OF EX WB czas wykonania 3 rozkazów = 9 ns współczynnik zwiększenia wydajności = 2 =

31 Projekt P koncepcja potoku: rejestry w potoku

32 Projekt P rejestry w potoku rodzaj i rozmieszczenie rejestrów dodatkowych w potoku Schemat ścieżki danych z rejestrami potoku IF / ID ID / AC IP L RFILE STAN OPR NAT IR0 IR EX / WB RAM H ADR R/W 2 3 MAR 0 00 OF / EX CS SEG AC / OF

33 Projekt P rejestry w potoku rodzaj i rozmieszczenie rejestrów dodatkowych w potoku Schemat ściezki danych z rejestrami potoku IF / ID ID / AC IP EX / WB L RFILE NAT IR0 IR H RAM R/W 2 3 MAR 0 00 OF / EX CS SEG AC / OF AC RA OF LDRA RB LDRB RADR LDRADR Między stopniami AC/OF znajdują się dodatkowo 4 inne rejestry.

34 Projekt P koncepcja potoku: wykonanie instrukcji

35 Projekt P wykonanie instrukcji działanie potoku podczas wykonania instrukcji procesora Rozkaz: R0 R0 R bajt bajt 2 Słowo instrukcji: rejestr = R ($B = ) rejestr = R0 ($A = 0) kod funkcji (fun = ) opcode instrukcji ($R = 0) read $A read $B set $R fun: $A $B REG, RFILE WR WB EX / WB EX OF / EX MEM ADR, MEM READ OF AC / OF ADR AC ID / AC ID, REG, RFILE READ ID IF / ID IM0, IM IF write $R

36 Projekt P wykonanie instrukcji działanie potoku podczas wykonania instrukcji procesora Rozkaz: R0 R0 R IF / ID ID / AC IP L RFILE STAN OPR NAT IR0 IR EX / WB RAM H ADR R/W 2 3 MAR 0 00 OF / EX CS SEG AC / OF

37 Projekt P wykonanie instrukcji działanie potoku podczas wykonania instrukcji procesora Rozkaz: R R xor DS:[R3 2] bajt Słowo instrukcji: bajt 2 bajt rejestr = R3 ($B = 3) selektor = DS ($S = ) rejestr = R ($A = ) kod funkcji (fun = xor) opcode instrukcji ($R = ) read $A read $B read $S set $R $O read mem[adr] adr: $S $B NAT fun: $A $O REG, RFILE WR WB EX / WB EX OF / EX MEM ADR MEM READ OF AC / OF ADR AC ID / AC ID, REG, RFILE READ SEG READ ID IF / ID IM0, IM, IM2 IF write $R

38 Projekt P wykonanie instrukcji działanie potoku podczas wykonania instrukcji procesora Rozkaz: R R xor DS:[R3 2] IF / ID ID / AC IP L RFILE STAN OPR NAT IR0 IR EX / WB RAM H ADR R/W 2 3 MAR 0 00 OF / EX CS SEG AC / OF

39 Projekt P wykonanie instrukcji działanie potoku podczas wykonania instrukcji procesora Rozkaz: DS:[02] R2 bajt bajt 2 Słowo instrukcji: rejestr = R2 ($B = 2) selektor = DS ($S = ) opcode instrukcji read $B read $S adr: $S NAT mem write REG, RFILE WR WB EX / WB EX OF / EX MEM ADR MEM READ OF AC / OF ADR AC ID / AC ID, REG, RFILE READ SEG READ ID IF / ID IM0, IM IF

40 Projekt P wykonanie instrukcji działanie potoku podczas wykonania instrukcji procesora Rozkaz: DS:[02] R2 IF / ID ID / AC IP L RFILE STAN OPR NAT IR0 IR EX / WB RAM H ADR R/W 2 3 MAR 0 00 OF / EX CS SEG AC / OF

41 Projekt P wykonanie instrukcji działanie potoku podczas wykonania instrukcji procesora Rozkaz: ja CS:[IP56] bajt bajt 2 Słowo instrukcji: xx fun = above opcode instrukcji IP adr calc REG, RFILE WR WB EX / WB EX OF / EX MEM ADR MEM READ OF AC / OF ADR AC ID / AC ID, REG, RFILE READ SEG READ ID IF / ID IM0, IM IF

42 Projekt P wykonanie instrukcji działanie potoku podczas wykonania instrukcji procesora Rozkaz: ja CS:[IP56] IF / ID ID / AC IP L RFILE STAN OPR NAT IR0 IR EX / WB RAM H ADR R/W 2 3 MAR 0 00 OF / EX CS SEG AC / OF

43 Projekt P koncepcja potoku: program w potoku

44 Projekt P program w potoku praca procesora z wypełnionym potokiem Program: R0 DS:[00] R R - R0 ja 3 DS:[R20] R3 R2 32 jmp

45 DS:[R20] R3... OF / EX AC / OF wykonano R0 00 EX / WB REG, RF WR MEM OF / EX EX / WB REG, RF WR EX / WB REG, RF WR OF / EX MEM AC / OF ADR IF / ID ID, REG SEG ID / AC Program: EX / WB REG, RF WR OF / EX MEM MEM ADR ADR AC / OF IF / ID ID, REG SEG ID / AC IF / ID ID, REG SEG ID / AC AC / OF ADR IF / ID ID, REG SEG ID / AC IM ja 3 IM R R - R0 IM R0 DS:[00] IM Projekt P program w potoku praca procesora z wypełnionym potokiem czas

46 Projekt P program w potoku praca procesora z wypełnionym potokiem Program: DS:[R20] R3 R2 32 IF / ID ID / AC IP 2 3 H EX / WB L RFILE STAN OPR NAT IR0 IR 0 ADR RAM OF / EX MAR R0 DS:[00] 00 AC / OF R R - R0 CS SEG ja 3 jmp 250

47 Koniec wykładu