Procesor i jego architektura (CISC, RISC, 32/64 bity). Systemy wieloprocesorowe. wer Wojciech Myszka 16 pa«zdziernika 2008

Transkrypt

1 Procesor i jego architektura (CISC, RISC, 32/64 bity). Systemy wieloprocesorowe. wer. 1.4 Wojciech Myszka 16 pa«zdziernika 2008

2 CISC I Complex Instruction Set Computers nazwa architektury mikroprocesorów o następujących cechach: duża liczba rozkazów (instrukcji) mała optymalizacja niektóre rozkazy potrzebują dużej liczby cykli procesora do wykonania występowanie złożonych, specjalistycznych rozkazów duża liczba trybów adresowania do pamięci może się odwoływać bezpośrednio duża liczba rozkazów mniejsza od RISC-ów częstotliwość taktowania procesora powolne działanie dekodera rozkazów

3 CISC II Przykłady rodzin procesorów o architekturze CISC to między innymi: AMD x86 M68000

4 RISC I Reduced Instruction Set Computers Zredukowana liczba rozkazów do niezbędnego minimum. Ich liczba wynosi kilkadziesiąt (setki w procesorach). Upraszcza to znacznie konstrukcję procesora. Redukcja trybów adresowania większość operacji wykonuje się wg schematu: rejestr C = rejestr A operacja rejestr B.

5 RISC II Ograniczenie komunikacji pomiędzy pamięcią, a procesorem. Do przesyłania danych pomiędzy pamięcią, a rejestrami służą instrukcje, które nazywają się load (załaduj z pamięci), oraz store (zapisz do pamięci); pozostałe instrukcje operują wyłącznie na rejestrach. Schemat działania załaduj daną z pamięci do rejestru, na zawartości rejestru wykonaj działanie, przepisz wynik z rejestru do pamięci. Zwiększenie liczby rejestrów (np. 32, 192, 256, x86 jest 8), co również ma wpływ na zmniejszenie liczby odwołań do pamięci.

6 RISC III Przetwarzanie potokowe (ang. pipelining): wszystkie rozkazy wykonują się w jednym cyklu maszynowym, (znaczne uproszczenie bloku wykonawczego), a zastosowanie superskalarności umożliwia równoległe wykonywanie rozkazów. Superskalarność (ang. Superscalar) możliwość ukończenia kilku instrukcji w pojedynczym cyklu zegara. Jest to możliwe dzięki zwielokrotnieniu jednostek wykonawczych. Pierwszym procesorem Intela z rodziny x86 wykorzystującym superskalarność był procesor Pentium. Większość procesorów superskalarnych nie ma w pełni zduplikowanej jednostki wykonywania kodu mogą mieć wiele ALU, jednostek

7 RISC IV zmiennopozycyjnych i tak dalej, wobec czego pewne instrukcje będą wykonywane bardzo szybko, a inne nie.

8 VLIW Very Long Instruction Word uproszczenie jednostki sterującej, zwiększanie liczby jednostek wykonawczych, technika wcześniejszego wykonania instrukcji (Out-of-Order Execution), sterowanie pracą procesora zostało przerzucone na kompilator (to on decyduje o sposobie działania procesora). Kompilator (ang. compiler) to program służący do automatycznego tłumaczenia kodu napisanego w jednym języku (języku źródłowym) na równoważny kod w innym języku (języku wynikowym)

9 ZISC Zero Instruction Set Computer Jeden z pierwszych procesorów ZISC zawierał 36 niezależnych komórek (uważane są za neurony lub równoległe procesory). Każda z nich może porównać wektor wejściowy (64 bajty) z podobnym wektorem przechowywanym w komórkach pamięci. Jeśli wektor wejściowy odpowiada wektorowi w komórce pamięci to komórka ta wypala. Sygnał wyjściowy zawiera komórki, która miała dopasowanie, oraz znacznik mówiący, że nie wystąpiło dopasowanie.

10 Schemat procesora Rejestr (akumulator) Arytmometr Wskazniki Pamiec (RAM)

11 Podstawowe operacje Instrukcje arytmetyczne Ładuj <adres pamięci> przepisuje zawartość pamięci o wskazanym adresie do rejestru.

12 Podstawowe operacje Instrukcje arytmetyczne Ładuj <adres pamięci> przepisuje zawartość pamięci o wskazanym adresie do rejestru. Zapisz <adres pamięci> przepisuje zawartość akumulatora do pamięci

13 Podstawowe operacje Instrukcje arytmetyczne Ładuj <adres pamięci> przepisuje zawartość pamięci o wskazanym adresie do rejestru. Zapisz <adres pamięci> przepisuje zawartość akumulatora do pamięci Ładuj <liczba> zapisuje liczbę do rejestru

14 Podstawowe operacje Instrukcje arytmetyczne Ładuj <adres pamięci> przepisuje zawartość pamięci o wskazanym adresie do rejestru. Zapisz <adres pamięci> przepisuje zawartość akumulatora do pamięci Ładuj <liczba> zapisuje liczbę do rejestru Dodaj <adres pamięci> do zawartości akumulatora dodaje zawartość komórki o wskazanym adresie (możemy tez założyć, że w podobny sposób potrafi policzyć różnicę, iloczyn i iloraz, choć, w rzeczywistości, nie musi to być prawdą). Wykonanie każdej operacji zmieniającej zawartość rejestru powoduje ustawienie wskaźników (zero, przepełnienie, ujemne).

15 Podstawowe operacje Instrukcje na bitach Neguj zmienia znak liczby w akumulatorze

16 Podstawowe operacje Instrukcje na bitach Neguj zmienia znak liczby w akumulatorze And <adres pamięci> iloczyn logiczny (bit po bicie dwu słów)

17 Podstawowe operacje Instrukcje na bitach Neguj zmienia znak liczby w akumulatorze And <adres pamięci> iloczyn logiczny (bit po bicie dwu słów) Or <adres pamięci>

18 Podstawowe operacje Instrukcje na bitach Neguj zmienia znak liczby w akumulatorze And <adres pamięci> iloczyn logiczny (bit po bicie dwu słów) Or <adres pamięci> Xor <adres pamięci> różnica symetryczna

19 Podstawowe operacje Instrukcje na bitach Neguj zmienia znak liczby w akumulatorze And <adres pamięci> iloczyn logiczny (bit po bicie dwu słów) Or <adres pamięci> Xor <adres pamięci> różnica symetryczna Przesun_w_lewo

20 Podstawowe operacje Instrukcje na bitach Neguj zmienia znak liczby w akumulatorze And <adres pamięci> iloczyn logiczny (bit po bicie dwu słów) Or <adres pamięci> Xor <adres pamięci> różnica symetryczna Przesun_w_lewo Przesun_w_prawo

21 Podstawowe operacje Instrukcje na bitach Neguj zmienia znak liczby w akumulatorze And <adres pamięci> iloczyn logiczny (bit po bicie dwu słów) Or <adres pamięci> Xor <adres pamięci> różnica symetryczna Przesun_w_lewo Przesun_w_prawo Przesun_cyklicznie_w_lewo

22 Podstawowe operacje Instrukcje na bitach Neguj zmienia znak liczby w akumulatorze And <adres pamięci> iloczyn logiczny (bit po bicie dwu słów) Or <adres pamięci> Xor <adres pamięci> różnica symetryczna Przesun_w_lewo Przesun_w_prawo Przesun_cyklicznie_w_lewo Przesun_cyklicznie_w_prawo

23 Podstawowe operacje Instrukcje sterujące Skocz <adres pamięci> bezwarunkowe przekazanie sterowanie do adresu

24 Podstawowe operacje Instrukcje sterujące Skocz <adres pamięci> bezwarunkowe przekazanie sterowanie do adresu Skocz_jezeli_zero <adres pamięci>

25 Podstawowe operacje Instrukcje sterujące Skocz <adres pamięci> bezwarunkowe przekazanie sterowanie do adresu Skocz_jezeli_zero <adres pamięci> Skocz_jezeli_ujemne <adres pamięci>

26 Podstawowe operacje Instrukcje sterujące Skocz <adres pamięci> bezwarunkowe przekazanie sterowanie do adresu Skocz_jezeli_zero <adres pamięci> Skocz_jezeli_ujemne <adres pamięci> Skocz_jesli_nadmiar <adres pamięci>

27 Podstawowe operacje Instrukcje sterujące Skocz <adres pamięci> bezwarunkowe przekazanie sterowanie do adresu Skocz_jezeli_zero <adres pamięci> Skocz_jezeli_ujemne <adres pamięci> Skocz_jesli_nadmiar <adres pamięci> Skocz_do_podprogramu <adres pamięci> bardzo podobne do instrukcji zwykłego skoku, ale dodatkowo zapisuje aktualny stan procesora w specjalnie do tego przeznaczonej pamięci

28 Asembler Bardzo proste działanie: A=B+C

29 Asembler Bardzo proste działanie: A=B+C W komórce o adresie A ma być umieszczony wynik dodawania zawartości komórek o adresie B i C.

30 Asembler Bardzo proste działanie: A=B+C W komórce o adresie A ma być umieszczony wynik dodawania zawartości komórek o adresie B i C. Realizacja komputerowa: Ładuj B Dodaj C Zapisz A

31 MARIE MARIE A Machine Architecture that is Really Intuitive and Easy notacja dwójkowa, zapis w kodzie dopełnieniowym przechowywanie programu, stała długość słowa adresowanie słowne 4K pamięci głównej (12 bitów na każdy adres) 16-bitowe dane (16-bitowe słowa) 16-bitowe rozkazy (4-bitowy kod operacji + 12-bitowy adres) 16-bitowy akumulator (AC) 16-bitowy rejestr rozkazów (IR) 16-bitowy rejestr bufora pamięci (MBR) 12-bitowy licznik rozkazów (PC) 12-bitowy rejestr adresów pamięci (MAR) 8-o bitowy rejestr wejściowy (InREG) 8-o bitowy rejestr wyjściowy (OutREG)

32 Symulator MARIE

33 Asembler Bardziej skomplikowany przykład Z = [(A + B)(C + D)] W

34 Asembler Bardziej skomplikowany przykład Z = [(A + B)(C + D)] W T1 = A + B

35 Asembler Bardziej skomplikowany przykład Z = [(A + B)(C + D)] W T1 = A + B T2 = C + D

36 Asembler Bardziej skomplikowany przykład Z = [(A + B)(C + D)] W T1 = A + B T2 = C + D T3 = T1 T2

37 Asembler Bardziej skomplikowany przykład Z = [(A + B)(C + D)] W T1 = A + B T2 = C + D T3 = T1 T2 Z = T3/W

38 Odwrotna Notacja Polska Popatrzmy na działanie: Ile wynosi wynik?

39 Odwrotna Notacja Polska Popatrzmy na działanie: Ile wynosi wynik? 50 czy 38?

40 Odwrotna Notacja Polska Popatrzmy na działanie: Ile wynosi wynik? 50 czy 38? A który jest poprawny?

41 Odwrotna Notacja Polska Popatrzmy na działanie: Ile wynosi wynik? 50 czy 38? A który jest poprawny? Czemu tak łatwo znaleźć kalkulator który liczy źle?

42 Ważność działań arytmetycznych 1. potęgowanie Nawiasy mogą ją zmieniać!

43 Ważność działań arytmetycznych 1. potęgowanie 2. mnożenie i dzielenie Nawiasy mogą ją zmieniać!

44 Ważność działań arytmetycznych 1. potęgowanie 2. mnożenie i dzielenie 3. dodawanie i odejmowanie Nawiasy mogą ją zmieniać!

45 Czy jest możliwy zapis jednoznaczny? Polski logik, Łukasiewicz, wprowadził notację przedrostkową. Zamiast z = x + y zaproponował zapis: +xy

46 Czy jest możliwy zapis jednoznaczny? Polski logik, Łukasiewicz, wprowadził notację przedrostkową. Zamiast z = x + y zaproponował zapis: +xy Zwracam uwagę że jest on bardzo podobny do zapisu funkcji dwu zmiennych: z = f(x, y) Funkcja suma jest też dwuargumentowa: z = +(x, y)

47 Zapis polski Działanie oznaczające 3 + (7 5) zapisujemy: }{{} 3 }{{}

48 odwrotny zapis polski Utarło się używanie innego zapisu: najpierw podaje się argumenty działania, później samo działanie: xy+ Stąd nazwa: Odwrotna notacja polska. Nasze działanie zapisujemy tak: a to bardziej skomplikowane tak: A B + C D + W /

49 Odwrotna Notacja Polska stos Praktyczna realizacja działania A B + C D + W / wymaga stosu. I dodatkowych operacji w języku wewnętrznym: Zapisz_na_stos przepisuje zawartość akumulatora na stos. Pobierz_ze_stosu pobiera ze stosu wartość i przepisuje ją do akumulatora

50 Stos

51 Stos

52 Prosty kalkulator Praktyczna realizacja działania A B + C D + W / A = 1, B = 2, C = 3, D = 4, W = 5

53 Arytmetyka komputerów Zapis liczb dwójkowy.

54 Arytmetyka komputerów Zapis liczb dwójkowy. Każda z liczb zapisywana jest za pomocą cyfr 0 i 1.

55 Arytmetyka komputerów Zapis liczb dwójkowy. Każda z liczb zapisywana jest za pomocą cyfr 0 i 1. Układ jest pozycyjny waga cyfry zależy od miejsca, w którym została ustawiona.

56 Arytmetyka komputerów Zapis liczb dwójkowy. Każda z liczb zapisywana jest za pomocą cyfr 0 i 1. Układ jest pozycyjny waga cyfry zależy od miejsca, w którym została ustawiona. Najmniej znaczące miejsca są po stronie prawej...

57 Arytmetyka komputerów Zapis liczb dwójkowy. Każda z liczb zapisywana jest za pomocą cyfr 0 i 1. Układ jest pozycyjny waga cyfry zależy od miejsca, w którym została ustawiona. Najmniej znaczące miejsca są po stronie prawej to czyli = 10

58 Arytmetyka komputerów Zapis liczb dwójkowy. Każda z liczb zapisywana jest za pomocą cyfr 0 i 1. Układ jest pozycyjny waga cyfry zależy od miejsca, w którym została ustawiona. Najmniej znaczące miejsca są po stronie prawej to czyli = 10 NB liczby parzyste mają zero na końcu, nieparzyste 1.

59 Arytmetyka komputerów Zapis liczb dwójkowy. Każda z liczb zapisywana jest za pomocą cyfr 0 i 1. Układ jest pozycyjny waga cyfry zależy od miejsca, w którym została ustawiona. Najmniej znaczące miejsca są po stronie prawej to czyli = 10 NB liczby parzyste mają zero na końcu, nieparzyste 1. Arytmetyka dwójkowa bardzo prosta.

60 Arytmetyka komputerów Zapis liczb dwójkowy. Każda z liczb zapisywana jest za pomocą cyfr 0 i 1. Układ jest pozycyjny waga cyfry zależy od miejsca, w którym została ustawiona. Najmniej znaczące miejsca są po stronie prawej to czyli = 10 NB liczby parzyste mają zero na końcu, nieparzyste 1. Arytmetyka dwójkowa bardzo prosta = 0

61 Arytmetyka komputerów Zapis liczb dwójkowy. Każda z liczb zapisywana jest za pomocą cyfr 0 i 1. Układ jest pozycyjny waga cyfry zależy od miejsca, w którym została ustawiona. Najmniej znaczące miejsca są po stronie prawej to czyli = 10 NB liczby parzyste mają zero na końcu, nieparzyste 1. Arytmetyka dwójkowa bardzo prosta = = = 1

62 Arytmetyka komputerów Zapis liczb dwójkowy. Każda z liczb zapisywana jest za pomocą cyfr 0 i 1. Układ jest pozycyjny waga cyfry zależy od miejsca, w którym została ustawiona. Najmniej znaczące miejsca są po stronie prawej to czyli = 10 NB liczby parzyste mają zero na końcu, nieparzyste 1. Arytmetyka dwójkowa bardzo prosta = = = = 10

63 Arytmetyka komputerów Zapis liczb dwójkowy. Każda z liczb zapisywana jest za pomocą cyfr 0 i 1. Układ jest pozycyjny waga cyfry zależy od miejsca, w którym została ustawiona. Najmniej znaczące miejsca są po stronie prawej to czyli = 10 NB liczby parzyste mają zero na końcu, nieparzyste 1. Arytmetyka dwójkowa bardzo prosta = = = = = 1

64 Arytmetyka komputerów Zapis liczb dwójkowy. Każda z liczb zapisywana jest za pomocą cyfr 0 i 1. Układ jest pozycyjny waga cyfry zależy od miejsca, w którym została ustawiona. Najmniej znaczące miejsca są po stronie prawej to czyli = 10 NB liczby parzyste mają zero na końcu, nieparzyste 1. Arytmetyka dwójkowa bardzo prosta = = = = = = 0 1 = 0

65 Arytmetyka komputerów Zapis liczb dwójkowy. Każda z liczb zapisywana jest za pomocą cyfr 0 i 1. Układ jest pozycyjny waga cyfry zależy od miejsca, w którym została ustawiona. Najmniej znaczące miejsca są po stronie prawej to czyli = 10 NB liczby parzyste mają zero na końcu, nieparzyste 1. Arytmetyka dwójkowa bardzo prosta = = = = = = 0 1 = = 0

66 Operacje logiczne (Podstawowe) operacje logiczne to suma logiczna (OR), iloczyn logiczny (AND), negacja (NOT), różnica symetryczna (XOR) OR AND XOR

67 Arytmetyka komputera Arytmetyka klasyczna Jesteśmy przyzwyczajeni do następujących rzeczy : 1. Jeżeli x 0 to a a + x a

68 Arytmetyka komputera Arytmetyka klasyczna Jesteśmy przyzwyczajeni do następujących rzeczy : 1. Jeżeli x 0 to a a + x a 2. a + b + + z = z + y + + b + a

69 Arytmetyka komputera Arytmetyka klasyczna Jesteśmy przyzwyczajeni do następujących rzeczy : 1. Jeżeli x 0 to a a + x a 2. a + b + + z = z + y + + b + a 3. a, b R a < b c : a < c < b

70 Arytmetyka komputera Arytmetyka klasyczna Jesteśmy przyzwyczajeni do następujących rzeczy : 1. Jeżeli x 0 to a a + x a 2. a + b + + z = z + y + + b + a 3. a, b R a < b c : a < c < b W arytmetyce komputerowej powyższe zasady nie obowiązują!

71 Liczby zmiennoprzecinkowe 1. Arytmetyka 1.1 Liczby naturalne 1.2 Liczby całkowite 1.3 Liczby wymierne 1.4 Liczby rzeczywiste 2. Komptery 2.1 Liczby całkowite ( integer ) 2.2 Liczby stałoprzecinkowe 2.3 Liczby zmiennoprzecinkowe

72 Liczby całkowite I Sytuacja dosyć klarowna. Na n bitach możemy zapisać liczby całkowite dodatnie z zakresu od zera do 2 n 1 Jest pewien problem z liczbami ujemnymi: trzeba zarezerwować miejsce na znak Trzeba to tak zrobić, żeby podstawowe operacje (dodawanie, odejmowanie i mnożenie,... ) były wykonywane tak samo gdy argumenty są dodatnie jak i wtedy gdy są ujemne. Układ uzupełnieniowy to załatwił.

73 Liczby całkowite II Czasami korzysta się z kodu BCD (Binary Coded Decimal (cyfry) dziesiętne kodowane binarnie: liczba zapisywana jest w układzie dziesiętnym (za pomocą cyfr dziesiętnych), ale poszczególne cyfry kodowane są binarnie 321 (10) zapisywane jest jako

74 Liczby stałoprzecinkowe 1. Liczby w których na zapamiętanie części całkowitej przeznacza się kilka(naście/dziesiąt) bitów 2. Na zapamiętanie części ułamkowej również używa się kilku(nastu?) bitów: , co odczytujemy jako: lub czyli 10, Używany bardzo rzadko (finanse??) 4. Z matematycznego punktu widzenia są to liczby wymierne 5. Jak w tej postaci zapisać liczbę 1,1

75 Liczby zmiennoprzecinkowe I 1. Są to liczby zapisywane (kodowane) w sposób podobny do zananego nam: c = m/s 2. Czyli w postaci mantysa (2, ) plus wykładnik 8, zatem 2, *10 8 albo inaczej 2, e8 3. W przypadku komputerów podstawa kodowania (tak mantysy jak i wykładnika) to 2! 4. Dodatkowo liczby zapisywane są zawsze w postaci znormalizowanej czyli takiej, że cyfra przed przecinkiem (kropką) dziesiętnym jest zawsze z zakresu między 1 a 9. (a w układzie dwójkowym zawsze jest równa 1!) 5. Na zapamiętanie mantysy i wykładnika przeznaczana jest zawsze skończona liczba bitów.

76 Liczby zmiennoprzecinkowe II 6. Z matematycznego punktu widzenia są to liczby wymierne. 7. Sposób zapisu liczb zmiennoprzecinkowych reguluje standard IEE-754.

77 Parę problemów 1. Zawsze(?) ograniczona liczba bitów przeznaczona na zapamiętanie liczby (ale znane są specjalne programy, które starają się te ograniczenie przezwyciężać). 2. Wynik działań arytmetycznych często prowadzi do powstania nadmiaru (czyli przekroczenia maksymalnej dopuszczalnej wartości liczb). 3. Większość liczb który (z przyzwyczajenia) traktujemy jako dokładne nie ma dokładnej reprezentacji dwójkowej (0,5 jest OK ale 0,1 już nie.