Máté: Architektúrák7. előadás1 RISC – CISC RISC: Reduced Instruction Set Computer csökkentett utasításkészletű számítógép CISC: Complex Instruction Set.

Az előadások a következő témára: "Máté: Architektúrák7. előadás1 RISC – CISC RISC: Reduced Instruction Set Computer csökkentett utasításkészletű számítógép CISC: Complex Instruction Set."— Előadás másolata:

1 Máté: Architektúrák7. előadás1 RISC – CISC RISC: Reduced Instruction Set Computer csökkentett utasításkészletű számítógép CISC: Complex Instruction Set Computer összetett utasításkészletű számítógép A 70-es években nagyon sok bonyolult utasítást építettek a gépekbe, mert a ROM-oknak a RAM- okhoz viszonyított nagy sebessége a mikroprogram gyors lefutását – a bonyolult utasítás viszonylag gyors végrehajtását eredményezte → CISC. Nem volt ritka a 200-300 utasítással rendelkező gép.

2 Máté: Architektúrák7. előadás2 A RISC kialakulása IBM-801 (John Cocke) Seymour Cray ötletei alapján nagy teljesítményű miniszámítógép. Nem került piacra, csak 1982-ben publikálták. Berkeley 1980 (David Petterson, Carlo Séquin) RISC I, később RISC II Stanford 1981 (John Hennessy) MIPS → SPARC Elv: Csak olyan utasítások legyenek, amelyek az adatút egyszeri bejárásával végrehajthatók. Tipikusan kb. 50 utasításuk van. Ha egy CICS utasítása 4-5 RISC utasítással helyettesítherő, és a RISC 10-szer gyorsabb, akkor is a RISC nyer.

3 Máté: Architektúrák7. előadás3 Időközben a RAM-ok sebessége csaknem elérte a ROM-ok sebességét, ez is a RISC mellett szól. K O M P A T I B I L I T Á S Az Intel túlélte: a 486-os processzortól kezdődően minden processzora tartalmaz RISC magot, amely a legegyszerűbb, és egyben leggyakoribb utasításokat egyetlen adatút ciklus alatt hajtja végre, csak a többit – a ritkábban előfordulókat – interpretálja a CISC elvnek megfelelően → versenyképes maradt.

4 Máté: Architektúrák7. előadás4 Korszerű számítógépek (RISC) tervezési elvei Minden utasítást közvetlenül a hardver hajtson végre Maximalizálni az utasítások kiadásának ütemét Az utasítások könnyen dekódolhatók legyenek Csak a betöltő és tároló utasítások hivatkozzanak a memóriára → Sok (legalább 32) regiszter kell

5 Máté: Architektúrák7. előadás5 Párhuzamosítás: utasítás vagy processzor szintű. Utasítás szintű: szállítószalag, csővezeték (pipelining). Kezdetben: Utasítás beolvasásUtasítás végrehajtás Minden fázist külön hardver hajt végre (2.4. ábra), ezek párhuzamosan működhetnek (szerelő csarnok). utasítás beolvasó egység utasítás dekódoló egység operandus beolvasó egység utasítás végrehajtó egység eredmény visszaíró egység S1 S2 S3 S4 S5

6 Máté: Architektúrák7. előadás6 2.4. ábra Késleltetés (latency): mennyi ideig tart egy utasítás. Áteresztőképesség (processor bandwidth): hány MIPS (Million Instruction Per Second) a sebesség. A végrehajtás alatt lévő utasítás sorszáma S1:123456789 S2:12345678 S3:1234567… S4:123456 S5:12345 idő123456789…

7 Máté: Architektúrák7. előadás7 Több szállítószalagos CPU Két szállítószalag (2.5. ábra): Két végrehajtó egység, de közös regiszterek, A két szállítószalag lehet különböző is (Pentium): fő – ez többet tud, elsőbbséget élvez – és mellék Bonyolult szabályok a párhuzamos végrehajthatóságra (fordítók vagy hardver). S1 S2 S3 S4 S5 utasítás beolvasó egység utasítás dekódoló egység operandus beolvasó egység utasítás végrehajtó egység eredmény visszaíró egység utasítás dekódoló egység operandus beolvasó egység utasítás végrehajtó egység eredmény visszaíró egység

8 Máté: Architektúrák7. előadás8 Szuperskaláris processzor 5 funkcionális egységgel: S1 S2 S3 S5 utasítás beolvasó egység utasítás dekódoló egység operandus beolvasó egység ALU eredmény visszaíró egység S4 ALU LOAD STORE lebegő- pontos egység 2.6. ábra

9 Máté: Architektúrák7. előadás9 Processzor szintű párhuzamosítás Tömb (array) processzor (2.7. ábra) Vezérlő egység Teríti az utasításokat processzor memória 8*8-as processzor/memória rács sok azonos processzor (ILLIAC IV: (4*)8*8), mindnek saját memóriája. Vezérlő processzor adja ki a feladatot. Mindegyik processzor ugyanazt csinálja, de a saját adatain. Már nem divatos (drága, nehéz kihasználni).

10 Máté: Architektúrák7. előadás10 Vektor processzorok Vektor regisztereket használnak. A vektor regiszter több hagyományos regiszterből áll. Gyors szállítószalag gondoskodik a regiszterek feltöltéséről, szintén gyors szállítószalag továbbítja a regiszterek tartamát az aritmetikai egységbe, pl. a vektor regiszterek összeadásához. Az eredmények szintén vektor regiszterbe kerülnek. Jól kombinálhatók hagyományos processzorokkal.

11 Máté: Architektúrák7. előadás11 Multiprocesszorok CPU … közös memória A közös memória megkönnyíti a feladat megosztását. Csak közös memória. Nagyon terheli a memória sínt. Lokális memória is van. Sok (>64) processzoros rendszert nehéz építeni a közös memória miatt. CPU … közös memória helyi memóriák 2.8. ábra

12 Máté: Architektúrák7. előadás12 Multiszámítógépek: Nincs közös memória: A CPU-k üzenetekkel tartják egymással a kapcsolatot. Néhány μs üzenet idő. 2-3 dimenziós hálók, fák, gyűrűk. Közel 10 000-es rendszer is van.

13 Máté: Architektúrák7. előadás13 A mikroarchitektúra szint tervezése Mic-1: olcsó, de lassú. Sebesség növelés: rövidebb óraciklus, kevesebb óraciklus az utasítások végrehajtásához, az utasítások végrehajtásának átlapolása. B sín 9 regiszterét 4 bittel címeztük: dekódolóra van szükség, növeli az adatút ciklus idejét! (4.6. ábra) Úthossz (path length, a szükséges ciklusok száma) rövidítése: goto Main1 sokszor megspórolható, jobb microprogram vagy pl. PC növelésére külön áramkör (ez legtöbbször fetch-csel együtt történik).

14 Máté: Architektúrák7. előadás14 goto Main1 sokszor megspórolható (4.23-24. ábra): 0x57POPA verem legfelső szavát eldobja. pop1MAR=SP=SP-1; rd //2. szó címe, olvas pop2 // vár pop3TOS=MDR; goto main1 //TOS=a verem teteje main1PC=PC+1;fetch;goto(MBR) //következő ut. Új változat pop1MAR=SP=SP-1; rd pop2PC=PC+1; fetch //következő ut. olvasása pop3TOS=MDR; fetch; goto(MBR)

15 Máté: Architektúrák7. előadás15 6 ALU vezérlés A B 2 N Z ALU MAR MDR PC MBR SP LV CPP TOS OPC H Léptető memória C sín B sín memória C sín N Z ALU MAR MDR PC MBR SP LV CPP TOS OPC H Léptető B sín A sín 6 ALU vezérlés 2 4.1. ábra Mic-1 ~4.29. ábra Háromsínes architektúra

16 Máté: Architektúrák7. előadás16 Három sínes architektúra Sok regiszter csatlakozhat az A sínhez, nemcsak H (4.1., 4.29. ábra). Előnye: a két sínes architektúrával szemben pl. iload -ban nem kell H = LV (4.25-26. ábra). ILOAD varnum // lokális változó a verembe varnum a lokális változó 8 bites indexe.

17 Máté: Architektúrák7. előadás17 Mic-1 kód (4.25. ábra) iload1H = LV iload2MAR = MBRU + H; rd iload3MAR = SP = SP + 1 iload4PC = PC + 1; fetch; wr iload5TOS = MDR; goto main1 main1PC = PC + 1; fetch; goto(MBR) Három sínes kód(4.25-26. ábra) iload1MAR = MBRU + LV; rd iload2MAR = SP = SP + 1 iload3PC = PC + 1; fetch; wr iload4TOS = MDR iload5PC = PC + 1; fetch; goto(MBR)

18 Máté: Architektúrák7. előadás18 Mic-1 kód (4.25. ábra) iload1H = LV iload2MAR = MBRU + H; rd iload3MAR = SP = SP + 1 iload4PC = PC + 1; fetch; wr iload5TOS = MDR; goto main1 main1PC = PC + 1; fetch; goto(MBR) Három sínes kód(4.25-26. ábra) iload1PC = PC + 1; fetch iload2MAR = MBRU + LV; rd iload3MAR = SP = SP + 1 iload4TOS = MDR; wr iload5PC = PC + 1; fetch; goto(MBR)

19 Máté: Architektúrák7. előadás19 A PC-vel kapcsolatos teendők: –PC növelése 1-gyel, –fetch, –2 bájtos operandus olvasás a memóriából. ALU-nál egyszerűbb áramkörrel megvalósíthatók. Utasításbetöltő egység (IFU – Instruction Fetch Unit) értelmezhet minden kódot, hogy kell-e operandus, de egyszerűbb, ha a kódtól függetlenül előkészíti a következő 8 és 16 bites részt (4.27. ábra).

20 Máté: Architektúrák7. előadás20 Memória felé Utasításbetöltő egység (IFU – Instruction Fetch Unit) B sín 4.27. ábra MBR MBR2 Memória felől Léptető regiszter PC IMAR +1, 2 +1 C sín Legalacsonyabb 2 bit

21 Máté: Architektúrák7. előadás21 Véges állapotú gép (FSM – Finite State Machine, 4.28. ábra): 0, …, 6: állapotok, élek: események. 0 1 2 3 4 56 MBR1 MBR2 Szó olvasás

22 Máté: Architektúrák7. előadás22 MAR MDR PC MBR1 MBR2 SP LV CPP TOS OPC H memória C sín B sín A sín ALU N Z Léptető 6 ALU vezérlés 2 IFU Mic-2 (4.29. ábra) Main1 fölösleges, PC növeléséhez nem kell az ALU, a 8 és 16 bites operandusokat IFU adja.

23 Máté: Architektúrák7. előadás23 Mic-2 (4.29. ábra) Több hardver kell az A sín címzése és IFU miatt, de kevesebb mikroutasítás kell, pl. WIDE ILOAD-hoz az eddigi 9 helyett csak 4 (v.ö. 4.17. ábra). WIDE ILOAD varnum //beteszi a 16 bites varnum indexű lokális változót a verembe: wide1goto (MBR1 OR 0x100) w_iload1MAR=LV+MBR2U; rd; goto iload2 iload1MAR=LV+MBR1U; rd // változó olvasása iload2MAR=SP=SP+1 // vermelés előkészítése iload3TOS=MDR; wr; goto (MBR1)

24 Máté: Architektúrák7. előadás24 Mic-2 adatútja és IFU kapcsolata: Ha PC értéket kap a C sínről, azt IMAR is megkapja. Ilyenkor a mikroprogramnak várnia kell a léptető regiszter, MBR1 és MBR2 feltöltésére. IMAR módosul, amint a léptető regiszterbe írta a következő 4 bájtot, de PC csak akkor, ha MBR1vagy MBR2 olvasása történik. goto1H=PC-1 // IFU már csinált PC=PC+1-et goto2PC=H+MBR2 // itt folytatódik a program goto3 // IFU még nincs kész, várni kell! goto4goto (MBR1) // a folytatás 1. utasítása

25 Máté: Architektúrák7. előadás25 A IFLT offset utasítás (Mic-2) Kivesz egy szót a veremből és ugrik, ha negatív. iflt1MAR=SP=SP-1; rd // 2. szó a veremből iflt2OPC=TOS // TOS mentése iflt3TOS=MDR // TOS= a verem új teteje iflt4N=OPC; if(N) goto T; else goto F //elágazás TH=PC-1; goto goto2 // igaz ág FH=MBR2 // hamis ág, eldobja offset –et F2goto (MBR1) // a folytatás 1. utasítása

26 Máté: Architektúrák7. előadás26 MAR MDR PC MBR MBR2 SP LV CPP TOS OPC H memória C sín B sín A sín ALU N Z Léptető 6 ALU vezérlés 2 IFU A Mic-2 adatút idejének összetevői (4.29. ábra): az A és B sínek feltöltése a regiszterekből, az ALU és a léptető munkája, az eredmények tárolása a C sínről.

27 Máté: Architektúrák7. előadás27 MAR MDR PC MBR1 MBR2 SP LV CPP TOS OPC H memória C sín B sín A sín ALU N Z Léptető 6 ALU vezérlés 2 IFU Csővonalas terv: Mic-3 (4.31. ábra) A, B és C tároló. 3 mikrolépés: A, B feltöltése, C feltöltése az ALU és a léptető eredménye alapján, C tárolása regiszterbe. A 3 mikrolépés egyidejűleg (párhuzamosan) végrehajtható! CAB

28 Máté: Architektúrák7. előadás28 Pl.: a verem két felső szavának cseréje Mic-3-on (4.33. ábra): swap1swap2swap3swap4swap5swap6 cyMAR= SP-1;rd MAR= SP H=MDR; wr MDR= TOS MAR= SP-1;wr TOS=H; goto(MBR1) 1B=SP 2C=B-1B=SP 3MAR=C;rdC=BVárni kell! 4MDR=memMAR=CVárni kell! 5B=MDR 6C=BB=TOS 7H=C;wrC=BB=SP 8mem=MDRMDR=CC=B-1B=H 9MAR=C;wrC=B 10mem=MDRTOS=C 11goto(MBR1) Valódi függőség RAW – Read After Write! Elakadás eldugaszolja a csővezetéket!

29 Máté: Architektúrák7. előadás29 Hétszakaszú csővezeték: Mic-4 (4.35. ábra) 1.Az IFU a bejövő bájtfolyamot a dekódolóba küldi. 2.A dekódolóban van egy táblázat, amely minden utasításnak tudja a hosszát. A WIDE prefixumot felismeri, pl. WIDE ILOAD –ot átalakítja WIDE_ILOAD –dá: pl. 9 bites utasítás kód. El tudja különíteni az utasítás kódokat és az operandusokat. Az operandusokat a léptető regiszterbe teszi, onnan tölti fel MBR1-et és MBR2-t. Dekódoló 2 IFU m e m ó r i a IJVM hossz 1 Léptető regiszter MBR1 MBR2

30 Máté: Architektúrák7. előadás30 Dekódoló 2 A dekódoló egy másik táblázata megmutatja, hogy a sorba állító egységben lévő ROM melyik címén kezdődnek a kódhoz tartozó mikroműveletek. Nincs NEXT_ADDRESS és JAM mező. Nincs feltétlen ugrást végző mikroművelet. Az egyes IJVM utasításokat megvalósító mikroműveletek egymás után vannak a ROM-ban, az utolsónál a Final be van állítva. Mikroművelet ROM IADD ISUB IFLT A függő mikroműveletek sora (RAM) 3 Sorba állító egység Final Goto

31 Máté: Architektúrák7. előadás31 Dekódoló 2 3.A sorba állító egység a ROM-ból a RAM-ba másolja a mikroműveleteket, amint van hely a RAM-ban. A kódhoz tartozó utolsó mikroművelet Final bitje jelzi, hogy nincs több átmásolandó mikroművelet. Ha a mikroműveletek között nem volt olyan, amelyik Goto bitje be volt állítva, akkor nyugtázó jelet küld a dekódolónak, hogy folytathatja a munkáját. Mikroművelet ROM IADD ISUB IFLT A függő mikroműveletek sora (RAM) 3 Sorba állító egység Final Goto

32 Máté: Architektúrák7. előadás32 Néhány IJVM utasítás (pl. IFLT) elágazást kíván. A feltételes mikroutasítások speciális utasítások, ezeket külön mikroműveletként kell megadni. Tartalmazzák a JAM biteket és a Goto bitet. A Goto bit arra szolgál, hogy a sorba állító egység le tudja állítani további utasítások dekódolását. Mindaddig nem lehet tudni, hogy melyik utasítás következik a feltételes utasítás után, amíg a feltétel ki nem értékelődött. –Ha létrejön az elágazás, akkor a csővezeték nem folytatódhat. „Tiszta lapot” kell csinálni IFU-ban, dekódolóban és a sorba állító egységben, majd az offset-nek megfelelő címtől folytatódik a betöltés. –Ha az ugrás feltétele nem teljesül, akkor a dekódoló megkapja a nyugtázó jelet, és a következő utasítással folytatódhat a dekódolás.

33 Máté: Architektúrák7. előadás33 Az adatutat 4 független MIR vezérli. Minden óraciklus kezdetekor MIRi föltöltődik a fölötte lévőből, MIR1 pedig a RAM-ból. 4. MIR1 az A, B regiszterek feltöltését, 5. MIR2 az ALU és a léptető működését, 6. MIR3 az eredmény tárolását, 7. MIR4 pedig a memória műveleteket vezérli. ALU C M A B MIR2 ALU C M A B MIR1 ALU C M A B MIR3 ALU C M A B MIR4 4 5 6 7 memória Regisz- terek ALU Léptető AB 4 5 6 7 C

34 Máté: Architektúrák7. előadás34 Hétszakaszú csővezeték: Mic-4 (4.35. ábra) IFU m e m ó r i a 1 Dekódoló Léptető regiszter 2 Regisz- terek ALU Léptető AB 4 5 6 7 C MBR1 MBR2 Mikroművelet ROM IADD ISUB IFLT A függő mikroműveletek sora (RAM) 3 Sorba állító egység Final Goto ALU C M A B MIR2 ALU C M A B MIR1 ALU C M A B MIR3 ALU C M A B MIR4 4 5 6 7

35 Máté: Architektúrák7. előadás35 IFLT offset programozása Mic-4-en: iflt1iflt2iflt3iflt4 (Final=1, Goto=1) cy MAR=SP= SP-1; rd OPC= TOS TOS=MDRN=OPC; if(N) GOTO offset 1B=SP 2C=B-1B=TOS 3MAR=SP=C; rdC=BVárni kell! 4MDR=memOPC=CVárni kell! 5B=MDR 6C=BB=OPC 7TOS=CC=B 8 N PC=PC-1+MBR2; „tiszta lap”, majd a PC által mutatott címtől utasítás betöltés, … #N MBR2 –t eldobni, folytatódhat a dekódolás A 8. ciklus feladata túl bonyolult! MBR2-1 előre kiszámítható.

36 Máté: Architektúrák7. előadás36 IFLT offset programozása Mic-4-en: iflt1iflt2iflt3iflt4iflt5 (Final=1, Goto=1) cy MAR=SP= SP-1; rd OPC= TOS H=MBR2- 1 TOS=MD R N=OPC; if(N) GOTO offset 1B=SP 2C=B-1B=TOS 3MAR=SP=C; rdC=BB=MBR2 4MDR=memOPC=CC=B-1Várni kell! 5H=CB=MDR 6C=BB=OPC 7TOS=CC=B 8 N PC=PC+H; „tiszta lap”, majd a PC által mutatott címtől utasítás betöltés, … #N folytatódhat a dekódolás Az IJVM feltétlen ugrását a dekódoló is feldolgozhatja.

37 Máté: Architektúrák7. előadás37 Elágazás jövendölés (4.40. ábra) Legkorábban a dekódoló veheti észre, hogy ugró utasítást kell végrehajtani, de addigra a következő utasítás már a csővezetékben van! ProgramCímkeGépi utasításMegjegyzés if(i==0)CMP i,0 összehasonlítás BNE else feltételes ugrás k=1;then:MOV k,1k=1 elseBR next feltétlen ugrás k=2;else:MOV k,2k=2 next: A BR next utasítással is probléma van!

38 Máté: Architektúrák7. előadás38 Elágazás jövendölés (4.40. ábra) Eltolás rés (delay slot): Az ugró utasítás utáni pozíció. Az ugró utasítás végrehajtásakor ez az utasítás már a csővezetékben van! Megoldási lehetőségek: Pentium 4: bonyolult hardver gondoskodik a csővezeték helyreállításáról UltraSPARC III: az eltolás résben lévő utasítás végrehajtásra kerül(!). A felhasználóra (fordítóra) bízza a probléma megoldását, a legrosszabb esetben NOP utasítást kell tenni az ugró utasítás után.

39 Máté: Architektúrák7. előadás39 Feltételes elágazás Sok gép megjövendöli, hogy egy ugrást végre kell hajtani vagy sem. Egy triviális jóslás: a visszafelé irányulót végre kell hajtani (ilyen van a ciklusok végén), az előre irányulót nem (jobb, mint a semmi). Feltételes elágazás esetén a gép tovább futhat a jövendölt ágon, amíg nem ír regiszterbe, csak „firkáló” regiszterekbe írhat. Ha a jóslat bejött, akkor minden rendben, ha nem, akkor sincs baj. Több feltételes elágazás egymás után!

40 Máté: Architektúrák7. előadás40 Dinamikus elágazás jövendölés Elágazás előzmények tábla (4.41. ábra), hasonló jellegű, mint a gyorsító tár. Lehet több utas is! Egy jövendölő bit: mi volt legutóbb, N-1 … 3 2 1 0 Elágazási cím/tag Bejegy- zés Valid Elágazás volt/nem volt

41 Máté: Architektúrák7. előadás41 Két jövendölő bit: mi várható és mi volt legutóbb. N-1 … 3 2 1 0 Elágazási cím/tag Bejegy- zés Valid Jövendölő bitek Ha egy belső ciklus újra indul, akkor az várható, hogy a ciklus végén vissza kell ugrani, pedig legutóbb nem kellett.

42 Máté: Architektúrák7. előadás42 A várható bitet csak akkor írja át, ha egymás után kétszer téves volt a jóslat (4.42. ábra). nincs elágazás 01 Jóslás: nem lesz újabb elágazás 10 Jóslás: újra elágazás lesz 00 Jóslás: nincs elágazás 11 Jóslás: elágazás elágazás nincs elágazás elágazás nincs elágazás

43 Máté: Architektúrák7. előadás43 A táblázat a legutóbbi célcímet is tartalmazhatja. N-1 … 3 2 1 0 Elágazási cím/tag Bejegy- zés Valid Jövendölő bitek Ha az a jövendölés, hogy lesz elágazás, akkor arra számít, hogy a legutóbb tárolt célcímre kell ugrani (ezt persze ellenőrizni kell). Célcím

44 Máté: Architektúrák7. előadás44 Figyeljük, hogy az utolsó k feltételes elágazást végre kellett-e hajtani. Ez egy k bites számot eredményez, ezt az elágazási előzmények blokkos regiszterében tároljuk. Ha a k bites szám megegyezik a táblázat valamely bejegyzésének a kulcsával (találat), akkor az ott talált jövendölést használja.

45 Máté: Architektúrák7. előadás45 Statikus elágazás jövendölés A feltételes utasításoknak néha olyan változata is van (pl. UltraSPARC III), mely tartalmaz bitet a jóslásra. A fordító ezt a bitet valahogy beállítja. Olyankor is statikus elágazás jövendölés történik, ha a processzor arra számít, hogy a visszafelé ugrások bekövetkeznek, az előre ugrások nem.

46 Máté: Architektúrák7. előadás46 Szuperskaláris architektúrák (2. 6. ábra) S1 S2 S3 S5 utasítás beolvasó egység utasítás dekódoló egység operandus beolvasó egység ALU eredmény visszaíró egység S4 ALU LOAD STORE Lebegő- pontos egység Szuperskaláris processzor 5 funkcionális egységgel

47 Máté: Architektúrák7. előadás47 Szuperskaláris architektúra esetén a dekódoló egység az utasításokat mikroutasításokra darabolhatja. Legegyszerűbb, ha a mikroutasítások végrehajtási sorrendje megegyezik a betöltés sorrendjével, de ez nem mindig optimális. Függőségek Ha egy utasítás írni/olvasni akar egy regisztert, akkor meg kell várja azon korábbi utasítások befejezését, amelyek ezt a regisztert írni/olvasni akarták!

48 Máté: Architektúrák7. előadás48 Függőségek Egy utasítás nem hajtható végre az alábbi esetekben: RAW (valódi) függőség (Read After Write): Onnan akarunk olvasni (operandus), ahova még nem fejeződött be egy korábbi írás. WAR függőség (Write After Read): Olyan regiszterbe szeretnénk írni az eredményt, ahonnan még nem fejeződött be egy korábbi olvasás. WAW függőség (Write After Write): Olyan regiszterbe szeretnénk írni az eredményt, ahova még nem fejeződött be egy korábbi írás. Ne boruljon föl az írások sorrendje!

49 Máté: Architektúrák7. előadás49 Függőségek: nem olvashatjuk, aminek az írása még nem fejeződött be (RAW), és nem írhatjuk felül, amit korábbi utasítás olvasni (WAR) vagy írni akar (WAW). Regiszterenként egy-egy számláló, hogy hány végrehajtás alatt lévő mikroutasítás használja a regisztert olvasásra illetve írásra. Pl. Tegyük fel, hogy az n. ciklusban dekódolt utasítás végrehajtása legkorábban az (n+1). ciklusban kezdődhet, és a következőben fejeződik be, a szorzás csak két ciklussal később, a dekódoló ciklusonként két utasítást tud kiosztani (a valóságban 4-6 utasítást). Az utasítások indítása és befejezése az eredeti sorrendben történjék! C= ciklus, I=indítás, B=befejezés (~4.43. ábra).

50 Máté: Architektúrák7. előadás50 Olvasott regiszterekÍrt regiszterek C#DekódoltIB0123456701234567 11212 R3=R0*R1 R4=R0+R2 1212 1212 11111 11111 23434 R5=R0+R1 R6=R1+R4 3-3- 3333 2222 1111 1111 1111 1111 3321111 4123123 2121 1111 111111 5 5R7=R1*R2 4545 12121 1111 11111 66R1=R0-R2-21111 74111 85 9 7R3=R3*R1 6-6- 1111 1111 1111 0000 101110 116 12 8R1=R4+R4 7-7- 1111 1111 1111 RAW R4 miatt I2 csak I1 után fejeződhet be WAR R1 miatt Csak a ciklus végére történik meg a visszaírás R4-be RAW R1 miatt megjegyzéshiba

51 Máté: Architektúrák7. előadás51 Olvasott regiszterekÍrt regiszterek C#DekódoltIB0123456701234567 9 7R3=R3*R1 6-6- 1111 1111 1111 0000 101110 116 12 8R1=R4+R4 7-7- 1111 1111 1111 13111 14111 157 16821 1721 188 RAW R1 miatt WAR R1 miatt

52 Máté: Architektúrák7. előadás52 Néhány gép bizonyos utasításokat átugorva függőben hagy, előbb későbbi utasításokat hajt végre, és később tér vissza a függőben hagyott utasítások végrehajtására (~4.44. ábra).

53 Máté: Architektúrák7. előadás53 Sorrendtől eltérő végrehajtás (kezdés és befejezés) esetén (4.44. ábra) Olvasott regiszterekÍrt regiszterek C#DekódoltIB01234567120123456712 11212 R3=R0*R1 R4=R0+R2 1212 1212 11111 11111 23434 R5=R0+R1 R6=R1+R4 3-3- 3333 2222 1111 0 1111 1111 11110 35656 R7=R1*R2 R1(S1)=R0-R2 5656 2 343343 333333 232232 000000 111111 1111 1111110 000000 111111 1111 RAW WAR: R1 helyett S1 I5 megelőzi I4-et I4 nem indulhat RAW függőség (R4) I2 miatt, de adminisztrációt igényel, hogy melyik regisztereket használja (függőséget okozhat). I5 megelőzheti a I4 –et. I6 R1=R0-R2 helyett S1=R0-R2. Az S1 segéd regisztert használja R1 helyett (regiszter átnevezés). Az eredményt később átmásolhatja R1 -be, ha R1 fölszabadult.

54 Máté: Architektúrák7. előadás54 I6 eredménye R1 helyett S1-ben képződik (regiszter átnevezés)! Mostantól R1 helyett S1-et kell használni! I7RAW és WAW függőség R3 miatt (I1), RAW függőség R1 (S1) miatt (I6), regiszter átnevezés miatt: R3=R3*R1 helyett R3=R3*S1 I8WAR függőség: R1-et I1, I3 olvassa, S1-be I7 ír (WAW) ezért R1=R4*R4 helyett S2=R4*R4 (mostantól R1 helyett S2 kell). Olvasott regiszterekÍrt regiszterek C#DekódoltIB01234567120123456712 11212 R3=R0*R1 R4=R0+R2 1212 1212 11111 11111 23434 R5=R0+R1 R6=R1+R4 3-3- 3333 2222 11110 1111 1111 11110 35656 R7=R1*R2 R1(S1)=R0-R2 5656 2 343343 333333 232232 000000 111111 1111 111111 000000 111111 1111 4 7878 R3=R3*R1(S1) R1(S2)=R4+R4 4-84-8 1313 3332133321 4443244432 2222222222 00000000 1133311333 11111111 1110011100 11111111 1111111111 1111111111 1111111111 111111 RAW WAR: R1 helyett S1 I5 megelőzi I4-et

55 Máté: Architektúrák7. előadás55 Olvasott regiszterekÍrt regiszterek C#DekódoltIB01234567120123456712 11212 R3=R0*R1 R4=R0+R2 1212 1212 11111 11111 23434 R5=R0+R1 R6=R1+R4 3-3- 3333 2222 1111 0 1111 1111 11110 35656 R7=R1*R2 R1(S1)=R0-R2 5656 2 343343 333333 232232 000000 111111 1111 1111110 000000 111111 1111 4 7878 R3=R3*R1(S1) R1(S2)=R4+R4 4-84-8 1313 3332133321 4443244432 2222222222 00000000 1133311333 11111111 1110011100 11111111 1111111111 1111111111 1111111111 111111 562103100111 67 458458 2121 1111 11111111 322322 11111111 000000 11111111 11111 111111 7(R1=S2)111 8111 97 RAW WAR: R1 helyett S1 I5 megelőzi I4-et RAW WAR

56 Máté: Architektúrák7. előadás56 Olvasott regiszterekÍrt regiszterek 67 458458 2121 1111 11111111 322322 11111111 000000 11111111 11111 111111 7(R1=S2)111 8111 97 I8eredménye a 7. ciklusban átkerülhet S2 -ből R1-be, de jobb, ha a hardver nyilvántartja, hogy hol van. A modern CPU-k gyakran titkos regiszterek tucatjait használják regiszter átnevezésre, sokszor kiküszöbölhető vele a WAR és WAW függőség.

57 Máté: Architektúrák7. előadás57 Feltételezett végrehajtás (4.45. ábra) evensum = 0; oddsum = 0; i = 0; while(i < limit) { k = i * i * i; if(((i/2)*2) == i) evensum = evensum + k; else oddsum = oddsum + k; i = i + 1; } evensum = 0; oddsum = 0; i = 0; while(i < limit) k = i * i * i; if(((i/2)*2) == i) evensum = evensum + k; oddsum = oddsum + k; i = i + 1; i >= limit igaz hamis

58 Máté: Architektúrák7. előadás58 Feltételezett végrehajtás (4.45. ábra) Speculative Execution Alap blokk (basic block): lineáris kód sorozat. Sokszor rövid, nincs elegendő párhuzamosság, hogy hatékonyan kihasználjuk. Emelés: egy utasítás előre hozatala egy elágazáson keresztül (lassú műveletek esetén nyerhetünk vele). Pl. evensum és oddsum regiszterbe tölthető az elágazás előtt. Az egyik LOAD – természetesen – fölösleges. Ha valamit nem biztos, hogy meg kell csinálni, de nincs más dolga a gépnek, akkor megteheti, de csak „firkáló” regiszterekbe írhat. Ha később kiderül, hogy kell, akkor átírja az eredményeket a valódi regiszterekbe, ha nem kell, elfelejti.

59 Máté: Architektúrák7. előadás59 Feltételezett végrehajtás (Speculative Execution) Mellékhatások: fölösleges gyorsító sor csere, SPECULATIVE_LOAD csapda (pl. x=0 esetén if(x>0) z=y/x; ), mérgezés bit.

60 Máté: Architektúrák7. előadás60 Feladatok Mit jelent a RISC rövidítés? Mit jelent a CISC rövidítés? Mi segítette elő a CISC gépek kialakulását? Miért előnyös a RISC architektúra? Miért nem tért át az Intel RISC processzorok gyártására? Hogyan alkalmazza az Intel a RISC elveket? Melyek a modern számítógép tervezés legfontosabb elvei? Miért van szükség sok regiszterre a RISC gépeken?

61 Máté: Architektúrák7. előadás61 Feladatok Milyen párhuzamosítási lehetőségeket ismer? Mi az utasítás szintű párhuzamosítás? Szemléltesse az utasítás szintű párhuzamosságot! Mit jelent a csővezeték (pipelining)? Mi a késleltetés (latency)? Mi az áteresztő képesség? A késleltetés vagy az áteresztő képesség a fontosabb a gép teljesítménye szempontjából? Mi az előnye/ hátránya a több szállítószalagos CPU- nak? Mi a szuperskaláris architektúra lényege?

62 Máté: Architektúrák7. előadás62 Feladatok Hogy működik a tömb (array) processzor? Mi a tömb (array) processzor előnye/hátránya? Hogy működik a vektor processzor? Mi a vektor processzor előnye/hátránya? Mi a multiprocesszorok lényege? Mi a szerepe a közös/helyi memóriák szerepe a multiprocesszoros rendszerekben? Miért nehéz sok processzoros rendszert építeni? Mi a lényege multiszámítógépeknek? Hogy tartják a kapcsolatot egymással a multiszámítógépek CPU-i?

63 Máté: Architektúrák7. előadás63 Feladatok Mi az úthossz? Milyen lehetőségek vannak a Mic-1 gyorsítására? Mi az előnye a három sínes architektúrának a Mic-1- gyel szemben? Sorolja fel a Mic-1 és Mic-2 közötti különbségeket! Miért eredményeznek ezek gyorsítást? Mi az utasítás betöltő egység (IFU) feladata? Milyen részei vannak az IFU-nak? Mi az IMAR szerepe az IFU-ban? Írja le az IMAR és a PC regiszter kapcsolatát? Hogy működik az IFU?

64 Máté: Architektúrák7. előadás64 Feladatok Hogy ábrázolható véges állapotú géppel (FSM) az IFU működése? Mi a különbség Mic-2 és Mic-3 között? Miért eredményez ez gyorsítást? A SWAP utasítás (a verem két felső szavának cseréje) Mic-3-on négy mikroutasítással megoldható tíz mikrolépésben. Hogyan? A megoldás nem vihető át Mic-2-re. Miért? A feladat nehéz! Élesen ki kell használni az adatút szakaszainak időzítését. Ezt ugyan nem tárgyaltuk, de kikövetkeztethető abból, hogy az egyes szakaszok egyidejűleg működhetnek.

65 Máté: Architektúrák7. előadás65 Feladatok Milyen szakaszai vannak a Mic-4 csővezetékének? Mi a feladata a dekódolónak? Mi a feladata a sorba állító egységnek? Mire szolgál a Final bit? Mire szolgál a Goto bit? Hogy történik az Mic-4-en adatút vezérlése? Miért gyorsabb a Mic-4, mint a Mic-3? Milyen speciális feladatokat kell megoldani Mic-4 esetén a feltételes elágazásnál?

66 Máté: Architektúrák7. előadás66 Feladatok Mi az eltolási rés (delay slot)? Hogy működik az eltolási rés szempontjából a Pentium és az UltraSPARC? Mit nevezünk elágazás jövendölésnek? Milyen dinamikus elágazás jövendöléseket ismer? Milyen statikus elágazás jövendöléseket ismer? Mit nevezünk függőségnek? Milyen függőségeket ismer? Mely függőségek oldhatók fel, és hogyan?

67 Máté: Architektúrák7. előadás67 Feladatok Mi az előnye a sorrendtől eltérő végrehajtásnak? Mire szolgál a regiszter átnevezés? Mi a feltételezett végrehajtás? Mit nevezünk emelésnek? Mikor előnyös az emelés? Milyen mellékhatásai lehetnek a feltételezett végrehajtásnak? Mi a SPECULATIVE_LOAD lényege? Mi a mérgezés bit?