OBSAH WEBU
ČTĚTE!
Rozdíly
Zde můžete vidět rozdíly mezi vybranou verzí a aktuální verzí dané stránky.
|
temata:07-princip_cinnosti_pocitace:main [2011/04/09 18:08] george |
temata:07-princip_cinnosti_pocitace:main [2013/02/20 13:35] (aktuální) marho [CISC architektura] |
||
|---|---|---|---|
| Řádek 1: | Řádek 1: | ||
| - | ====== Princip činnosti počítače ====== | + | ~~ODT~~ |
| + | |||
| + | ====== 07 - Princip činnosti počítače ====== | ||
| ===== Obecné informace ===== | ===== Obecné informace ===== | ||
| Řádek 34: | Řádek 36: | ||
| - __instrukční registr__ - IR | - __instrukční registr__ - IR | ||
| * uchovává právě zpracovávanou instrukci | * uchovává právě zpracovávanou instrukci | ||
| + | * //neviditelný registr//, v podstatě se jedná o aktuální stav konečného automatu | ||
| - __řadič__ | - __řadič__ | ||
| * řídí činnost procesoru - vykonává instrukce | * řídí činnost procesoru - vykonává instrukce | ||
| Řádek 42: | Řádek 45: | ||
| - __I/O jednotka__ | - __I/O jednotka__ | ||
| * umožňuje vstup a výstup dat do/z procesoru (obvykle do jeho registrů) i jinak než pouze skrz paměť | * umožňuje vstup a výstup dat do/z procesoru (obvykle do jeho registrů) i jinak než pouze skrz paměť | ||
| + | * TODO | ||
| - __registry__ | - __registry__ | ||
| * klopné obvody, které ochovávají informace po dobu napájení | * klopné obvody, které ochovávají informace po dobu napájení | ||
| Řádek 49: | Řádek 53: | ||
| - __Von Neumannova (princetonská) koncepce procesoru__ | - __Von Neumannova (princetonská) koncepce procesoru__ | ||
| * společná paměť pro data a programy | * společná paměť pro data a programy | ||
| + | |||
| + | <note> | ||
| + | **Ještě tu dodávám tuto poznámku:** | ||
| + | {{ :temata:07-princip_cinnosti_pocitace:usporadani_bytu.jpeg?600 |Uspořádání bytů}} | ||
| + | </note> | ||
| + | |||
| * **rozhraní procesoru** | * **rozhraní procesoru** | ||
| - __RESET__ - definuje obsah PC a inicializuje procesor | - __RESET__ - definuje obsah PC a inicializuje procesor | ||
| Řádek 74: | Řádek 84: | ||
| * **obvodová realizace procesoru** | * **obvodová realizace procesoru** | ||
| * při návrhu procesoru se vychází ze specifikace, která obsahuje požadavky na instrukční soubor, architekturu, šířku dat a adres, výkonnost, plochu na čipu, spotřebu atd. | * při návrhu procesoru se vychází ze specifikace, která obsahuje požadavky na instrukční soubor, architekturu, šířku dat a adres, výkonnost, plochu na čipu, spotřebu atd. | ||
| - | * používali jsme (na příkladech, v projektu) tzv. __střádačovou architekturu__ - speciální registr střádač (acumulator) - do něj se ukládají výsledku z ALU | + | * používali jsme (na příkladech, v projektu) tzv. __střádačovou architekturu__ - speciální registr střádač (acumulator) - do něj se ukládají výsledku z ALU (existuje i zásobníková, registrová a smíšená) |
| + | - __zásobníková__ - má zásobník a registr SP (Stack pointer) a používají se operace PUSH m_a, POP m_a, nejsou registry | ||
| + | - __registrová__ | ||
| + | * sada registrů - připojeny k ALU + sada FP (plovoucí řádová čárka) registrů - připojeny k FPU (operace v plovoucí řádové čárce) | ||
| + | * ADD R1, R2, R3 | ||
| + | |||
| + | |||
| + | {{ :temata:07-princip_cinnosti_pocitace:architektury.jpeg?600 |Architektury procesoru}} | ||
| + | |||
| + | <note tip> | ||
| + | **Mluvili jsme často o stavu vysoké impedance. Na INP to vysvětloval a na netu jsem našel obrázek:** | ||
| + | {{ :temata:07-princip_cinnosti_pocitace:princip_tristavoveho_budice.jpg?600 |Třístavový budič}} | ||
| + | **Vysokou impedanci značí první obrázek => zařízení je odpojeno. Pokud by byly zapojeny oba spínače, nastal by zkrat.** | ||
| + | |||
| + | **=> __Třístavový budič__ => používá se například u sběrnic, pamětí, ...** | ||
| + | </note> | ||
| + | |||
| + | * **nepřímé adresování** | ||
| + | * například ACC = M[M[123]] => do akumulátoru vlož obsah paměti s adresou, která je uložena v paměti na adrese 123 | ||
| + | * potřebujeme registr IAR, který nám zjistí a uschová přímou | ||
| + | * IAR proto má: | ||
| + | - výstup na adresovou sběrnici => pošle adresu do paměti (123) | ||
| + | - vstup z datové sběrnice => přijde mu obsah z paměti daný adresou 123 => adresa obsahu, který chceme nahrát do akumulátoru | ||
| + | |||
| + | {{ :temata:07-princip_cinnosti_pocitace:schema_procesoru.jpeg?600 |Schéma procesoru}} | ||
| + | * **klasifikace moderních procesorů** | ||
| + | * __parametr V__ - počet instrukcí, které se v jednom okamžiku vydají ke zpracování | ||
| + | * __parametr P__ - počet současně prováděných (rozpracovaných) instrukcí | ||
| + | - **subskalární procesory** - P = 1, V = 1 (286, 383) (bez zřetězeného zpracovaní) | ||
| + | - **skalární procesory** - P > 1, V = 1 - využívá řetězené zpracování (Pentium) (s zřetězeným zpracováním) | ||
| + | - **superskalární procesory** - P > 1, V > 1 (s zřetězeným zpracováním + multithreading/multicore) | ||
| + | * **Flynnova klasifikace procesorů** | ||
| + | * je založena na sledování počtu instrukčních a datových proudů v počítači | ||
| + | - jeden (single) instrukční resp. datový proud označujeme symboly SI resp. SD | ||
| + | - více než jeden proud (multiple) označujeme analogicky zkratkami MI resp. MD | ||
| + | * příklady: | ||
| + | * __SISD__ - von Neumannův počítač | ||
| + | * __SIMD__ - vektorový procesor - dva vektory (více čísel) sčítá jedna instrukce (např. grafická karta vykonává 1 instrukci na více datech[napr. pixelech]) | ||
| + | * __MISD__ - více počítačů zpracovává stejná data (řídicí počítač Space Shuttle) - stehný problém řeší více počítačů => bezpečnost (výsledek všech počítačů se porovnává a vybírá výsledná hodnota [např. většina počítačů musí mít stejný výsledek]) | ||
| + | * __MIMD__ - multiprocesorový systém (více instrukcí zpracovává více dat) | ||
| + | * **Současné kategorie procesorů** | ||
| + | * Univerzální (Intel, AMD, HP, IBM, ...) | ||
| + | * Grafické (Nvidia, ATI, Matrox, ...) | ||
| + | * Signálové (TI, Fujitsu, ...) | ||
| + | * Aplikační, např. pro mobilní telefony (Intel PXA250, ...) | ||
| + | * Multimediální (TI, Mpact, ...) | ||
| + | * Speciální (šifrovací, kompresní, např. pro MPEG-2, I/O, šachové, hrací, ...) | ||
| ===== Urychlování činnosti procesoru ===== | ===== Urychlování činnosti procesoru ===== | ||
| Řádek 124: | Řádek 180: | ||
| * princip zřetězení se značně překrývá s principy procesorů RISC | * princip zřetězení se značně překrývá s principy procesorů RISC | ||
| * základní myšlenka: | * základní myšlenka: | ||
| - | <note>"V procesorech CIS používají složité strojové instrukce (CPI>>1) pouze špičkový programátoři, ale standartí rutiny kompilátoru je nepoužívají."</note> | + | <note>"V procesorech CISC používají složité strojové instrukce (CPI>>1) pouze špičkový programátoři, ale standartí rutiny kompilátoru je nepoužívají."</note> |
| <note tip>**CPI** = průměrný počet taktů na jednu instrukci</note> | <note tip>**CPI** = průměrný počet taktů na jednu instrukci</note> | ||
| * výhodnější by bylo implementovat pouze jednoduché, ale rychlé instrukce | * výhodnější by bylo implementovat pouze jednoduché, ale rychlé instrukce | ||
| Řádek 160: | Řádek 216: | ||
| * když jsou zapotřebí data z předcházející instrukce, která ještě není dokončena | * když jsou zapotřebí data z předcházející instrukce, která ještě není dokončena | ||
| * {{:temata:07-princip_cinnosti_pocitace:datovy_konflikt.png|}} | * {{:temata:07-princip_cinnosti_pocitace:datovy_konflikt.png|}} | ||
| - | * klasifikace | + | * klasifikace (nechť máme dve instrukce v pořadí (i, j)), Pozn. k významu (AAB: operace A se začne vykonávat před dokončením operace B) |
| - | * //RAW// - Read After Write | + | * //RAW// - Read After Write (j se snaží o přečtení registru předtím, než do něj i zapíše, j pak dostává starou hodnotu) |
| - | * //WAW// - Write After Write | + | * //WAW// - Write After Write (j se snaží zapsat do registru předtím, než do něj zapíše i, takže dojde k přepisu instrukcí i a instrukce j jakoby se nevykonala) |
| - | * //WAR// - Write After Read | + | * //WAR// - Write After Read (j zapisuje do registru předtím, než ho i přečtě) |
| * **Bypassing** | * **Bypassing** | ||
| * poskytnutí mezivýsledku dřív než bude zapsán do registru | * poskytnutí mezivýsledku dřív než bude zapsán do registru | ||
| Řádek 178: | Řádek 234: | ||
| * experimenty bylo zjištěno, že četnost skoků v programech je značná - z toho se asi 83% povede | * experimenty bylo zjištěno, že četnost skoků v programech je značná - z toho se asi 83% povede | ||
| * u skoků je třeba zrychlit zjištění cílové adresy (kam skočit), proto se používá malá cache pamět pro uložení cílových adres (//BTB// - Branch Target Buffer) | * u skoků je třeba zrychlit zjištění cílové adresy (kam skočit), proto se používá malá cache pamět pro uložení cílových adres (//BTB// - Branch Target Buffer) | ||
| - | * u podmíněných skoků jsou navíc ještě vyhodnocovány podmínky, o jejich splnění je možné spelukovat **predikce skoků** - ta může být statická (kompilátor nastaví bit predikce) nebo dynamická (pomocí speciálního HW) | + | * u podmíněných skoků jsou navíc ještě vyhodnocovány podmínky, o jejich splnění je možné spekulovat **predikce skoků** - ta může být statická (kompilátor nastaví bit predikce) nebo dynamická (pomocí speciálního HW) |
| * predikce (spekulace) probíhá podle předchozích směrů skoku (historii lze popsat binárním řetězcem několika bitů) | * predikce (spekulace) probíhá podle předchozích směrů skoku (historii lze popsat binárním řetězcem několika bitů) | ||
| * nejjednodušší prediktor = **Jednobitový prediktor** | * nejjednodušší prediktor = **Jednobitový prediktor** | ||
| * použí 1 bit z historie (tj. předchozí skok) a předpovídá následující | * použí 1 bit z historie (tj. předchozí skok) a předpovídá následující | ||
| * {{:temata:07-princip_cinnosti_pocitace:jednobitovy_prediktor.png|}} | * {{:temata:07-princip_cinnosti_pocitace:jednobitovy_prediktor.png|}} | ||
| - | * stav 0 = skok se minule neprovedl, předpověd je neskoč (-) | + | * stav 0 = skok se minule neprovedl, předpověď je neskoč (-) |
| - | * stav 1 = skok se minile provedl => předpověd je skoč (+) | + | * stav 1 = skok se minile provedl => předpověď je skoč (+) |
| * pokud je předpověd špatná musí být špatná větev programu ukončena a musí začít načítání instrukcí ze správné větve (je třeba aktualizovat BTB, to stojí několik taktů zřetězené linky) | * pokud je předpověd špatná musí být špatná větev programu ukončena a musí začít načítání instrukcí ze správné větve (je třeba aktualizovat BTB, to stojí několik taktů zřetězené linky) | ||
| Zřetězené zpracování přináší urychlení výpočtu nejen v procesorech, ale i jiných číslicových obvodech (např. pro zpracování obrazu, bioinformatických dat apod.). | Zřetězené zpracování přináší urychlení výpočtu nejen v procesorech, ale i jiných číslicových obvodech (např. pro zpracování obrazu, bioinformatických dat apod.). | ||
| - | Pokud použijeme zřetězené zpracování, musíme dodat řadu podpůrných oibvodů a řešit řadu nových problémů. | + | Pokud použijeme zřetězené zpracování, musíme dodat řadu podpůrných obvodů a řešit řadu nových problémů. |
| Moderní procesory používají kromě zřetězení i další koncepty: | Moderní procesory používají kromě zřetězení i další koncepty: | ||
| * superskalární architektury | * superskalární architektury | ||
| - | * VLIW procesory | + | * VLIW procesory - má více ALU - tzn. může zároveň dělat více operací => k tomu slouží dlouhé instrukce |
| * vektorové procesory | * vektorové procesory | ||
| - | * multivlákonové procesory | + | * multivláknové procesory |
| ==== CISC architektura ==== | ==== CISC architektura ==== | ||
| Řádek 201: | Řádek 257: | ||
| * vysoká složitost instrukcí => nutný systematický návrh řadiče procesoru | * vysoká složitost instrukcí => nutný systematický návrh řadiče procesoru | ||
| * vykonání strojové instrukce probíhá posloupností mikrooperací (předpepsána mikroinstrukcí v řídící paměti) | * vykonání strojové instrukce probíhá posloupností mikrooperací (předpepsána mikroinstrukcí v řídící paměti) | ||
| - | * řidící paměti byly pevné (Read-Only Memory = ROM) a mnohem rychlejší než RAM | + | * řidící paměti byly pevné (Read-Only Memory = ROM) a mnohem rychlejší než RAM (je rychlejší načíst 1 složitou instrukci z RAM, která "obsahuje" 10 obyčených instrukcí, které se už načítají z napr. EEPROM než všech 10 instrukcí načítat z RAM) |
| * díky vývoji mikrotechniky se řídící pamět přesuna na cache; to umožnilo držet krok s RISC architekturou | * díky vývoji mikrotechniky se řídící pamět přesuna na cache; to umožnilo držet krok s RISC architekturou | ||
| * patří mezi nejvíce rozšířené (486, Pentium) | * patří mezi nejvíce rozšířené (486, Pentium) | ||
