Επίπεδο μικροπρογραμματισμού

Στοιχεία στο ψηφιακό επίπεδο

• Καταχωρητής (register)
• Δίαυλος (bus)
• Πολυπλέκτης (encoder)
• Αποκωδικοποιητής (decoder)
• Αριθμητική και λογική μονάδα
• Καταχωρητής ολίσθησης (shift register)
• Ρολόι (clock)

Εσωτερική δομή επεξεργαστή

Λειτουργικό διάγραμμα της μικροαρχιτεκτονικής ενός επεξεργαστή της Intel P6

Προγραμματισμός με μικροεντολές

• Πηγή 1
• Πηγή 2
• Προορισμός
• Σταθερή ποσότητα
• Λειτουργία ALU
• Συνθήκη
• Επόμενη εντολή

Σχεδίαση μικροπρογραμματισμού

• Ορίζοντιος μικροπρογραμματισμός: τα (πολλα) πεδία κάθε εντολής αντιστοιχούν στα αντίστοιχα σήματα ελέγχου.
• Κατακόρυφος μικροπρογραμματισμός: τα (λίγα) πεδία κάθε εντολής αντιστοιχούν σε κωδικοποιημένα σήματα ελέγχου.
• Νανοπρογραμματισμός (nanoprogramming): Οι (λίγες σχετικά) μικροεντολές που χρησιμοποιούνται αποθηκεύονται κωδικοποιημένες.

Βελτίωση απόδοσης

• Διοχέτευση (pipelining) με παράλληλη επεξεργασία σταδίων των εντολών.
• Χρήση πολλαπλών λειτουργικών μονάδων
• Χρήση κρυφής μνήμης

Κρυφή μνήμη

• Συσχετιστική κρυφή μνήμη (associative cache)
• Κρυφή μνήμη άμεσης χαρτογράφησης (direct-mapped cache)
• Συσχετιστική κρυφή μνήμη συνόλου (set associative cache)

• Τυχαία
• Λιγότερο πρόσφατα χρησιμοποιούμενης (least recently used)

• Διεγγραφή (write through): η λέξη γράφεται πάντα στη μνήμη και στην κρυφή μνήμη.
• Υστεροεγγραφή (copy back): η λέξη γράφεται πάντα στην κρυφή μνήμη και αντιγράφεται στη μνήμη όταν καθαριστεί από άλλη θέση μήμης.

Διάγραμμα ολοκληρωμένου κυκλώματος κρυφής μνήμης δευτέρου επιπέδου για επεξεργαστές PowerPC (MPC2605).

Προβλήματα διοχέτευσης

• Δομικοί κίνδυνοι (structural hazards): Οι δομικές μονάδες του επεξεργαστή δεν καλύπτουν όλους τους δυνατούς συνδυασμούς παράλληλης εκτέλεσης εντολών.
• Κίνδυνοι δεδομένων (data hazards): Τα δεδομένα μιας εντολής απαιτούν δεδομένα της προηγούμενης που δεν έχει ολοκληρωθεί. Διακρίνουμε τρία είδη:
  • Ανάγνωση μετά από εγγραφή (RAW - read after write).
  • Εγγραφή μετά από ανάγνωση (WAR - write after read).
  • Εγγραφή μετά από εγγραφή (WAW - write after write).
• Κίνδυνοι ελέγχου (control hazards): δημιουργούνται από εντολές όπως τα άλματα που αλλάζουν την επόμενη εντολή που θα εκτελεστεί. Ένας τρόπος για να αντιμετωπιστούν είναι το υλικό δυναμικής πρόβλεψης άλματος (dynamic branch prediction hardware).

Προδιαγραφές στο Internet

• Pentium(R) III Xeon(TM) Processor at 700 MHz with 1MB and 2MB L2 Cache
• The Intel Pentium III Xeon Processor
• Intel Pentium 4 processor micro-architecture overview
• Inside the Pentium 4 Processor Micro-Architecture
• MPC2605: Motorola MPC2605 Integrated Secondary Cache
• Philip J. Koopman, Jr. Stack Computers: the new wave Ellis Horwood 1989. Available on-line

Βιβλιογραφία

• Andrew S. Tanenbaum Η αρχιτεκτονική των υπολογιστών: μια δομημένη προσέγγιση. Τρίτη αμερικάνικη έκδοση. σ. 197-272. Κλειδάριθμος 1995.

• Doug Burger. Memory systems. ACM Computing Surveys, 28(1):63–65, March 1996.

• Carole Dulong. The IA-64 architecture at work. IEEE Computer, 31(7):24–32, July 1998.

• John L. Hennessy and David A. Patterson. Computer Architecture: A Quantitative Approach, pages 199–214, 251–255, 408–425. Morgan Kaufmann Publishers, 1990.

• Bruce Shriver and Bennett Smith. The Anatomy of a High-Performance Microprocessor. IEEE Computer Society Press, 1998.

• Richard L. Sites. Alpha AXP architecture. Communications of the ACM, 36(2):33–44, February 1993.

Ασκήσεις

Θέματα για σκέψη

• Μεταγλωττίστε μια συνάρτηση της C που να εκτελεί κάποιους υπολογισμούς (χωρίς πολλές κλήσεις σε άλλες συναρτήσεις) σε συμβολική γλώσσα (διακόπτης /Fa σε μεταγλωττιστές της Microsoft, -S σε μεταγλωττιστές στο Unix). Τυπώστε τις εντολές και βάλτε σε κύκλο κάθε ομάδα εντολών που θα μπορούσαν να εκτελεστούν παράλληλα. Εντοπίστε και διαχωρίστε κινδύνους δεδομένων και ελέγχου στη διοχέτευση των εντολών. Προτείνετε συγκεκριμένο αριθμό και είδος από δομικές μονάδες που μπορούν να εξυπηρετήσουν τη διοχέτευση χωρίς τη δημιουργία δομικών κινδύνων.
• Υλοποιήστε μια κλάση σε C++ για προσομοίωση πίνακα μιας διάστασης με την υποστήριξη κρυφής μνήμης. Η συνάρτηση κατασκευής ορίζει το μέγεθος του πίνακα και τον τύπο και τα χαρακτηριστική της κρυφής μνήμης. Η κλάση περιέχει μεθόδους για πρόσβαση στα στοιχεία του πίνακα (ανάγνωση και γράψιμο) καθώς και μέθοδο που επιστρέφει το χρόνο που έχει καταναλωθεί από την ανάγνωση και το γράψιμο (με βάση τη λειτουργία της κρυφής μνήμης). Με τη χρήση της κλάσης αυτής υλοποιήστε μια συνάρτηση πολλαπλασιασμού πινακών . Μετρήστε και συγκρίνετε την απόδοση διαφορετικών τύπων κρυφής μνήμης.

Υποχρεωτική άσκηση

Δηλώστε έναν πίνακα Ν στοιχείων της παρακάτω μορφής:

volatile int array[N];

• Όταν προσθέτει μεταξύ τους K στοιχεία από τις ίδιες θέσεις του πίνακα.
• Όταν προσθέτει μεταξύ τους K στοιχεία από τυχαίες θέσεις του πίνακα (επιλεγμένες με τη χρήση της συνάρτησης rand()).
• Όταν προσθέτει μεταξύ τους K στοιχεία με άλλο τρόπο πρόσβασης που θα επιλέξετε εσείς (μπορείτε να δοκιμάσετε να αλλάζετε και τις τιμές των στοιχείων).

Σημείωση

Για να έχετε συγκρίσιμα και χρήσιμα αποτελέσματα:

• Το πρόγραμμα πρέπει να είναι έτσι γραμμένο ώστε οι διαφορετικές μορφές (π.χ. με πρόσβαση στις ίδιες θέσεις και πρόσβαση σε τυχαίες θέσεις) να ακολουθούν τις ίδιες ακριβώς εντολές (μπορείτε να διαβάσετε τις εντολές σε επίπεδο συμβολικής γλώσσας με το διακόπτη του μεταγλωττιστή /Fa).
• Το Κ πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο έτσι ώστε ο χρόνος να μπορεί να μετρηθεί σε δευτερόλεπτα.

Η απενεργοποίηση της κρυφής μνήμης γίνεται σε πολλούς υπολογιστές μέσω της επιλογής BIOS features setup (όταν ανάβει ο υπολογιστής). Μετά την άσκηση μην παραλείψετε να επαναφέρετε τις ρυθμίσεις στην αρχική τους κατάσταση.

Η άσκηση μπορεί να γίνει από ομάδες των τριών ατόμων το πολύ.

• Περιεχόμενα

 Τελευταία αλλαγή: Δευτέρα, 2 Αυγούστου 2004 12:26 πμ
 Εκτός αν αναφέρεται κάτι διαφορετικό, όλο το πρωτότυπο υλικό της σελίδας αυτής του οποίου δημιουργός είναι ο Διομήδης Σπινέλλης παρέχεται σύμφωνα με τους όρους της άδειας «Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Greece License».