WYKŁAD nr 6 - MIKROPROCESOR

Wstęp

• CPU - Central Processing Unit

• Realizuje instrukcje wykonywania programu

• Cechy odróżniające procesory pomiędzy sobą:

• Architektura

• RISC - architektura procesora o uproszczonej liście rozkazów. Umożliwia stosowanie wysokich częst. taktowania.

• CISC - architektura wykorzystująca złożoną listę rozkazów

• Liczba bitów przetwarzania w jednym takcie

• Częstotliwość taktowania [MHz]

Budowa mikroprocesora

• Składowe mikroprocesora:

• Jednostka arytmetyczno-logiczna (ALU) - odpowiedzialna za wykonywania obliczeń, których wyniki końcowe i pośrednie przechowywane są w rejestrach

• Układ sterownika - pobiera rozkazy z pamięci i je dekoduje

• Bloki rejestrów

Budowa procesora (2)

• Rodzaje rejestrów:

• Danych - przechowywanie argumentów i wyników operacji arytmetyczno-logicznych

• Adresowe - przechowywanie adresów do operacji arytmetycznych na adresach

• Ogólne - mogą pełnić funkcję rej. danych jak i adresowych

• Specjalizowane - pełnią ściśle określoną funkcję np.. akumulator, wskaźnik stosu

• Stanu, znaczników

• Licznik programu - przechowuje adres bieżącej instrukcji do wykonania

• Zmiennopozycyjne - przechowują liczby w formacie zmiennopozycyjnym

• Wektorowe - przechowują wektor

• Segmentowe - wykorzystywane przy implementacji segmentowego modelu pamięci

Rodzaje architektur ze względu na rodzaj rejestrów

• Architektura bezrejestrowa - przechowywane są wyłączenie adresy. Wymagany jest bezpośredni dostęp do pamięci

• Podstawowy zestaw rejestrów: akumulator, wskaźnik stosu, licznik programu, rejestr adresowy. W trakcie obliczeń jeden argument jest w pamięci, a drugi jest zapamiętywany wraz z wynikiem. (architektura IAS-Princeton Institute of Advanced Studies zaproponowana przez von Neumana)

• Architektura z podstawowym zestawem rejestrów specjalizowanych. Przykład: architektura 16 bitowa x86

• Mały zestaw rejestrów uniwersalnych, które mogą pełnić dowolną funkcję

• Duży zestaw rejestrów uniwersalnych. Np. architektura Cray X1E

• Architektura z buforem wierzchołka stosu umożliwiająca przechowanie kilku ramek stosu w rejestrze bez konieczności odwoływania się do pamięci

Kod maszynowy i asembler

• Kod maszynowy - binarny sposób opisu rozkazów procesora charakterystyczny dla konkretnego typu procesora

• Asembler - jest to nakładka, język umożliwiający niskopoziomowe programowanie. Jedna instrukcja odpowiada jednemu rozkazowi. Asembler jest specyficzny dla danej architektury.

Lista instrukcji

• Typy instrukcji

• Systemowe - uprzywilejowane

• Aplikacyjne - mogą być wykonywane zawsze

Instrukcje aplikacyjne

• Instrukcje przesyłania danych

• Instrukcje arytmetyczne

• Operacje bitowe

• Operacje na napisach

• Instrukcje sterujące wykonaniem programu: instrukcje skoku, warunkowego przypisania, warunkowego wykonania operacji (if-else)

Realizacja instrukcji warunkowych

• Model ze znacznikami:

• operacja warunkowa realizowana dwufazowo: modyfikacja znacznika/znaczników jednobitowego oraz skok warunkowy w zależności od wartości znaczników

• Model bez znaczników:

• Instrukcja sprawdza warunek i wykonuje skok. Model popularny w arch. RISC

• Z predykatami:

• Predykat - uogólniony znacznik umożliwiający przechowywanie wartości logicznej wcześniej obliczonego warunku. Instrukcje określają numer predykatu. Model w arch. IA-64

Sposoby realizacja operacji arytmetycznych dwuargumentowych

• Argument źródłowy jest jednocześnie argumentem wynikowym:

• add r1, r2 r1:=r1+r2 lub r2:=r1+r2

• Argument wynikowy różny od argumentów początkowych:

• add r1, r2, r3 r1:=r2+r3 lub r3:=r1+r2

Typy adresowania

• Adresowanie to sposób sięgania po dane do rozkazów

• Konstrukcja programu zależna od sposobu umieszczania argumentów w pamięci

• Adres komórki, gdzie jest zawarty kod rozkazu przechowywany jest w liczniku rozkazów

• Tryb adresowania określa miejsce, gdzie jest umieszczony adres argumentu lub sposób w jaki jest obliczany

Adresowanie poprzez rejestr

• Najprostszy typ adresowania

• Argumentami rozkazu są dwa rejestry. Kopiowanie jednego rejestru do drugiego

Adresowanie natychmiastowe

• Stała jako argument źródłowy jest zawarta w rozkazie, a nie rejestrze

Adresowane bezpośrednie

• Dana zawarta w rozkazie, adres wyznacza położenie argumentu od początku segmentu

• Argumentem adresowania jest etykieta

• MOV AX, TAB - ładowanie tablicy TAB do rejestru AX

Adresowanie pośrednie rejestrowe

• Adres efektywny argumentu znajduje się w rejestrze bazowym lub we wskaźniku bazy albo w rejestrze indeksowym

• Rejestry będące argumentami pośrednimi zapisywane w programie przy pomocy „[ ]”

• MOV ax, [bx] - do ax ładuje zawartość komórki, której adres wskazuje rejestr bazowy bx.

Tryby adresowania

• Każdy procesor zawiera tryb adresowania:

• adresowanie natychmiastowe

• rejestr bezpośredni

• rejestr pośredni

• Aktualnie procesory zawierają:

• Wariant trybu indeksowego

Cykl pracy mikroprocesora

• Cyfrowy układ synchroniczny, taktowany sygnałem zegarowym

• Z punktu widzenia programisty mikroprocesor wykonuje instrukcje sekwencyjnie

• Podstawowy sposób wykonywania programu na procesorze:

• Cykl rozkazowy (instruction cycle): okres czasu potrzebny do pobrania i wykonania jeden instrukcji zajmuje od 1 do kilku cykli procesora (machine cycle). Zapis/odczyt wymaga jednego cyklu. Cykl składa się z kilku taktów zegara.

• Wykonanie instrukcji wykonywane jest w dodatkowym cyklu procesora

• W nowych procesorach rozdzielono fazę komunikacji z pamięcią od fazy wykonania instrukcji. Umożliwia to pobieranie kolejnych instrukcji przed zakończeniem poprzednich

• Cykl współpracy z pamięcią - od 1 do kilku taktów zegara

• Cykl wykonania instrukcji - od 1 do kilkuset taktów zegara

• UWAGA częstotliwości taktów zegara mogą być różne

Pomiar wydajności

• Wydajność procesorów mierzy się za pomocą

• IPS (Instructions per seconds). Wielokrotność MIPS = 10^6*IPS

• FLOPS (floating point operations per second). Wielokrotność MFLOPS, GFLOPS, TFLOPS

Sposoby zwiększania wydajności

• Zwiększanie częstotliwości taktowania procesora. Ograniczone przez właściwości fizyczne: wydzielanie ciepła, czas propagacji sygnałów w układach cyfrowych

• Inne sposoby zwiększania wydajności:

• Wcześniejsze pobieranie instrukcji

• Kolejkowanie instrukcji

• Przetwarzanie potokowe

• Zrównoleglenie wykonywania instrukcji

Problemy ze zwiększaniem wydajności

• Różnica w częstotliwości taktowania pamięci oraz częstotliwości taktowania procesora. Rozwiązanie:

• Użycie wielopoziomowych pamięci podręcznych (cache)

• Zwiększenie szerokości szyny danych

• Pamięć pozwalająca na pobieranie danych co jeden cykl zegara lub dwa razy w jednym cyklu

Przetwarzanie potokowe

• Rozłożenie wykonywania instrukcji na ciąg etapów wykonywanych w jednym cyklu zegara

• Instrukcje przemieszczane są jedna za drugą (porównanie do taśmy produkcyjnej).

• Zaleta: wykonanie instrukcji w jednym cyklu zegara pomimo, że źródłowa instrukcja może zająć znacznie więcej cykli zegarowych. Oszczędność na średnim czasie dla cyklu, natomiast pojedynczy cykl może być znacznie dłuższy.

• Rzeczywistość: brak możliwości realizacji takiego modelu. Występowanie zależności między danymi, a sterowaniem i zasobami. Konieczne rozkazy skoku wymagające wyczyszczenia całego potoku i rozpoczęcie wypełniania potoku od początku.

Przetwarzanie potokowe

• Zależności między danymi:

• RAW (odczyt po zapisie)

• WAR (zapis po odczycie)

• WAW (zapis po zapisie)

Architektura superskalarna i wektorowa

• Możliwość zrównoleglenia wykonywanych instrukcji poprzez zwiększenie liczby potoków i jednostek wykonawczych:

• ALU - Arithmetic Logic Unit

• AGU - Address Generator Unit

• FPU - Floating Point Unit

• LSU - Load Store Unit

• Architektury wykorzystujące wielopotokowość:

• Architektura superskalarna - zrównoleglenie na poziomie wykonania - układy wewnątrz procesora decydują o zrównolegleniu (hyper threading)

• Architektura wektorowa - zrównoleglenie na poziomie algorytmu do postaci wektora

• Architektura z procesorem o długim słowie instrukcji (VLIW - Very Long Instruction Word) - zrównoleglenie na poziomie kompilatora - opisanie co mają robić poszczególne jednostki wykonawcze

Architektura RISC i CISC

Przerwania

• Żądanie Przerwania IRQ (Interrupt ReQuest) - sygnał powodujący zmianę przepływu sterowania niezależnie od aktualnie wykonywanego programu

• Procesor zatrzymuje wykonanie programu i realizuje kod procedury obsługi przerwania (interrupt handler)

Rodzaje przerwań

• Sprzętowe

• Zewnętrzne - sygnał przerwania pochodzi z zewnętrznego układu do obsługi przerwań sprzętowych. Wykorzystywane do komunikacji z urządzeniami końcowymi.

• Wewnętrzne, tzw. wyjątki (exceptions). Procesor sygnalizuje sytuację wyjątkową (dzielnie przez zero)

• Niepowodzenie (faults) - wykonywana instrukcja powoduje błąd i procesor woła kolejną.

• Pułapki (traps) - sytuacja nie jest błędem, a wystąpienie jej ma na celu wykonanie określonego kodu. Wykorzystywany w debugerach

• Błędy (aborts) - błędy, których nie można naprawić

• Programowe - wywoływanie procedury przerwania z kodu programu. Używane do komunikacji z systemem operacyjnym. W kodzie przerwania wywoływana jest funkcja systemowa.

Rodzina procesorów x86 (1)

• Tryb rzeczywisty

• Adres procedury obsługi przerwania zapisany w tablicy wektorów przerwań

• Przerwania identyfikowane przez numer (wektor). Możliwych 256 przerwań

• Tablica przerwań znajduje się w pierwszych 1024 komórkach pamięci operacyjnej

• PC obsługie 16 IRQ. Pod numerem przerwania należy rozumieć zasób udostępniony przez procesor. Ograniczona liczba przerwań może powodować konfilkt.

Rodzina procesorów x86 (2)

• Tryb chroniony

• Tablica deskryptorów przerwań (IDT) asocjuje wektor wyjątku lub przerwania z deskryptorem bramy dla procedury lub zadania

• Deskryptor bramy pozwalający na kontrolowany dostęp do segmentów kodu o różnych stopniach uprzywilejowania

• IDT zawiera 256 wpisów. Rozmiar to 256*8

• Rodzaje deskryptorów:

• deskryptor bramy zadania (Task-Gate Descriptor)

• deskryptor bramy przerwania (Interrupt-Gate Descriptor)

• deskryptor bramy pułapki (Trap-Gate Descriptor)