Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας"

Ευπραξία Βηθανία Σερπετζόγλου
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (Σχεδιασμός και λειτουργία μιας απλής ΚΜΕ) Μ.Στεφανιδάκης

2 Η υπολογιστική μηχανή: ο επεξεργαστής συχνά και το σύστημα γραφικών μέσα στον επεξεργαστή οθόνη διασυνδετικός δίαυλος CPU core... CPU core > 90GB/s κρυφή (3 ου επιπέδου) σύστημα γραφικών PCIe (x16) έως 8GB/s north bridge M-bus (mem bus) 25 GB/s (multi-channel) DRAM Επεξεργαστής Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) ποντίκι, πληκτρολόγιο, εκτυπωτές, σαρωτές... USB έως 5Gbit/s south bridge SATA 600ΜB/s σκληροί δίσκοι, CD/DVD, δικτυακή σύνδεση έως 500ΜB/s οι ρυθμοί μεταφοράς που δίνονται είναι οι θεωρητικά μέγιστοι! Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 2

3 Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) (Μικρο)επεξεργαστής Ψηφιακό σύστημα που εκτελεί υπολογισμούς σε πολλαπλά βήματα Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας Παλαιότερα: συνώνυμο του επεξεργαστή Στην ίδια συσκευασία σήμερα Κρυφή Μνήμη (1 ου, 2 ου ή και 3 ου επιπέδου) Ελεγκτές Ε/Ε Σύστημα Γραφικών Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 3

4 Σχεδιασμός μιας απλής ΚΜΕ i Όλες οι σύγχρονες ΚΜΕ είναι πολυπλοκότερες! Παραδοχές Μοντέλο load-store Αριθμητικές-λογικές πράξεις Ανάγνωση-εγγραφή από/στη διακλάδωσης Ν καταχωρητές γενικού σκοπού Απλουστευμένο μοντέλο ς Ως κουτί που δέχεται διεύθυνση και επιστρέφει δεδομένα και εντολές Αντιπροσωπεύει στην πραγματικότητα μια ιεραρχία ς! Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 4

5 Εκτέλεση πράξεων: ΑΛΜ είσοδος Α επιλογή πράξης είσοδος Β ALU αποτέλεσμα i Μ Μ Αριθμητική-Λογική Μονάδα (ΑΛΜ) Arithmetic-Logic Unit (ALU) Εκτέλεση αριθμητικών και λογικών πράξεων Εκτέλεση συγκρίσεων (για διακλάδωση υπό συνθήκη) Υπολογισμός διευθύνσεων (για προσπέλαση ς) Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 5

6 Εντολές για αριθμητικές λογικές πράξεις op R1 R2 R3 Σε κάθε εκτέλεση εντολής Ανάγνωση από 2 καταχωρητές Εγγραφή σε 1 καταχωρητή Ίδια ροή δεδομένων R3 R1 op R2 διαφορετική επιλεγόμενη πράξη Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 6

7 Συστοιχία καταχωρητών (register file) επιλογή B επιλογή A είσοδος έξοδος Α επιλογή εγγραφής register file έξοδος Β επίτρεψη εγγραφής! Τα σήματα στο σχήμα αυτό (και στα επόμενα) πιθανόν να αποτελούνται από πολλά bits το καθένα! clk Ανάγνωση: Επιλογή Α και Επιλογή Β Ποιων καταχωρητών το περιεχόμενο θα εμφανιστεί στην αντίστοιχη έξοδο Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 7

8 Συστοιχία καταχωρητών (register file) επιλογή B επιλογή A είσοδος έξοδος Α επιλογή εγγραφής register file έξοδος Β επίτρεψη εγγραφής clk Εγγραφή: στη θετική ακμή του clk Στον καταχωρητή που ορίζει η επιλογή εγγραφής, εάν το επιτρέπει η επίτρεψη εγγραφής Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 8

9 Ένα απλό μονοπάτι δεδομένων (datapath) rdselb rdsela wrsel register file wr opsel ALU clk ; Ποιος οδηγεί τα σήματα ελέγχου; Εκτέλεση μιας εντολής ανά κύκλο ρολογιού Ανάγνωση και εγγραφή στον ίδιο κύκλο; Ναι, η ανάγνωση θα δώσει το αποτέλεσμα της εγγραφής του προηγούμενου κύκλου Ενώ η εγγραφή θα είναι διαθέσιμη για ανάγνωση στον επόμενο κύκλο Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 9

10 Η μονάδα ελέγχου (control unit) εντολή control unit datapath ; Από πού προέρχονται οι εντολές; Αποκωδικοποίηση bits της εντολής Επιλογή καταχωρητών προέλευσης δεδομένων Επιλογή καταχωρητή αποθήκευσης αποτελέσματος Επιλογή λειτουργίας ΑΛΜ Το δυσκολότερο στη σχεδίαση τμήμα της ΚΜΕ Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 10

11 Η εντολών διεύθυνση εντολών εντολή Μια χρήσιμη αφαίρεση Στην πραγματικότητα Αντιπροσωπεύει μια ιεραρχία ς Από την κρυφή 1 ου επιπέδου μέχρι την κύρια Πιθανόν να μην είναι δυνατή η ανάκτηση εντολής ανά κύκλο ρολογιού Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 11

12 Η διεύθυνση της επόμενης εντολής επόμενη διεύθυνση PC clk d εντολών εντολή Program Counter (PC) Περιέχει τη διεύθυνση στη της επόμενης εντολής Αυξάνεται κατά την εκτέλεση κάθε εντολής Επόμενη διεύθυνση = τρέχουσα d Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 12

13 Ο κύκλος μηχανής Στάδια εκτέλεσης εντολής Instruction Fetch (IF) Ανάκτηση εντολής προς εκτέλεση Instruction Decode (ID) Επιλογή δεδομένων και λειτουργιών ανάλογα με εντολή Execute (EX) Εκτέλεση υπολογισμού στην ΑΛΜ ; Ποια στάδια χρησιμοποιούν οι εντολές για αριθμητικές και λογικές πράξεις; Data Memory Access (DM) Προσπέλαση ς δεδομένων Write Back (WB) Αποθήκευση αποτελεσμάτων σε καταχωρητή Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 13

14 Instruction Fetch (IF) επόμενη διεύθυνση PC d εντολών Μονάδα ελέγχου op R1 R2 R3 register file ALU Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 14

15 Instruction Decode (ID) επόμενη διεύθυνση PC d εντολών Μονάδα ελέγχου op R1 R2 R3 register file ALU Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 15

16 Execute (EX) επόμενη διεύθυνση PC d εντολών Μονάδα ελέγχου op R1 R2 R3 register file ALU Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 16

17 Write Back (WB) επόμενη διεύθυνση PC d εντολών Μονάδα ελέγχου op R1 R2 R3 ; Τι πρέπει να αλλάξει για την χρήση μιας σταθεράς στις πράξεις; register file ALU Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 17

18 Εντολές διακλάδωσης (branch ή jump) Διακλαδώσεις Παράδειγμα beq R1 R2 offset if R1 == R2 then PC PC offset branch if equal Διακλάδωση υπό συνθήκη Βασισμένο σε αποτέλεσμα πράξης ΑΛΜ Σχετική διεύθυνση Υπολογισμός συνθήκης και διακλάδωση στην ίδια εντολή Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 18

19 Διακλαδώσεις και ενημέρωση PC Διακλαδώσεις επόμενη διεύθυνση PC d εντολών εντολή επιλογή νέας διεύθυνσης op R1 R2 offs Επιλογή νέας (επόμενης) διεύθυνσης Η νέα τιμή του PC Από τη μονάδα ελέγχου Σύμφωνα με τιμές από πράξη στην ΑΛΜ Π.χ. σύγκριση 2 καταχωρητών Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 19

20 Execute (EX) Διακλαδώσεις επόμενη διεύθυνση PC d εντολών εντολή έλεγχος διακλάδωσης op R1 R2 offs register file ALU συνθήκη μετά την πράξη Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 20

21 Ενημέρωση PC ( DM ) Διακλαδώσεις επόμενη διεύθυνση PC d εντολών εντολή έλεγχος διακλάδωσης op R1 R2 offs register file ALU συνθήκη μετά την πράξη Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 21

22 Εντολές προσπέλασης ς (load-store) Διακλαδώσεις Προσπέλαση ς Παράδειγμα load R1 R2 offset R1 mem[r2 offset] Μόνο οι εντολές load και store προσπελαύνουν τη δεδομένων Η διεύθυνση ς παράγεται από την ΑΛΜ Ως άθροισμα περιεχομένου καταχωρητή σταθεράς (offset) Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 22

23 Η δεδομένων Διακλαδώσεις Προσπέλαση ς διεύθυνση δεδομένα εγγραφής δεδομένων clk read/write Μια επίσης χρήσιμη αφαίρεση Ή εγγραφή ή ανάγνωση clk για την εγγραφή Στην πραγματικότητα Αντιπροσωπεύει μια ιεραρχία ς δεδομένα ανάγνωσης Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 23

24 Προσπέλαση ς δεδομένων Διακλαδώσεις Προσπέλαση ς επόμενη διεύθυνση PC d εντολών εντολή έλεγχος διακλάδωσης op R1 R2 offs register file ALU δεδομένων Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 24

25 Execute (EX) Διακλαδώσεις Προσπέλαση ς επόμενη διεύθυνση PC d εντολών εντολή έλεγχος διακλάδωσης ld R1 R2 offs register file ALU δεδομένων Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 25

26 Data Memory Access (DM) Διακλαδώσεις Προσπέλαση ς επόμενη διεύθυνση PC d εντολών εντολή έλεγχος διακλάδωσης ld R1 R2 offs register file ALU δεδομένων Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 26

27 Write Back (WB) Διακλαδώσεις Προσπέλαση ς επόμενη διεύθυνση PC d εντολών εντολή έλεγχος διακλάδωσης ld R1 R2 offs register file ALU δεδομένων Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 27

28 Σύνοψη λειτουργίας ΚΜΕ Διακλαδώσεις Προσπέλαση ς Σύνοψη Κύκλοι ρολογιού ανά εντολή Clocks per Instruction (CPI) Περίοδος κύκλου ρολογιού Clock Cycle (Period) (CC) Στο σημερινό παράδειγμα ΚΜΕ CPI = 1 CC σταθερό ανεξάρτητα από είδος εντολής CC εξαρτάται από την πιο χρονοβόρα πράξη! Όχι αποδοτικό σχήμα Υπάρχει τεχνική για βελτίωση της απόδοσης; (στο επόμενο μάθημα) Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας 28

Σχετικά έγγραφα

i Όλες οι σύγχρονες ΚΜΕ είναι πολυπλοκότερες!

i Όλες οι σύγχρονες ΚΜΕ είναι πολυπλοκότερες! Ιόνιο Πανεπιστήμιο Τμήμα Πληροφορικής Αρχιτεκτονική Υπολογιστών 2016-17 Κεντρική Επεξεργασίας (Σχεδιασμός και λειτουργία μιας απλής ΚΜΕ) http://mixstef.github.io/courses/comparch/ Μ.Στεφανιδάκης Η υπολογιστική