Υπολογιστικές Πλατφόρμες

Υπολογιστικές Πλατφόρμες Επεξεργαστής (processor) Επεξεργαστής Ψηφιακού Σήματος (Digital Signal Processor) Field programmable Gate Array (FPGA) Ολοκληρωμένο Κύκλωμα Ειδικού Σκοπού (Application Specific Integrated Circuit: ASIC) 2

Υπολογιστικές Πλατφόρμες 3 Ευελιξία Απόδοση

Ευελιξία Απόδοση 4

FPGA: The chip that flip flops 5

Ιδανικά για εξεικεδευμένους σχεδιασμούς Διαφοροποίηση προϊόντων σε μια αγορά που αλλάζει γρήγορα Προσφέρει πλεονεκτήματα για υψηλή ολοκλήρωση Υψηλή πολυπλοκότητα, πυκνότητα, αξιοπιστία Χαμηλό κόστος, κατανάλωση ισχύος, μικρό φυσικό μέγεθος Αποφεύγονται τα προβλήματα των ASICs Υψηλά μη-επαναλαμβανόμενα κόστη, μεγάλη καθυστέρηση στο σχεδιασμό και δοκιμή για ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Γρήγορο Τime-to-Market, Γρήγορη απόκτηση στις αλλαγές της αγοράς 6

Πολυ γρήγορη εξειδευμένη λογική Μαζική παράλληλη λειτουργία Γρηγότερα από μικροελεγκτές και μικροϋπολογιστές Γρηγορότερα από μηχανές DSP Πιο ευέλικτα από εξειδευμένα chipsets Επιτρέπει από την συνεχή διαφοροποίηση ενός προϊόντος Πιο οικονομικά και λιγότερο επιρεπή σε κινδύνους από τα ASICs Μη-επαναλαμβανόμενα κόστη, μικρό μέγεθος παραγγελίας Επαναπρογραμματιζόμενο οποιαδήποτε στιγμή 7

Τι είναι ένα FPGA? Διαμορφούμενο λογικό μπλοκ (Configurable Logic Block) Block RAMs Block RAMs Μπλοκ Εισόδου/ Εξόδου Μπλοκ RAMs 8

Κυτίο μεταγωγής Switch Box Κυτίο Σύνδεσης Connect Box Σημείο Διασύνδεσης Interconnect Point 9

Courtesy Dehon and Wawrzyniek 10

Το MCNC κύκλωμα e64 (περιλαμβάνει 230 4-LUT). Αρχική τυχαία Χωροθέτηση Τελική Χωροθέτηση Μετά από λεπτομερή διασύνδεση (Routing) 11

Γρήγορη Πρωτοτυποίηση Εξομοίωση Προσομοίωση Επιστημονικός Υπολογισμός Υπολογισμός Νέφους 12

Υλικό FPGAs Ενσωματωμένος PowerPC Ενσωματωμένες μνήμες Πολλαπλασιαστές Xilinx Vertex-II Pro Υψηλής ταχύτητας Ε/Ε 13

Ευελιξία Απόδοση 14

15 Ταξινόμηση Aρχιτεκτονικών Υπολογιστών

16 The name Harvard Architecture comes from the Harvard Mark I relay-based computer. The most obvious characteristic of the Harvard Architecture is that it has physically separate signals and storage for code and data memory. It is possible to access program memory and data memory simultaneously. Typically, code (or program) memory is read-only and data memory is read-write. Therefore, it is impossible for program contents to be modified by the program itself. The von Neumann Architecture is named after the mathematician and early computer scientist John von Neumann. von Neumann machines have shared signals and memory for code and data. Thus, the program can be easily modified by itself since it is stored in read-write memory.

von Neumann architecture 17 Memory holds data, instructions. Central processing unit (CPU) fetches instructions from memory. Separate CPU and memory distinguishes programmable computer. CPU registers help out: program counter (PC), instruction register (IR), general-purpose registers, etc.

von Neumann: CPU + Μνήμη 18 200 Μνήμη ADD r5,r1,r3 Διεύθυνση Δεδομένα 200 PC CPU ADD r5,r1,r3 IR

Αρχιτεκτονική Harvard 19 Μνήμη δεδομένων Μνήμη προγράμματος διεύθυνση δεδομένα διεύθυνση δεδομένα PC CPU

von Neumann vs. Harvard 20 Harvard can t use self-modifying code. Harvard allows two simultaneous memory fetches. Most DSPs use Harvard architecture for streaming data: greater memory bandwidth; more predictable bandwidth.

Δύο διαφορετικές Αρχιτεκτονικές 21 CISC (complex instruction set computer) Συμπεριλαμβάνονται σύνθετες εντολές Εύκολος προγραμματισμός Επιπλέον φόρτος Intel-Pentium RISC (reduced instruction set computer) Οι σύνθετες εντολές προσομοιώνονται με τη χρήση υποσυνόλου απλών εντολών Δύσκολος και χρονοβόρος προγραμματισμός Apple-PowerPC

CISC 5.22 CISC (προφέρεται sisk) αντιστοιχεί σε Complex Instruction Set Computer (CISC). Η στρατηγική πίσω από αρχιτεκτονικές CISC είναι να έχουμε ένα μεγάλο σύνολο εντολών, συμπεριλαμβανομένων και συνθέτων εντολών. Προγραμματισμός σε CISC υπολογιστές είναι ευκολότερος από ό, τι σε άλλους σχεδιασμούς, διότι υπάρχει μια εντολή τόσο για τα απλά και και σύνθετα έργα. Ως εκ τούτου οι προγραμματιστές δεν χρειάζονται να γράψουν μια σύνολο εντολών για τηυν εκτέλεση ενός πολύπλοκου έργου.

RISC 5.23 RISC (προφέρεται risk) αντιστοιχεί Reduced Instruction Set Computer. Η στρατηγική πίσω από την αρχιτεκτονική RISC είναι να έχουμε ένα μικρό σύνολο από εντολές που εκτελούν έναν ελάχιστο αριθμό από απλές εργασίες. Πολύπλοκες εντολές προσομοιώνονται με ένα υποσύνολο των απλές εντολές. Ο προγραμματισμός σε RISC είναι πιο δύσκολη και χρονοβόρα διαδιακασία από ό, τι σε άλλο σχεδιασμό, γιατί οι περισσότερες από τις πολύπλοκες εντολές θα πρέπει να προσομοιωθούν χρησιμοποιώντας απλές εντολές.

Pipelining (Διοχεύτεση) [1/2] 5.24 Έχουμε μάθει ότι ένας υπολογιστής χρησιμοποιεί τρεις φάσεις: (i) την κλήση, (ii) αποκωδικοποίηση και (iii) εκτέλεση, για κάθε εντολή. Στους πρώτους υπολογιστές, οι τρεις αυτές φάσεις έπρεπε να γίνει σε σειρά για κάθε εντολή. Με άλλα λόγια, μια εντολή, n, χρειάζεται να ολοκληρώσει όλες τις φάσεις πριν ξεκινήσει η εντολή n+ 1. Οι σύγχρονοι υπολογιστές χρησιμοποιούν μια τεχνική που ονομάζεται διοχέτευση (pipelining) για τη βελτίωση της απόδοσης (ο συνολικός αριθμός των εντολών που εκτελούνται σε κάθε περίοδο του χρόνου). Η ιδέα είναι ότι εάν η μονάδα ελέγχου μπορεί να κάνει δύο ή τρεις από αυτές τις φάσεις ταυτόχρονα, η επόμενη εντολή μπορεί να αρχίσει πριν από το προηγούμενο, έχει τελειώσει.

Pipelining (Διοχεύτεση) [2/2] 5.25

Παράλληλη επεξεργασία (Parallel processing) 5.26 Παραδοσιακά, ένας υπολογιστής είχε μια ενιαία μονάδα ελέγχου, μία αριθμητική λογική μονάδα και μία μονάδα μνήμης. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας και τη μείωση του κόστους του υλικού του υπολογιστή, σήμερα μπορούμε να έχουμε έναν μόνο υπολογιστή με πολλαπλές μονάδες ελέγχου, πολλαπλές μονάδες αριθμητικής λογικής και πολλαπλές μονάδες μνήμης. Η ιδέα αυτή αναφέρεται ως παράλληλη επεξεργασία. Όπως διοχέτευση, έτσι και η παράλληλη επεξεργασία μπορεί να βελτιώσει απόδοση. Ταξινόμηση οργάνωσης υπολογιστή

SISD organization 5.27

SIMD organization 5.28

MISD organization 5.29

MIMD organization 5.30

Οργάνωση υπολογιστών ΚΜΕ Κύρια Μνήμη Υποσύστημα εισόδου/εξόδου 31

Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) 32 R1 R2 ΑΛΜ R3 I Καταχωρητές PC

Κεντρική Μονάδα Επεξεργασίας (ΚΜΕ) 33 αριθμητική και λογική μονάδα ή ΑΛΜ (arithmetic logic unit, ALU) εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις καταχωρητές (registers) γρήγορες αυτόνομες θέσεις αποθήκευσης για την προσωρινή αποθήκευση δεδομένων Δεδομένων, Εντολών, Μετρητής προγράμματος μονάδα ελέγχου (control unit) μοιάζει με το τμήμα του ανθρώπινου εγκεφάλου που ελέγχει τη λειτουργία κάθε οργάνου του σώματος και ο έλεγχος αυτός επιτυγχάνεται μέσω διαύλων που είναι είτε ανοιχτοί είτε κλειστοί

Κύρια Μνήμη 34 Η κύρια μνήμη (main memory) είναι μια συλλογή από θέσεις αποθήκευσης, κάθε μία από τις οποίες διαθέτει ένα μοναδικό αναγνωριστικό που ονομάζεται διεύθυνση. Τα δεδομένα μεταφέρονται από και προς τη μνήμη σε ομάδες από bit οι οποίες ονομάζονται λέξεις (words). Μια λέξη μπορεί να είναι μια ομάδα των 8, 16, 32, ή μερικές φορές 64 bit

Χώρος Διευθύνσεων 35

Χώρος Διευθύνσεων 36 Ο συνολικός αριθμός των μοναδικά προσδιορίσιμων θέσεων στη μνήμη ονομάζεται χώρος διευθύνσεων (address space). Για παράδειγμα, μια μνήμη 64 KB με μέγεθος λέξης 1 byte διαθέτει χώρο διευθύνσεων με εύρος από 0 έως 65.535.

Μονάδες Μνήμης Μονάδα Ακριβές πλήθος byte Προσέγγιση Kilobyte (ΚΒ) 2 10 (1.024) byte 10 3 byte megabyte (ΜΒ) 2 20 (1.048.576) byte 10 6 byte gigabyte (GB) 2 30 (1.073.741.824) 10 9 byte byte Terabyte (TB) 2 40 byte 10 12 byte Petabyte (PB) 2 50 byte 10 15 byte Exabyte (EB) 2 60 byte 10 18 byte 37

Οι διευθύνσεις ως σχήματα bit 38 Επειδή οι υπολογιστές λειτουργούν αποθηκεύοντας αριθμούς ως σχήματα bit, οι διευθύνσεις αναπαρίστανται και αυτές με τον ίδιο τρόπο. Έτσι, αν ένας υπολογιστής έχει 64 KB (216) μνήμης με μέγεθος λέξης 1 byte, τότε για τον προσδιορισμό μιας διεύθυνσης απαιτείται ένα σχήμα 16 bit

Οι διευθύνσεις ως σχήματα bit 39 Οι διευθύνσεις μνήμης καθορίζονται με τη χρήση μη προσημασμένων δυαδικών ακεραίων (δεν υπάρχουν αρνητικές διευθύνσεις). Η πρώτη θέση αναφέρεται ως διεύθυνση 0000000000000000 (διεύθυνση 0), και η τελευταία θέση αναφέρεται ως διεύθυνση 1111111111111111 (διεύθυνση 65.535). Γενικά, αν ένας υπολογιστής διαθέτει Ν λέξεις μνήμης, για την αναφορά όλων των θέσεων μνήμης απαιτείται ένας μη προσημασμένος ακέραιος μεγέθους log 2 N bit.

Οι διευθύνσεις ως σχήματα bit 40 Ένας υπολογιστής έχει 32 MB μνήμης. Πόσα bit χρειάζονται για τη διευθυνσιοδότηση κάθε byte της μνήμης; Λύση Ο χώρος διευθύνσεων της μνήμης είναι 32 MB, δηλαδή 2 25. Αυτό σημαίνει ότι για τη διευθυνσιοδότηση κάθε byte απαιτούνται log 2 2 25, δηλαδή 25, bit

Οι διευθύνσεις ως σχήματα bit 41 Ένας υπολογιστής έχει 128 MB μνήμης. Κάθε λέξη σε αυτόν τον υπολογιστή είναι 8 byte. Πόσα bit χρειάζονται για τη διευθυνσιοδότηση κάθε λέξης μνήμης; Λύση Ο χώρος διευθύνσεων της μνήμης είναι 128 MB, δηλαδή 2 27. Όμως, κάθε λέξη είναι 8(2 3 ) byte, άρα έχουμε 2 24 λέξεις. Αυτό σημαίνει ότι για τη διευθυνσιοδότηση κάθε λέξης απαιτούνται log 2 2 24, δηλαδή 24, bit.

42 Μονάδες υλικού: Μνήμες

Τάσεις Ημιαγωγικών Μνημών 43 From [Itoh01]

Τάσεις για το Εμβαδόν Κελιού Μνήμης 44 From [Itoh01]

Ταξινόμηση Ημιαγωγικών Μνημών 45 Read-Write Memory Non-Volatile Read-Write Memory Read-Only Memory Random Access Non-Random Access EPROM E 2 PROM Mask-Programmed Programmable (PROM) SRAM FIFO FLASH DRAM LIFO Shift Register CAM

Τύποι Μνήμης 46 RAM μνήμη τυχαίας προσπέλασης (Random Access Memory) μπορεί να αναγνωστεί και να εγγραφεί από το χρήστη είναι "πτητική, όταν διακόπτεται η τροφοδοσία του ρεύματος, οι πληροφορίες (πρόγραμμα ή δεδομένα) διαγράφονται ROM μνήμη μόνο για ανάγνωση (Read Only Memory) ο χρήστης μπορεί να διαβάσει τη ROM αλλά όχι και να γράψει σε αυτή είναι μη πτητική χρησιμοποιείται για προγράμματα ή δεδομένα που δεν πρέπει να διαγραφούν ή να μεταβληθούν ακόμα και όταν ο υπολογιστής κλείνει

47 Μνήμες Ανάγνωσης Εγγραφής (RAM) Στατική RAM (Static RAM SRAM ) Τα δεδομένα αποθηκεύονται όσο υπάρχει τάση Το κελί μνήμης έχει 6 τρανζίστορ Γρήγορη Εφαρμογές: π.χ., Κρυφές Μνήμες (cache memory), μνήμες εντός ολοκληρωμένου Δυναμική RAM (Dynamic RAM DRAM) Απαιτεί περιοδικό φρεσκάρισμα περιεχομένου Μικρό μέγεθος (1-3 τρανζίστορ ανά κελί) Αργή μνήμη Εφαρμογές: π.χ., μνήμες εκτός ολοκληρωμένου

Τύποι Μνήμης RAM 48 SRAM στατική RAM (Static RAM) χρησιμοποιεί για την αποθήκευση δεδομένων τις παραδοσιακές πύλες φλιπ φλοπ διατηρεί την κατάστασή της (0 ή 1), δηλαδή τα δεδομένα διατηρούνται αποθηκευμένα όσο υπάρχει τροφοδοσία ρεύματος χωρίς να χρειάζονται ανανέωση. είναι γρήγορη αλλά ακριβή

Τύποι Μνήμης RAM 49 DRAM δυναμική RAM (Dynamic RAM) χρησιμοποιεί πυκνωτές Αν ο πυκνωτής είναι φορτισμένος, η κατάσταση είναι 1, αν είναι αφόρτιστος, η κατάσταση είναι 0. Επειδή οι πυκνωτές χάνουν ένα μέρος του φορτίου τους με την πάροδο του χρόνου, οι θέσεις τα κελιά μνήμης χρειάζονται περιοδική ανανέωση. είναι αργές αλλά φτηνές.

Τύποι Μνήμης ROM 50 Μια παραλλαγή της ROM είναι η προγραμματιζόμενη μνήμη μόνο για ανάγνωση (Programmable Read Only Memory, ή PROM) Η μνήμη αυτού του τύπου είναι κενή όταν ο υπολογιστής βγαίνει από το εργοστάσιο, και χρησιμοποιείται για την αποθήκευση προγραμμάτων από το χρήστη μέσω ειδικού εξοπλισμού. Όταν τα προγράμματα αποθηκευτούν η μνήμη λειτουργεί ως ROM και δεν μπορεί να επανεγγραφεί

Τύποι Μνήμης ROM 51 Μια παραλλαγή της PROM είναι η διαγράψιμη προγραμματιζόμενη μνήμη μόνο για ανάγνωση (Erasable Programmable Read Only Memory, ή EPROM). Μπορεί να προγραμματιστεί από το χρήστη, αλλά μπορεί και να διαγραφεί από μια ειδική συσκευή που εκπέμπει υπεριώδες φως. Η διαγραφή της μνήμης EPROM απαιτεί τη φυσική εξαγωγή της από τον υπολογιστή και την επανατοποθέτησή της.

Τύποι Μνήμης ROM 52 Η ηλεκτρονικά διαγράψιμη προγραμματιζόμενη μνήμη μόνο για ανάγνωση (Electronically Erasable Programmable Read Only Memory, ή EEPROM) αποτελεί μια παραλλαγή της EPROM. Μπορεί να προγραμματιστεί και να διαγραφεί μέσω ηλεκτρονικών παλμών χωρίς να απαιτείται η αφαίρεσή της από τον υπολογιστή

Αρχιτεκτονική Μνήμης 53 Problem: ASPECT RATIO or HEIGHT >> WIDTH 2 L 2 K Bit line Storage cell A K A K11 A L 21 Row Decoder Word line Sense amplifiers / Drivers M.2 K Amplify swing to rail-to-rail amplitude A 0 A K21 Column decoder Selects appropriate word Input-Output (M bits)

Κύτταρο SRAM με 6-τρανζίστορ 54 Wordline WL V DD M 2 M 4 Q M Q M 5 6 M 1 M 3 BL BL Bitline Bitline

DRAM με ένα τρανζίστορ 55 WL BL WL Write 1 Read 1 M 1 X GND V DD 2 V T C S BL V DD V DD /2 V sensing DD /2 C BL

Μη Πτητικές Μνήμες Non-Volatile Memories 56 Το περιεχόμενο της μνήμης παραμένει και χωρίς τάση τροφοδοσίας «Προγραμματιζόμενη» μνήμη Παράδειγμα: Flash memories, EEPROM

57 Μη Πτητικές Μνήμες (Non-Volatile Memories) Τρανζίστορ Αιωρούμενης Πύλης (Floating-gate transistor [FAMOS]) Αιωρούμενη Πύλη Floating gate Πηγή Source Πύλη Gate Υποδοχή Drain D t ox G n + n + p υπόστρωμα p substrate t ox S Σύμβολο Σχηματικό Διατομή Στοιχείου Device cross-section

Floating-Gate Transistor Programming 58 20 V 0 V 5 V 10 V 5 V 20 V 5 V 0 V 5 V 5 V S D S D S D Avalanche injection Removing programming voltage leaves charge trapped Programming results in higher V T.

Προγραμματισμός Floating-Gate Transistor 59

Ιεραρχία της μνήμης 60

Κρυφή Μνήμη 61 Η κρυφή μνήμη περιέχει συνεχώς ένα αντίγραφο κάποιου τμήματος της κύριας μνήμης. Όταν η ΚΜΕ πρέπει να προσπελάσει μια λέξη στην κύρια μνήμη, ακολουθείται η εξής διαδικασία: 1. Η ΚΜΕ ελέγχει την κρυφή μνήμη. 2. Αν βρει εκεί τη λέξη, την αντιγράφει, αν όχι, ηκμεπροσπελάζειτην κεντρική μνήμη και αντιγράφει το τμήμα της το οποίο ξεκινάει με την επιθυμητή λέξη. Το τμήμα αντικαθιστά τα προηγούμενα περιεχόμενα της κρυφής μνήμης. 3. Η ΚΜΕ προσπελάζει την κρυφή μνήμη και αντιγράφει τη λέξη.

Κρυφή Μνήμη Είναι γρηγορότερη από την κύρια μνήμη αλλά πιο αργή από την ΚΜΕ και τους καταχωρητές της. Ηκρυφήμνήμη, η οποία συνήθως έχει μικρό μέγεθος, μεσολαβεί μεταξύ της ΚΜΕ και της κύριας μνήμης 62

Κρυφές Μνήμες και CPUs 63 CPU Διεύθυνση address Κρυφή μνήμη ελεγκτής Διεύθυνση address Δεδομένα - data Κρυφή Μνήμη cache Διεύθυνση - address Δεδομένα - data Κύρια Μνήμη

Λειτουργία Κρυφής Μνήμης 64 Πολλές θέσεις της κύριας μνήμης απεικονίζονται σε κρυφή μνήμη Είδη κρυφών μνημών: μικροεντολές δεδομένα; δεδομένα + μικροεντολές (unified) Η ταχύτητα πρόσβασης δεν είναι καθορισμένη

Χαρακτηριστικά Κρυφών Μνημών 65 Ευστοχία κρυφής μνήμης (Cache hit) το απαιτούμενο δεδομένο είναι κρυφή μνήμη Αστοχία κρυφής μνήμης (Cache miss) το απαιτούμενο δεδομένο ΔΕΝ είναι κρυφή μνήμη Σύνολο εργασίας (Working set) Σύνολο θέσεων χρησιμοποιούμενο από το πρόγραμμα σε ένα χρονικό διάστημα Είδη αστοχιών Υποχρεωτική (Compulsory): location has never been accessed. Χωρητικότητας (Capacity): working set is too large. Conflict: multiple locations in working set map to same cache entry.

Πολλαπλά Επίπεδα Μνημών 66 CPU L1 cache L2 cache

Πολλαπλά Επίπεδα Μνημών 67

Ιεραρχία μνημών 68

Ιεραρχία μνημών 69

Χρήσιμες διεθύνσεις 70 Authors@Google: Christos Papadimitriou http://www.youtube.com/watch?v=yfcq06c9ck&feature=playlist&p=42b3e03aae2b3 B02&playnext_from=PL&playnext=1&index=32 The Birth of the Transistor - 4 of 4 http://www.youtube.com/watch?v=ptdyedxxgoy MICROPROCESSOR TUTORIAL http://www.eastaughs.fsnet.co.uk\cpu\index.htm

Υπολογιστικές Πλατφόρμες 71

Επεξεργαστές Ψηφιακού Σήματος Digital Signal Processors 72

Χαρακτηριστικά εφαρμογών DSPs 73 Απαιτούν μεγάλη υπολογιστική πολυπλοκότητα Απαιτεί προσοχή στην αριθμητική πιστότητα Απαιτήσεις στη μνήμης για υψηλό εύρος ζώνης Συνεχής ροή δεδομένων (Streaming Data) Προβλέψιμa μοτίβα πρόσβασης δεδομένων (access pattern) Τοπικότητα στην Εκτέλεση Δύσκολες απαιτητικές Μαθηματικέςπράξεις Απαίτηση για εκτέλεση σε πραγματικό χρόνο (realtime processing)

74

75