andreony
[admin]
 Din: bucharest
Inregistrat: acum 20 ani
Postari: 1062
|
|
Arhitectura Calculatorului
Arhitectura Calculatorului = Arhitectura Setului de Instructiuni +
Organizarea Calculatorului/Masinii
Arhitectura Setului de Instructiuni – ASI- (ISA- Instruction Set Architecture)
conform lui: Amdahl, Blaaw si Brooks (1964)
…..atributele unui sistem (de calcul) vazute de catre programator: structura
conceptuala si comportarea functionala, spre deosebire de organizarea fluxurilor de date
si de control, de proiectarea logica si de implementarea fizica:
- Organizarea memoriei pentru stocarea programelor,
- Tipurile de date si structurile de date: codificare si reprezentari,
- Setul de Instructiuni
- Formatele Instructiunilor
- Modurile de adresare si accesare ale obiectelor reprezentand date si instructiuni
- Conditiile de exceptie.
Setul de instructiuni realizeaza interfata intre software si hardware:
Software
Hardware
Exemple de Arhitecturi de Seturi de Instructiuni:
- Digital Alpha (v1,v3) 1992-1997
- HP PA (Precision Architecture) (v1.1,v2.0) 1986- 1996
- Sun Sparc (v8,v9) 1987-1995
- SGI (MIPS I, II, III, IV, V) 1986-1996
- Intel (8086,80286,80386,80486,Pentium,MMX ,…..) 1978-1996
Setul de Instructiuni
Arhitectura Setului de Instructiuni pentru MIPS R3000 (rezumat)
Categorii de instructiuni:
- Incarca/Stocheaza (Load/Store)
- Aritmetice-Logice (Instructiuni de Calcul)
- Salt si Ramificare
- Virgula Mobila
- coprocesor
- Gestiune/Management Memorie
- Speciale
Trei Formate de Instructiuni cu lungimea de 32 de biti.
Organizarea calculatorului se refera la:
- Capabilitatile, Performantele si Caracteristicile
principalelor Unitati Functionale (ex.: Registe, UAL, Unitati Logice,
Circuite de Deplasare,…)
- Modurile in care aceste componente sunt interconectate;
- Fluxul Informatiei intre componente;
- Logica si mijloacele folosite pentru controlul fluxului informatiei;
- Sincronizarea operarii Unitatilor Functionale pentru a realiza ASI;
- Descrierea operarii sistemului numeric la Nivelul Transferurilor intre Registre,
NTR, (RTL – Register Transfer Level).
Registre:
R0 – R31
PC
HI
LO
OP rs rt rd sa funct
OP rs rt imediat
OP tinta pentru salt
Punctul de vedere al Proiectantului la Nivel Logic:
Nivel ASI Unitati Functionale si Interconexiuni
Exemplu de Organizare:
TI SuperSPARC TMS390Z50 din statia Sun SPARCstation20:
Ce este “Arhitectura Calculatorului?â€
Aplicatia
Sistem de Operare
Compilator Firmware
Set Instr. Proc Sist de I/E
Unit. Exec si Control
Proiectare Circuite
Proiectare Masti
Arhitectura Setului de Instructiuni
- Coordonarea mai multor niveluri de abstractizare
- Existenta mai multor forte care se modifica rapid:
- Tehnologia;
- Aplicatiile
- Limbajele de programare;
- Sistemele de operare;
- Istoria/Traditia;
- Ingeniozitatea proiectantilor
- Proiectare, Masurare si Evaluare
Tehnologia
Tehnologia se perfectioneaza continuu:
- Procesoarele:
- Capacitatea logica creste cu circa 30%/an;
- Frecventa ceasului creste cu circa 20%/an.
- Memoria:
- Capacitatea memoriei Dinamice DRAM creste cu circa 60%/an
- Viteza memoriei creste cu circa 10%/an
- Costul pe bit scade cu circa 25%/an.
- Disc:
- Capacitatea creste cu circa 60%/an
Capacitatea circuitelor de memorie DRAM:
Anul : 1980 1983 1986 1989 1992 1996 1999 2001
Capacitatea: 64Kb 256Kb 1Mb 4Mb 16Mb 64Mb 256Mb 1Gb
In 1985 au aparut procesorul pe o singura pastila si calculatorul pe o singura placheta.
Aceste realizari au propulsat puternic: statiile de lucru, calculatoarele personale, sistemele
multiprocesor. Dupa 2002, acestea din urma pot aparea in postura de sisteme
“mainframes†in comparatie cu calculatoarele pe una sau doua pastile
Arhitectura si Ingineria Calculatoarelor
Proiectarea Setului de instructiuni Organizarea calculatorului
Interfetele Componentele Hardware
Compilator/Tratare la nivel de Sistem Tratarea la Nivel de Proiectare Logica
“Arhitect†“Constructorâ€
Niveluri de Reprezentare
temp=v[k];
v[k]=v[k+1];
Compilator v[k+1]=temp;
lw$15, 0($2)
lw$16, 4($2)
sw $16,0($2)
Asamblor sw$15,4($2)
0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000
… ……. ……… ……… …….. ……
0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111
Interpretare masina
UAL[1:3] <= RI[9:11] ^ MASK
Niveluri de Organizare
Pe exemplul SPARCstation20
Tinta Proiectarii Statiilor de Lucru:
- Cost Procesor ~25%
- Cost Memorie cap. minima ~ 25%
- Cost Dispozitive de I/E, Surse
alimentare, cabinet etc. ~ 50%
Programare in Limbaj de Nivel
Inalt
Program in Limbaj de Asamblare
Program in Limbaj Masina
Specificarea Semnalelor de
Comanda
Calculator
Procesor Memorie Dispozitive
Unit.
Control
Unit.
Exec.
Intrare
Iesire
Ciclul de Operare
Citeste Instructiunea din Memoria pentru
program .
Stabileste actiunile necesare si dimensiunea
instructiunii.
Localizeaza si extrage operandul/data
Calculeaza valoarea rezultatului sau starea
Stocheaza rezultatul in memorie/registru
pentru utilizare ulterioara.
Stabileste instructiunea urmatoare
Citieste Instructiunea (Instruct. Fetch)
Decodifica Instructiunea (Decode)
Citeste Operandul (Operand Fetch)
Executa (Execute)
Stocheaza Rezultatul (Write Back)
Instructiunea urmatoare (Next Instruct)
Dispozitive Standard de I/E (SPARCstation 20 –SS20)
- SCSI = Small Computer Systems Interface
- Interfata Standard (IBM, Apple, HP, Sun etc)
- Calculatoarele si Dispozitivele de I/E comunica
unul cu altul.
- Discul dur este unul dintre dispozitivele de I/E ,
care se conecteaza la Magistrala SCSI
Magistrala
SCSI
Dispozitive de I/E rapide
- SBus reprezinta magistrala proprietara SUN, pentru dispozitive rapide de I/E
- SS20dispune de patru conectori SBus, pentru dispozitivele de I/E
- Exemple: accelerator grafic, adaptor video etc..
- Termenii de viteza ridicata si viteza coborata sunt relativi
Sbus
Dispozitive de I/E lente
- SS20 poseda numai patru conectori Sbus, deoarece spatiul pe placa este limitat
- Viteza unor dispozitive de I/E este limitata de timpul de reactie a operatorului,
care este extrem de mare, din punctul de vedere al calculatorului
- Exemple: tastatura si mouse-ul
- Nu sunt motive pentru utilizarea unui conector SBus costisitor.
Magistrala
Externa
Disc
Banda
SBus Slot1
Sbus Slot0
SBus Slot3
SBus Slot2
Tastatura
Mouse
Disc
Flexibil
Rezumat
- Toate calculatoarele poseda cinci componente:
- Procesor: (1) Unitatea de Executie si (2) Unitatea de Comanda
- (3) Memoria
- (4) Dispozitivele de intrare si (5) Dispozitivele de iesire
- Memoria nu este omogena ca tehnologie, amplasare, cost, performanta etc
- Memoria Cache (intermediara) este costisitoare, rapida si plasata
in apropierea procesorului.
- Memoria principala este mai putin costisitoare si este solicitata la
capacitati din ce in ce mai mari
- Interfetele intre unitatile functionale si intre calculator si mediul inconjurator ridica
probleme
- Proiectarea intregului sistem se realizeaza in conditiile unor restrictii de performanta,
putere consumata, arie ocupata si cost
Magistrala
Adaptor
Dispozitive de I/E:
- Discuri
- Monitoare
- Tastaturi
Procesor
Memorie Cache
Memorie principala
Controlere
Retele
ASI - Clase fundamentale ( cele mai multe masini reale constituie hibrizi ai acestor
clase).
Evolutia Arhitecturii Setului de Instructiuni.
Acumulator unic (EDSAC – 1950)
Acumulator + Registre Index (Manchester Mark1, IBM 700 – 1953)
Separarea modelului de Programare de Implementare.
Orientare pe Limbaje de Nivel Inalt Conceptul de Familie de Calculatoare
(Burroughs 5000 – 1963) (IBM/360 -1964)
Calculatoare cu Registre Generale
Arhitecturi cu Set Complex de Instructiuni Arhitecturi Incarca/Stocheaza
(CISC: VAX, Intel 432, -1977-80, (Load/Store: CDC 6600, Cray1, - 1963-76)
Intel 80x86, Pentium, MMX etc, -
1980- RISC
(MIPS,Sparc,M88000, IBM6000, - 1987)
Acumulator (un registru):
1 adresa add A acc <- acc + mem[A]
1 adresa + x *) addx A acc <- acc + mem[A+x]
*) x este registru undex
Fluxul datelor
Memorie
UAL
Acumulator
Stiva:
0 (zero) adrese add tos <- tos + urmator
Stiva
Fluxul datelort
Registre Generale ( poate fi memorie/memorie)
2 adrese add A B EA[A] <- EA[A] + EA[b]
3 adrese add A B C EA[A] <- EA[b] + EA[C]
Incarca/Stocheaza: (Load/Store)
3 adrese add Ra Rb Rc Ra <- Rb + Rc
2 adrese load Ra Rb Ra <- mem[Rb]
store Ra Rb mem[Rb} <- Ra
mux
Fluxul datelor
tos
UAL
Memorie
R0
…………
R32
Memorie
UAL
Comparatii:
- Octeti pe instructiune?
- Numar de instructiuni?
- Cicluri pe instructiune?
Compararea numarului de instructiuni.
Fie secventele de coduri pentru expresia C = A + B
Stiva Acumulator Registre (reg-mem) Registre (citeste/stocheaza)
Push A Load A Load R1, A Load R1, A
Push B Add B Add R1, B Load R2, B
Add Store C Store C, R1 Add R3, R1, R2
Pop C Store C, R3
Organizarea bazata pe registre generale este dominanta
- Toate calculatoarele realizate intre 1975 si 2000 utilizeaza registre generale
- Avantajele folosirii registrelor generale:
- Registrele sunt mai rapide decat memoria
- Registrele sunt mai usor de utilizat de catre compilator, de ex.:
in expresia (A*B) – (C*D) – (E*F) inmultirile se pot efectua
indiferent de ordine, in comparatie cu stiva.
- Registrele pot stoca variabile:
- traficul cu memoria este redus, programul se poate executa mai
repede ( registrele sunt mai rapide decat memoria).
- densitatea codului creste deoarece numele registrelor pot fi codificate
cu mai putini biti decat locatiile de memorie
Registrele procesorului MIPS I
- Memoria programabila:
- 2^32 octeti de memorie r0
- 31 x 32- biti RG (Registre Generale, R0=0) .
- 32 x 32 biti registre FP ( DP-perechi) .
- HI, LO, PC r31
PC
lo
hi
Adresarea Memoriei
- Incepand cu 1980 cele mai mule calculatoare utilizeaza adrese la nivel de octet – byte
- Pentru proiectarea ASI apar doua probleme:
- Un cuvant de 32 de biti poate fi extras prin patru citiri de octeti succesivi,
de la adrese secventiale de octeti, sau poate fi extras ca un singur cuvant
de la o adresa de octet. Cum se mapeaza adresele de octeti in cuvinte?
- Un cuvant poate fi plasat la oricare pozitie de octet?
Adresarea Obiectelor: “Endiani†si Aliniere.
- Big Endian: adresa celui mai semnificativ octet = adresa cuvantului.
(xx00 = “Big End†al cuvantului)
IBM 360/370, Motorola 68k, MIPS, Sparc, HP PA
- Little Endian: adresa celui mai putin semnificativ octet = adresa cuvantului
(xx00= “Little End†al cuvantului)
Intel 80x86, DEC Vax, DEC Alpha (Windows NT)
3 2 1 0 (little endian byte 0)
msb lsb
0 1 2 3
(big endian byte 0)
Aliniere: toate obiectele se plaseaza la adrese care sunt multipli ai dimensiunilor lor.
Moduri de Adresare (VAX 11/780)
Moduri de Adresare Exemplu Semnificatie
Registru Add R4, R3 R4 ¬R4+R3
Imediat Add R4,#3 R4 ¬ R4+3
Deplasata Add R4,100(R1) R4 ¬ R4+Mem[100+R1]
Registru Indirect Add R4,(R1) R4 ¬ R4+Mem[R1]
Indexat/Bazat Add R3,(R1+R2) R3 ¬R3+Mem[R1+R2]
Direct sau Absolut Add R1,(1001) R1 ¬R1 + Mem[1001]
Memorie Indirect Add R1,@(R3) R1 ¬ R1 + Mem[Mem[R3]]
Post-increment Add R1,(R2)+ R1 ¬ R1 + Mem[R2]; R2 <- R2+d
Pre-decrement Add R1,-(R2) R2 ¬ R2-d; R1 <- R1 + Mem[R2]
Scalata Add R1,100(R2)[R3] R1 ¬R1 + Mem[100+R2+R3*d]
Utilitatea adresarilor Post-increment, Pre-decrement, Scalata?
Utilizarea Modurilor de Adresare (se ignora modul registru)
Trei programe masurate pe un calculator cu toate modurile de adresare (VAX)
- Deplasare: 42% medie, 32%-55%, 75%
- Imediat: 33% medie, 17% - 43% 85%
- Registru indirect: 13% medie, 3% - 24%
- Scalate: 7% medie, 1% -16%
- Memorie indirect: 3% medie, 1% - 6%
- Diverse: 2% medie, 0% - 3%
75% cu deplasare si immediate
88% cu deplasare, immediate si registru indirect.
Dimensiunea Campului Deplasare?
Media asuratorilor efectuate pe programele 5SPECint92 si 5SPECfp92:
- 1% din adrese >16 biti
- 12-16 biti sunt necesari pentru deplasare.
Dimensiunea pentru campul Imediat?
- 50% - 60% se incadreaza in 8 biti
- 75% - 80% se incadreaza in 16 biti
Adresare (Rezumat).
- Modurile de adresare a datelor care sunt importante:
Deplasare, Imediat, Registru indirect.
- Dimensiunea campului Deplasare trebuie sa fie de 12 – 16 biti.
- Dimensiunea campului Imediat trebuie sa fie de 8 – 16 biti
Intrebari.
1. Cum se poate defini arhitectura unui calculator?
2. Care sunt componentele arhitecturii unui calculator?
3. Ce reprezinta Arhitectura Setului de Instructiuni? Exemple.
4. Ce reprezinta organizarea unui calculator? Exemplu.
5. Nivelurile de reprezentare a unui calculator.
6. Etapele/ciclurile derularii unei instructiuni.
7. Organizarea unui calculator la nivel de magistrale.
8. Clase de arhitecturi de seturi de instructiuni.
9. Arhitecturi bazate pe registre generale: CISC, RISC.
10. Adresarea memoriei. Big Endian, Little Endian.
11. Exemple de moduri de adresare: Vax 11/780, MIPS3000
_______________________________________
------ eVoLuTiOn ------
|
|
