chuong3 2: Bộ vi xử lý, khái niệm đường ống và các kiến trúc

Tổ chức bộ vi xử lý 1. Đường đi của dữliệu 2. Bộ điều khiển 3. Diễn tiến thi hành lệnh mã máy 4. Ngắt quảng 5. Kỹthuật ống dẫn 6. Khó khăn trong kỹthuật ống dẫn 7. Siêu ống dẫn 8. Siêu vô hướng 9. Máy tính có lệnh thật dài 10.Kiến trúc IA64 11.Máy tính vector 12.Máy tính song song

Kiến trúc máy tính (Computer Architecture) Chương Tổ chức xử lý Tổ chức xử lý Mục đích, yêu cầu „ „ Mục đích: Giới thiệu tổ chức, nguyên lý hoạt động phận bên xử lý nhằm thực nhiệm vụ mà kiến trúc phần mềm đề Giới thiệu kỹ thuật nâng cao hiệu hoạt động xử lý đại Yêu cầu: Sinh viên nắm vững cấu trúc xử lý trung tâm, diễn tiến thi hành lệnh mã máy kỹ thuật nâng cao hiệu hoạt động xử lý như: kỹ thuật ống dẫn, siêu ống dẫn, siêu vơ hướng, máy tính có lệnh thật dài, máy tính véc-tơ, xử lý song song Tổ chức xử lý Nội dung 10 11 12 Đường liệu Bộ điều khiển Diễn tiến thi hành lệnh mã máy Ngắt quảng Kỹ thuật ống dẫn Khó khăn kỹ thuật ống dẫn Siêu ống dẫn Siêu vô hướng Máy tính có lệnh thật dài Kiến trúc IA64 Máy tính vector Máy tính song song Tổ chức xử lý Đường liệu „ „ Bộ xử lý trung tâm gồm: „ Phần thi hành lệnh (EU: Execution Unit) Gồm: ALU & Registers „ Bộ điều khiển (CU: Control Unit) Phần thi hành lệnh gọi đường liệu (Datapath) Tổ chức xử lý Đường liệu „ Nhiệm vụ: ƒ Đọc toán hạng từ ghi ƒ Thực phép tính ALU ƒ Lưu kết ghi Tổ chức xử lý Đường liệu Các thành phần: „ Bộ phận số học luận lý (ALU) „ Các ghi ƒ Tổng quát ƒ Bộ đếm chương trình (PC) ƒ Trạng thái (SR) ƒ Đệm (TEMP) ƒ Địa nhớ (MAR) ƒ Dữ liệu nhớ (MDR) „ Các đường nối kết ƒ Dữ liệu nguồn (S1) ƒ Dữ liệu nguồn (S2) ƒ Dữ liệu đích (Dest) Tổ chức xử lý Bộ điều khiển „ „ Nhiệm vụ ƒ Tạo tín hiệu điều khiển di chuyển số liệu ƒ Điều khiển thực tác vụ phận chức (ALU, R/W nhớ) ƒ Tạo tín hiệu điều khiển thực lệnh cách Phân loại: ƒ Bộ điều khiển dùng mạch điện tử ƒ Bộ điều khiển dùng vi chương trình Tổ chức xử lý Bộ điều khiển „ Bộ điều khiển mạch điện tử: ƒ Các đường điều khiển ngã nhiều automat trạng thái hữu hạn ƒ Các ngã vào automat gồm có ghi lệnh, trạng thái thông tin từ đường số liệu ƒ Ứng với ngã vào, automat cho đường điều khiển phần đường số liệu (ngã ra) trạng thái tương lai ƒ Nhận xét: Kỹ thuật điều khiển dùng mạch điện tử đơn giản hữu hiệu lệnh có chiều dài cố định, có dạng thức đơn giản Nó dùng nhiều xử lý RISC Tổ chức xử lý Bộ điều khiển „ Bộ điều khiển vi chương trình: ƒ Các đường điều khiển đường liệu ứng với ngã vi lệnh nhớ vi chương trình ƒ Điều khiển tác vụ lệnh mã máy cách thực chuỗi vi lệnh ƒ Một vi máy tính bên điều khiển thực lệnh vi chương trình ƒ Các tác vụ lệnh mã máy tùy thuộc vào trạng thái phần đường số liệu ƒ Nhận xét: Bộ điều khiển vi chương trình dùng CPU CISC, người ta cài đặt lệnh mã máy vi chương trình Tổ chức xử lý Diễn tiến thi hành lệnh mã máy Đọc lệnh: MAR Å PC IR Å M[MAR] Giải mã lệnh đọc ghi nguồn: A Å Rs1 B Å Rs2 PC Å PC + Thi hành lệnh: ƒ Thâm nhập nhớ: MAR ÅĐịa (Rs2) - Ghi: MDR Å Rs1 ƒ Lệnh ALU: Ngã ALU Å Kết phép tính ƒ Lệnh nhảy: Ngã ALU Å Địa (ALU tính) Thâm nhập nhớ / nhảy lần cuối: ƒ Thâm nhập nhớ: - Đọc: MDR Å M[MAR] - Ghi: M[MAR] Å MDR ƒ Nhảy: If (điều kiện), PC Å ngả ALU Lưu trữ kết quả: ƒ Thâm nhập nhớ: - Đọc: Rd Å MDR ƒ Lệnh ALU: Rd Å Ngã ALU Tổ chức xử lý 10 12 Máy tính song song Phân loại máy tính SISD SIMD Máy tính xử lý thơng thường Bộ xử lý Vectơ MISD Bộ xử lý Chuỗi Đa xử lý đối xứng (SMP) MIMD Bộ nhớ chia sẻ Truy cập nhớ không đồng (NUMA) Tổ chức xử lý Bộ nhớ phân tán Cluster 33 12 Máy tính song song SISD: Máy tính dịng lệnh, dịng liệu máy tính với xử lý mà ta nghiên cứu DS IS CU PU MU SIMD: Có số lớn xử lý giống nhau, thực lệnh giống để xử lý nhiều dòng liệu khác ƒ Mỗi xử lý có nhớ liệu riêng, có nhớ lệnh điều khiển, đọc thi hành lệnh ƒ Tính song song dùng máy SIMD tính song song liệu DS PU1 LM1 CU IS PU2 PUn Tổ chức xử lý DS DS LM2 LMn 34 12 Máy tính song song MISD: Máy tính nhiều dòng lệnh, dòng liệu chưa chế tạo MIMD: Máy tính nhiều dịng lệnh, nhiều dịng liệu kiến trúc đương nhiên cho máy nhiều xử lý dùng ứng dụng thông thường Người ta thường phân loại máy MISD theo tổ chức nhớ: „ SMP (Symmetric Multiprocessors): Hệ thống đa xử lý nhớ chia sẻ, thời gian truy cập nhớ giống cho xử lý „ NUMA (NonUniForm Memory Access): Hệ thống đa xử lý nhớ chia sẻ, thời gian truy cập vùng nhớ khác khác „ CC-NUMA (Cache-Coherent NUMA): Hệ thống NUMA với liên kết trì hệ thống cache xử lý riêng lẻ „ Cluster: Tồn máy tính riêng lẻ kết nối với thực công việc máy tính hợp có chung tài ngun Mỗi máy tính xem phận Cluster Tổ chức xử lý 35 12 Máy tính song song „ SMP (Symmetric Multiprocessors): „ „ „ Bộ nhớ chia sẻ, trao đổi thông qua nhớ chia sẻ Dùng chung hệ thống bus nhớ Thời gian truy cập nhớ giống cho xử lý CU1 CUn IS IS PU1 PU2 PUn Tổ chức xử lý DS DS Shared Memory CU2 IS MIMD DS 36 12 Máy tính song song „ „ NUMA (NonUniForm Memory Access) CC-NUMA (Cache-Coherent NUMA): Tổ chức xử lý 37 12 Máy tính song song „ Máy tính MIMD với nhớ phân tán ƒ Mỗi máy gồm có nút, ƒ Mỗi nút chứa xử lý, nhớ, vài ngã vào giao diện với hệ thống kết nối nút CU2 CUn IS IS PU1 PU2 PUn DS DS DS Tổ chức xử lý LM1 LM2 LMn Interconnection Network CU1 IS 38 12 Máy tính song song Tổ chức xử lý 39 12 Máy tính song song Cấu trúc máy đa xử lý với nhớ phân tán Tổ chức xử lý 40 12 Máy tính song song Các ứng dụng song song Các ứng dụng Mơi trường chương trình song song Cluster Middleware Mạng tốc độ cao Kiến trúc máy tính Cluster Tổ chức xử lý 41 12 Máy tính song song ƒ Nhận xét: Kiến trúc song song tiến triển chậm: ƒ Do vấn đề phần mềm gặp nhiều khó khăn ƒ Do máy tính đa xử lý tiến chậm việc cải tiến giao diện với người sử dụng tăng cường hiệu chúng ƒ Hướng phát triển: Có nhiều lý để ta lạc quan vào tương lai việc xử lý song song máy đa xử lý: ƒ Việc dùng xử lý song song bắt đầu hiểu biết vài lãnh vực, đặc biệt lãnh vực tính tốn khoa học cơng nghệ Trong lãnh vực người ta ln cần đến máy tính có tính cao ƒ Hiện tại, người ta chấp nhận cách hiệu để chế tạo máy tính có tính cao máy đơn xử lý chế tạo máy tính đa xử lý ƒ Máy tính đa xử lý hiệu dùng cho đa chương trình Đa chương trình dùng chủ yếu cho máy tính lớn cho máy phục vụ lớn Tổ chức xử lý 42 Tổ chức xử lý 43 Câu hỏi ? Nhiệm vụ phần đường liệu ? Nhiệm vụ điều khiển ? Bộ điều khiển mạch điện tử ? Bộ điều khiển dùng vi chương trình ? Ngắt quãng ? Lợi điểm kỹ thuật ngắt quãng ? Tại CPU chấp nhận ngắt sau thực xong lệnh làm ? Các giai đoạn thực ngắt quảng ? Kỹ thuật ống dẫn ? 10 Trên lý thuyết kỹ thuật ống dẫn làm tăng tốc độ CPU lần ? 11 Tại thực tế, kỹ thuật ống dẫn tốc độ không tăng lý thuyết ? 12 Trong kỹ thuật ống dẫn, nguyên nhân tạo khó khăn điều khiển ? 13 Nguyên nhân sau gây khó khăn số liệu ? 14 Khắc phục khó khăn số liệu người ta dùng biện pháp ? 15 Biện pháp đóng băng kỹ thuật ống dẫn chu kỳ có nghĩa ? Tổ chức xử lý 44 Câu hỏi ? 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Biện pháp thực lệnh lệnh nhảy có lợi ích ? Kỹ thuật siêu ống dẫn ? Lợi điểm bất lợi kỹ thuật siêu ống dẫn ? Kỹ thuật siêu vơ hướng ? Trong kỹ thuật siêu vơ hướng có khó khăn ? Đặc điểm máy tính siêu vơ hướng? Máy tính có lệnh thật dài ? Đặc điểm máy tính có lệnh thật dài ? Máy tính VLIW giải khó khăn kỹ thuật siêu vơ hướng? Đặc điểm máy tính vector? Trong kiểu kiến trúc ghi vector, tác vụ có tốn hạng nhớ? Thể mức độ song song máy SISD, SIMD, MISD, MIMD? Tại máy tính MISD chưa chế tạo ? Tại MIMD kiến trúc đương nhiên cho máy nhiều xử lý ? Các phương thức tổ chức nhớ máy tính MIMD ? Tổ chức xử lý 45 Bài tập Mô tả việc vận chuyển liệu thực lệnh sau: Load R5, (R20) Store R7, 100(R21) Add R5, R4, R20 Sub R10, R12, R24 And R5, R2, R15 Or R15, R3, R7 JMP R7 BRA +5 BGT R4, +2 Tổ chức xử lý 46 Load R5, (R20) Đọc lệnh: MAR Å PC IR Å M[MAR] Giải mã lệnh đọc ghi nguồn: A Å B Å R20 PC Å PC + Thi hành lệnh: MAR Å A+B Thâm nhập nhớ / nhảy lần cuối: MDR Å M[MAR] Lưu trữ kết quả: Å MDR R5 Tổ chức xử lý 47 ... nhiều xử lý RISC Tổ chức xử lý Bộ điều khiển „ Bộ điều khiển vi chương trình: ƒ Các đường điều khiển đường liệu ứng với ngã vi lệnh nhớ vi chương trình ƒ Điều khiển tác vụ lệnh mã máy cách thực... Tổ chức xử lý 27 10 Kiến trúc IA64 Đặc trưng kiến trúc IA-64: „ Cơ chế xử lý song song lệnh mã máy (EPIC) thay xử lý song song hệ thống đa xử lý „ Các lệnh dài hay dài (LIW hay VLIW) „ Các lệnh... tốn số dấu chấm động Tổ chức xử lý 29 10 Kiến trúc IA64 Các định dạng lệnh: Hình III. 12: Định dạng lệnh kiến trúc IA-64 Tổ chức xử lý 30 11 Máy tính vector „ Khái niệm: Một máy tính vectơ bao