Concepte de baza - arhitectura calculatoarelor

1 Arhitectura - Interfata intre un utilizator si un obiect

Computer Architecture = Instruction Set Architecture + Machine Organization

Nivele de abstractie

   

Arhitectura Calculatoarelor = ASI + Organizarea Masinii

Computer Organization - Components and connections; e.g., Registers, ALU, Shifters,

2 Arhitectura Setului de Instructiuni (ASI)

" . ..atributele unui sistem (de calcul) vazute de catre programator, adica structura

conceptuala si comportarea functionala, spre deosebire de organizarea fluxurilor de date

si de control, de proiectarea logica si de implementarea fizica"

Amdahl, Blaaw, and Brooks, 1964.

ASI: Interfata SW - HW

ASI (specificarea comportamentala a interfetei)

Interfata intre software si hardware.

Specificatie pentru proiectarea organizarii.

Componentele ASI:

Organizarea memoriei, Registre

Tipuri de date si Structuri de date: Codificari si reprezentari

Setul de instructiuni.

Formate de instructiuni

Moduri de adresare; accesarea instructiunilor si obiectelor de date

Tratarea exceptiilor (Intreruperi, Protectii).

Caracteristicile ASI

Majoritatea ASI modern - se bazeaza pe un set de registre de uz general

Doua versiuni

register-memory - x86, operand: registru si/sau memorie

load-store - MIPS, numai Load/Store acces la operanzi din memorie, (nu operatii ALU)

Toate ASI recente sunt load/store.

Adresaresarea memoriei

Adresare pe Byte

MIPS - obiectele trebuie sa fie aliniate

Aliniere: obiect de marime s este aliniata daca adresa A mod s = 0

X86 nu impune alinierea, dar acces mai rapid la obiecte aliniate

   

Aliniate- Lungime fixa Nealiniate - Lungime variabila

Interpretarea adreselor de memorie

   

Octeti in registru Memoria Little Endian Big Endian

LSB octet at la adresa mica MSB octet la adresa mica

Moduri de adresare

Moduri de adresare

In autoincrement/-decrement and scaled addressing modes, the variable d designates the size of the data item being accessed (i.e., whether the instruction is accessing 1, 2, 4, or 8 bytes).

- useful when the elements being accessed are adjacent in memory.

Tipul si marimea operanzilor

Deobicei tipul determina marimea - integer, single-precision floating point, character, zecimal ..

Standard for floating point, the IEEE standard 754.

Metode pentru evaluarea si utilizarea conditiilor de salt

Setul de instructiuni - Domina operatiile simple - statistici - 96%

Codificarea setului de instructiuni

Lungime variabila, cod scurt

Lungime fixa, cod mai lung

Codificare hibrida, formate specificate de codul de operatie, moduri de adresare, adrese

Clase de calculatoare

Trei clase de calculatoare si caracteristicile lor

Clasificare ASI - Numarul de adrese Adunare - pentru 4 clase de ASI

0, 1, 2, 3 address machines

Stack:

0 address add # TOPS TOPS + next

Accumulator:

1 address add A # acc acc + mem[A]

1+x address addx A # acc acc + mem[A + x]

General Purpose Register:

2 address add A, B # EA(A) EA(A) + EA(B)

3 address add A, B, C # EA(A) EA(B) + EA(C)

Load/Store:

3 address add Ra, Rb, Rc # Ra Rb + Rc

load Ra, Rb # Ra mem[Rb]

store Ra, Rb # mem[Rb] Ra

Masina cu doua adrese (GPR) - x86, destinatia este una dintre operanzi sursa

Masina cu trei adrese - masini RISC, Load/Store

Secvente de cod pentru C = A+B; pentru 4 clase de ASI ADD: operanzi impliciti pentru arhitecturi stiva si Acumulator, explicit pentru arhitecturi bazate pe registre. Se presupune ca A, B si C se gasesc in memorie si nu pot fi distruse

Combinatii tipice # operanzi memorie, # total de operanzi - pentru operatii tip ALU

Avantage si dezavantage pentru tipuri de adresari; (0, 3) (memorie, total)

Notatia (m, n) - m #operanzi de memorie - n #operanzi total .

Numarul registrelor afecteaza si lungimea instructiunii (lungimea adresei)

3 Organizarea masinii

Processor Datapath + Control; Implementarea calculatorului: organizare si hardware.

Organizare (specificarea structurala a hardware)

Componentele calculatorului si interconexiunile - micro arhitectura

Aceeasi ASI - organizari diferite; MIPS, single cycle, multi cycle, pipelined

Hardware se refera la proiectare logica detaliata, technologie, incapsulare.

Ex. Pentium 4 si Mobile Pentium 4 sunt aproape identice, dar viteze de ceas, memorii diferite

4 Tipuri de arhitecturi de calculatoare

4.1 Arhitecturi de Uni - procesoare Arhitectura Von Neumann

   

Arhitectura Princeton, Von Neumann Arhitectura Harvard

O singura memorie pentru instructiuni si date Memorii separate pentru instructiuni si date

Evolutia arhitecturii

Arhitectura Complex Instruction Set Computer (CISC)

Arhitectura "clasica" inainte de RISC; set de instructiuni complex, lungime variabila, greu de implementat ca pipeline, numar redus de registre, multe operatii cu memorie, moduri de adresare,

Arhitectura Reduced Instruction Set Computer (RISC)

Setul de instructiune este "Redus" (mai pragmatic), mai multe registre, mai usor de implementat ca pipeline, numar redus de operatii cu memorie, arhitectura "load/store" (incarca - in registre din memorie/stocheaza - in memorie din registre).

• Limitele sistemului Uni-procesor:

Consum de putere

Complexitatea proiectarii

Castig redus din exploatarea paralelismului la nivel de instructiuni

4.2 Arhitecturi Multiprocesoare

Multiprocesare SISD - sisteme conventionale uni-procesoare

Multiprocesare SIMD - prelucrarea datelor in mod paralel sau vectorial

Multiprocesare MISD este convenabil pentru sisteme redondante

Multiprocesare MIMD - executarea independenta si paralela a programelor asupra diferitelor seturi de date.- MIMD predomina in multiprocesare