Esempio: aggiungere j

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1 Esempio: aggiungere j

2 Eccezioni e interruzioni Il progetto del controllo del processore si complica a causa della necessità di considerare, durante l esecuzione delle istruzioni, il verificarsi di eventi inattesi, quali interruzioni ed eccezioni Eccezione evento sincrono, generato all interno del processore, e provocato da problemi nell esecuzione di un istruzione es.: overflow, istruzione non valida Interruzione evento asincrono, che giunge dall esterno del processore segnale che giunge da un unità di I/O, utilizzato per comunicare alla CPU il verificarsi di certi eventi es.: la terminazione di un operazione di I/O la cui esecuzione era stata richiesta in precedenza dalla CPU

3 Gestione delle Eccezioni e interruzioni Il controllo di ogni processore deve essere predisposto per gestire il verificarsi di eventi inattesi Tutti i processori, quando si verifica un evento di eccezione/interruzione, la gestiscono secondo lo schema seguente: 1. interruzione dell esecuzione del programma corrente 2. salvataggio di parte dello stato di esecuzione corrente (almeno PC) 3. salto ad una routine del codice (handler) che costituisce il Sistema Operativo (SO) Il SO è stato caricato in memoria al momento del boot del sistema Il salvataggio dello stato del programma interrotto serve al SO per poter riprenderne eventualmente l esecuzione, successivamente e se necessario

4 Gestione delle Eccezioni e interruzioni Il controllo (ma anche il datapath corrispondente) deve essere progettato per individuare l evento inatteso interrompere l istruzione corrente salvare il PC corrente (nel registro interno EPC = Exception PC) salvare la causa dell interruzione nel registro Cause saltare ad una routine del SO (exception/interrupt handler) ad un indirizzo fisso Il MIPS non salva nessun altro registro oltre PC è compito dell handler salvare altre porzioni dello stato corrente del programma (es. tutti i registri generali), se necessario esistono CPU dove il salvataggio esteso dello stato viene sempre effettuato prima di saltare all interrupt handler salvataggio garantito dal microcodice complesso

5 Controllo a ciclo singolo Il controllo della CPU a singolo ciclo è combinatorio Il datapath è invece un circuito sequenziale i suoi output dipendono anche dal valore dei registri es. Zero, oppure l indirizzo della memoria dati, oppure il valore da immagazzinare in memoria in conseguenza di una store, dipendono dai valori dello stato interno del datapath (ovvero dal contenuto dei registri) Dobbiamo attendere che tutti i circuiti siano stabili, sia quelli del datapath che quelli del controllo, prima di attivare il fronte di salita/discesa del clock Clock in AND con i segnali di controllo di scrittura (registri/memoria) i valori vengono scritti in corrispondenza del fronte di salita/discesa del clock solo se i segnali relativi sono affermati Ciclo di clock determinato sulla base del cammino più lungo che i segnali elettrici devono attraversare es.: l istruzione lw è quella più costosa: mem. istr. - Reg. File (Read) - ALU e Adders - Mem. Dati - Reg. File (Write) i circuiti del controllo agiscono in parallelo alla lettura dei registri

6 Valutazione delle prestazioni Come si descrivono e misurano le prestazioni di un processore? Dovremo considerare il software, e le operazioni richiesta da questo sull hardware istruzioni del programma riferimenti alla memoria operazioni di I/O Misurare oggettivamente le prestazioni è molto difficile A cosa serve studiare le metriche per valutare le prestazioni? Fare buone scelte di progetto, e.g., capire per un programma va male Fare buone scelte di acquisto di nuovo hardware

7 Valutazione delle prestazioni Perché può succedere che un sistema sia migliore di un altro per il programma A, e risulti invece peggiore per il programma B? I fattori che influenzano le prestazioni sono relative all hardware o al software? E meglio installare un nuovo OS, o comprare una nuova macchina? Come può un certo set di istruzioni influenzare le prestazioni di una CPU? Come può l uso di un nuovo compilatore influenzare le prestazioni di una CPU rispetto ad un certo insiemi di programmi?

8 Il problema delle metriche Aereo Posti Autonomia (km) Velocità (km/h) Portata(*) Boeing Boeing BAC/Sud Concorde Douglas DC (*) (Pass. x km/h) Metriche diverse! BAC/Sud Concorde è il più veloce (di quanto rispetto al DC-8?)! Boeing 747 è più capiente (di quanto rispetto al 777?)! Douglas DC-8-50 ha maggiore autonomia (di quanto rispetto al 747?) Nota la colonna Portata:! è una misura che tiene conto sia della Capienza e sia della Velocità! metrica utile usata se non siamo interessati a valutate la velocità di spostamento di un singolo passeggero, ma a valutare quanti passeggeri siamo in grado di spostare contemporaneamente a quella data velocità

9 Prestazione di un calcolatore Tempo di esecuzione (latenza) Quanto impiega il mio programma ad essere eseguito a sistema scarico? Quanto devo attendere per una query di un database? Throughput (Banda di elaborazione) Quanti programmi possono essere eseguiti assieme su una macchina? Qual è il tempo di esecuzione medio? Quanto lavoro viene completato in un certo tempo?

10 Prestazione di un calcolatore Quali delle due misure (tempo di esecuzione, throughput) viene influenzata: Se compriamo una nuova CPU? Diminuiamo tempo di esecuzione dei job e aumentiamo throughput Se aggiungiamo un altra workstation ad un laboratorio? Aumentiamo il throughput, ma non il tempo di esecuzione Diminuiamo comunque tempo di risposta se ci sono molti job, e questi sono costretti a rimanere in coda riduciamo le attese in coda tempo di risposta = tempo attesa in coda + tempo di esecuzione

11 Tempo di esecuzione Elapsed Time o Response Time (wall clock time) tiene conto di ogni cosa (accessi al disco (I/O), multiprogrammazione, attese nelle code (OS), ecc.) Tempo di CPU vogliamo distinguere rispetto ai tempi spesi per I/O e multiprogrammazione es.: comando UNIX time ( time <prog> ) 90.7s 12.9s 2:39 63% user system elapsed 100 * ( ) / 159 CPU time CPU time time Il nostro primo obiettivo sarà quello di analizzare soltanto il tempo di CPU impiegato per l esecuzione dei programmi utente (user CPU time) ovvero, senza considerare i codici dell O.S., l I/O, o altro Execution time = user CPU time

12 Performance, Execution Time, Speedup Misuriamo il tempo di esecuzione (user CPU time) di un programma su una macchina X: Execution time X Definiamo la Performance (throughput) come: Performance X = 1 / Execution time X Se la macchina X è più veloce di Y a eseguire il programma Speedup = Execution time Y / Execution time X = Performance X / Performance Y = n "X è n volte più veloce di Y

13 Cicli di clock Legame tra tempo di esecuzione e numero di cicli di clock per eseguire un programma CPU time (in sec.) = no. cicli x T Clock period (Periodo) = durata/periodo del ciclo di clock (in sec.) Clock rate (Frequenza) = cicli al secondo (1 Hz. = 1 cycle/sec) Freq = 1 / T T = 1 / Freq Un clock a 200 Mhz. (200 x 10 6 Hz) ha un periodo T di clock uguale a 5 ns. Conoscendo no. di cicli per l esecuzione di un programma e la frequenza del clock: CPU time (in sec.) = no. cicli / Frequenza

14 Migliorare le prestazioni CPU time (in sec.) = no. cicli x T CPU time (in sec.) = no. cicli / Frequenza Per migliorare le prestazioni possiamo: il no. cicli necessari per eseguire un programma, oppure il ciclo di clock, oppure la frequenza di clock

15 Migliorare le prestazioni CPU time (in sec.) = no. cicli x T CPU time (in sec.) = no. cicli / Frequenza Per migliorare le prestazioni possiamo: diminuire il no. cicli necessari per eseguire un programma, oppure il ciclo di clock, oppure la frequenza di clock

16 Migliorare le prestazioni CPU time (in sec.) = no. cicli x T CPU time (in sec.) = no. cicli / Frequenza Per migliorare le prestazioni possiamo: diminuire il no. cicli necessari per eseguire un programma, oppure diminuire il ciclo di clock, oppure la frequenza di clock

17 Migliorare le prestazioni CPU time (in sec.) = no. cicli x T CPU time (in sec.) = no. cicli / Frequenza Per migliorare le prestazioni possiamo: diminuire il no. cicli necessari per eseguire un programma, oppure diminuire il ciclo di clock, oppure aumentare la frequenza di clock