Parte IV. Architettura della CPU Central Processing Unit

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1 Parte IV Architettura della CPU Central Processing Unit 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 1 IV.1

2 Struttura della CPU All interno di un processore si identificano in genere due parti principali: l unità di controllo e il data path (percorso dei dati). Oltre a queste possono esserne presenti altre, per esempio: una FPU(Floating Point Unit) che si occupa di eseguire calcoli in virgola mobile; una MMU (Memory Management Unit) che si occupa di tradurre gli indirizzi di memoria logici in indirizzi fisici, supportando la protezione della memoria e/o uno o più meccanismi di memoria virtuale. Il data path comprende i dispositivi in grado di elaborare i dati (una o più unità aritmetico logiche, ALU, Arithmetic Logic Unit), e alcune unità di memorizzazione temporanea poco capienti e ad accesso molto veloce, i registri, in cui i dati da elaborare e i risultati dell elaborazione vengono conservati per renderne più agevole la gestione; la lunghezza del registro indica il numero di bit che esso può contenere. 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 2 IV.2

3 Struttura della CPU 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 3 IV.3

4 La Sezione di Controllo FETCH Fase di prelievo nel corso della quale l istruzione individuata dal registro PC Program Counter viene trasferita nel registro IR Instruction Register e il contenuto di PC viene aggiornato in modo da puntare all istruzione successiva DECODE/EXECUTE Fase di decodifica e di esecuzione dell istruzione contenuta nel registro IR 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 4 IV.4

5 Pentium II Architettura a 32 bit completamente compatibile con i predecessori, 266 e 333 MHz Aritmetica Floating-point IEEE 754 Bus di memoria a 64 bit Cache 1 o livello 16KB dati +16KB istruzioni Cache 2 o livello 256/512 KB nel package SEC (Single Edge Cartridge) a 242 pin Dissipa oltre 55W! 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 5 IV.5

6 Microarchitettura del Pentium II A L U 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 6 IV.6

7 Memorie cache Scopo della cache: disaccoppiare le velocità di CPU e RAM Località spaziale: alta probabilità di accedere in tempi successivi a indirizzi molto vicini Località temporale: alta probabilità di accedere più volte agli stessi indirizzi in tempi molto vicini Gerarchie di cache: a 2 o 3 livelli Cache inclusive: ciascuna contiene sempre quella del livello superiore 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 7 IV.7

8 Pipeline e architetture superscalari Per aumentare la capacità di elaborazione della CPU: Pipeline a molti stadi (anche 10 e più) Architetture superscalari: parti di pipeline (o intere pipeline) multiple Latenza: tempo necessario a completare l elaborazione di un istruzione Banda della CPU: numero di istruzioni elaborate nell unità di tempo Pipeline e architetture superscalari aumentano la banda della CPU ma non riducono la latenza 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 8 IV.8

9 Pinout Logico del µp Significato dei vari Pin Indirizzamento Dati Controllo Controllo del ciclo di bus Gestione delle interruzioni Arbitraggio del bus Gestione del coprocessore Segnalazione di stato Vari (alimentazione etc.) 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 9 IV.9

10 Pinout Logico del µp Significato dei vari Pin due dei parametri chiave che determinano le performance della CPU sono il numero degli address pin e dei data pin un chip con m address pin può indirizzare 2 m locazioni di memoria Un chip con n data pin può leggere e scrivere una n-bit word in una singola operazione ( se n=8 faccio 4 operazioni per leggere una word di 32 bit ) Oggi sia m che n valgono 32 o 64 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 10 IV.10

11 I problemi del Pentium II IA-32 è irrimediabilmente meno potente di quanto si necessita al progredire delle tecnologie 4 GB di spazio di indirizzamento: ormai poco per un grosso server 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 11 IV.11

12 Pentium III Intel potenzia la tecnologia del Pentium II. Il Pentium III, fino a 1.26 GHZ, utilizza: memorie Synchronized Dynamic Random Access Memory (SDRAM), che permettono un veloce trasferimento dei dati tra il microprocessore e la memoria. 70 nuove istruzioni, chiamate Streaming SIMD Extensions, che potenziano le caratteristiche multimediali e 3D. una cache con una più ampia banda 100 MHz front-side bus 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 12 IV.12

13 Pentium 4 32-bit microprocessore, fino a 3.4MHZ, con tecnologia hyperpipelined, una larghezza di banda tre volte quella del Pentium III, L2 fino a 2 MB, FSB fino a 800 MHz, disegnato per i giochi on line, video e foto digitali, riconoscimento vocale e gestione MP3. Inoltre: Nuova Level 1 cache technology, che migliora ancora la comunicazione tra microprocessore e memoria NetBurst microarchitecture, che raddoppia la lunghezza della pipeline fino a 20 stati. Estensione della Streaming SIMD extension 2 (SSE2) nuove istruzioni, con un 128-bit SIMD integer arithmetic e 128-bit SIMD double precision floating point instructions. 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 13 IV.13

14 L architettura IA-64 Dopo aver spremuto fino in fondo la IA-32, Intel rompe con il passato e propone una nuova ISA: la IA-64 La IA-64 è una architettura a 64 bit, dual core ( e sono allo studio 80 cuori ), nuovi supermateriali. Nome iniziale Pentium 4 serie 600/Itanium ( 2001/2002) EPIC Explicitly Parallel Instrucion Computing è il termine usato da Intel quando fa riferimento a questa nuova tecnologia Ampio uso di pipeline Raddoppio della memoria cache a 2 MB Tecnologia SpeedStep utilizzata nei notebook per ridurre la dissipazione dei chip Tanto per non parlare di compatibilità all indietro è un processore dual-mode e può eseguire anche il vecchio codice IA-32 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 14 IV.14

15 Evoluzione architettura IA-64 Nuovi materiali, puntando a realizzare nuovi microprocessori con circuiti di 45 /32 nanometri ( oggi siamo a 45 ), che vuol dire minore dispersione di corrente (e quindi meno calore e consumo energetico) e aumento della velocità, anche più del 20%. Miglioramenti di architetture interne Enhanced Intel SpeedStep Technology e Intel Virtualization Technology Intel Core 2 Duo Processors 64 bit, dual core, 65nm. 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 15 IV.15

16 Evoluzione architettura IA-64 Per il 15 settembre 2008 è atteso il debutto della nuova serie di processori Xeon 7400 basati su architettura Penryn e dotati di 6 core operanti in parallelo tra loro. L'introduzione di queste nuove CPU server, il cui nome in codice è Dunnington, era stata preannunciata già nel corso dell'intel Developer Forum Fall 2008, conclusosi proprio lo scorso 21 agosto. L'Intel Xeon 7400 è la prima CPU di Intel basata su un'architettura a 6 core ed è realizzata con processo produttivo Hi-K a 45 nanometri. La CPU è composta da 1,9 miliardi di transistor ed è dotata di un quantitativo di memoria cache L3 pari a 16MB. Le CPU Dunnington sfrutteranno un singolo Front Side Bus a 1066MHz per il collegamento di tutti i socket dei processori al memory controller. 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 16 IV.16

17 Microprocessore Intel Pentium 4 chip ( che va sulla board ). 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 17 IV.17

18 Personal Computer 1. Pentium 4 socket P Support chip 3. Memory sockets 4. AGP connector 5. Disk interface 6. Gigabit Ethernet 7. Five PCI slots 8. USB 2.0 ports 9. Cooling 10. BIOS This figure is a photograph of the Intel D875PBZ board. The photograph is copyrighted by the Intel Corporation, 2003 and is used by permission. 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 18 IV.18

19 Legge di Nathan Il software è un gas: riempie sempre completamente qualsiasi contenitore in cui lo si metta (ma sicuramente non è un gas perfetto!) Al calare dei costi e all aumentare della memoria disponibile, le dimensioni del software sono sempre cresciute in proporzione Il Circolo Virtuoso Costi più bassi e prodotti migliori Aumento dei volumi di mercato Fattori di scala nella produzione Costi più bassi... 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 19 IV.19

20 Architettura dei computer paralleli Le frequenze dei clock sono in crescita ma. La velocita della luce e un limite. Sempre di piu emerge il problema della dissipazione di calore.. Per cui l architettura dei computer farà ricorso sempre maggiormente al calcolo in parallelo, come il Dual Core di Intel 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 20 IV.20

21 Architettura dei computer paralleli Progettati per eseguire in parallelo più job ( tipo banche) Oppure lo stesso job costituito da molti processi paralleli ( come un programma di scacchi) 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 21 IV.21

22 Architettura dei computer paralleli Multiprocessore tutte le CPU condividono la memoria fisica CPU CPU Memoria condivisa CPU CPU 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 22 IV.22

23 Multiprocessors (a) multiprocessor con 16 CPU che condividono la stessa memoria (b) Una immagine viene partizionata in 16 sezioni, ognuna analizzata dalle 16 differenti CPU 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 23 IV.23

24 Architettura dei computer paralleli Multicomputer tutte le CPU hanno la loro memoria CPU + Mem CPU + Mem Rete di interconnessione CPU + Mem CPU + Mem 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 24 IV.24

25 Multicomputers (a) multicomputer con 16 CPU, ognuno con la propria memoria (b) L immagine della slide precedente viene splittata fra le diverse 16 memorie 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 25 IV.25

26 Architettura dei computer paralleli I multiprocessori sono difficili da costruire Ma facili da programmare I multicomputer sono facili da costruire Ma difficili da programmare Vari sforzi per costruire sistema ibrido Concentrandosi sulle reti di interconnessione 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 26 IV.26

27 Esercizio Una Architettura di computer paralleli di tipo multiprocessor è realizzata con sedici CPU e deve analizzare una immagine complessa. Una sola delle seguenti affermazioni è vera: Tutte le CPU lavorano contemporaneamente sull intera immagine L immagine viene divisa in sedici porzioni ciascuna esaminata da una differente CPU A turno ogni CPU esamina l intera immagine Motivare brevemente la risposta (massimo tre righe + 1 figura) 12/11/2008 Fondamenti Informatica 2 - Prof. Gregorio Cosentino 27 IV.27