ARCHITETTURA elementi di base

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1 ARCHITETTURA elementi di base Contenuto della lezione Richiami sulla struttura del calcolatore (CPU) Logica cablata/microprogrammazione Repertorio istruzioni (RISC/CISC) Prestazioni Classificazione architetture Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 1

2 Struttura (anni 70) MINI (HP 2100) MAINFRAME (IBM 370) MEMORIA MEMORIA CPU I/O bus CPU bus di I/O controllore di canale modulo I/O modulo I/O modulo I/O modulo I/O Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 2

3 Struttura PDP-11 (anni 70-80) POWER SUPPLY MODULO MICROCOMPUTER PDP-11 MODULO DI MEMORIA LETTURA/SCRITTURA MODULO MEMORIA SOLA LETTURA REAL TIME CLOCK BACKPLANE UNIBUS MODULO INTERFACCIA LINEA SERIALE ( CONSOLE ) MODULI OPZIONALI SUPPORTI MAGNETICI ROTANTI STAMPANTE AD ALTA VELOCITA' La console è su linea seriale RS-232 CONVERTITORE A/D CONVERTITORE D/A INTERFACCIA PARALLELA INTERFACCIA SERIALE INTERFACCIA DMA ACCESSORI Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 3

4 Struttura PC (anni 80) scheda madre CPU MEMORIA PC bus E sparita la console RS232 Il Video e la tastiera sono collegati direttamente alla scheda madre. Per il video c è una RAM apposita Memoria di espansione e periferici sono su schede collegate sul bus memoria I/O Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 4

5 Struttura PC (non più) corrente Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 5

6 Struttura PC (non più) corrente Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 6

7 Struttura PC corrente Di recente si tende al single chip Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 7

8 Struttura PC corrente Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 8

9 Schema di riferimento Per Il momento lo schema di riferimento sarà quello di figura Corrisponde allo schema dei PC anni 80 Tuttora in largo uso nei sistemi di controllo Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 9

10 Transazioni sul bus Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 10

11 Architettura di Von Neuman memoria indifferenziata per dati o istruzioni, solo l'interpretazione da parte di CPU stabilisce se una data configurazione di bit è da riguardarsi come un dato o come un'istruzione Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 11

12 Architettura Harward Due memorie distinte: la memoria istruzioni e la memoria dati. Il comando di lettura della memoria istruzioni è superfluo, in quanto si può immaginare che questa memoria sia sempre e soltanto letta Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 12

13 Schema aggregato della CPU Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 13

14 Fetch-Esecuzione Fetch: Prelievo e decodifica dell istruzione Fase comune a tutte le istruzioni Esecuzione: Fase in cui vengono eseguite le azioni previste dal codice di operazione Fase diversa da istruzione a istruzione Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 14

15 Componenti essenziali Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 15

16 Registri di CPU IR: usato per contenere l'istruzione in corso di esecuzione. Caricato in fase di fetch. Rappresenta l'ingresso che determina le azioni svolte durante la fase di esecuzione. PC: tiene traccia dell'esecuzione del programma MAR: contiene l'indirizzo della locazione di memoria da leggere o scrivere. La dimensione di MAR determina l'ampiezza dello spazio di memoria fisica; dalla fine degli anni '80 vengono prodotti microprocessori con bus indirizzi a 32 bit MDR: registro attraverso il quale viene scambiata l'informazione tra la memoria e la CPU Tradizionalmente MDR dà la misura del grado di parallelismo della macchina (8, 16, 32, 64 bit) La dimensione di R0, R1,...Rn: Registri di uso generale Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 16

17 Fase di Fetch Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 17

18 Organizzazione a singolo bus interno Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 18

19 Registri Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 19

20 Commutazione Registri Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 20

21 Trasferimento registro registro RA RB T1: RB out, RA in FF comandati dal fronte di discesa Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 21

22 Altre operazioni Impiego ALU (DR RA+RB) T1: RA out, TI in T2: RBout, ADD, TOin T3: TOout, Rdin Registro DTR T1: DTRout T1: SELDTRdir, DTRin Aggiornamento PC T1: Pcout, SEL4, ADD, Toin T2: TOout, PCin Lettura (verso l interno) Scrittura (verso l esterno) Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 22

23 Lettura memoria Ipotesi la memoria risponde entro il clock successivo a quello in cui viene asserito MRD (Memory Read) T1: PCout, MARin T2: MDR T3: MDR, DTRin T4: DTRout, Irin Sfruttiamolo bene: T5: PCout, MARin, SEL4, ADD, TOin T6: MDR T7: MDR, DTRin T8: DTRout, Irin Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 23

24 Data Path - 1 bus Esecuzione in più passi. Esempio: ADD R3,R1,R2 Richiede Almeno tre periodi di clock: R1_out; TEMPI_in R2_out; TEMPI_out; ADD; TEMPO_in TEMPO_out; R3_in Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 24

25 Data Path - 3 bus L istruzione ADD R3,R2,R1 viene eseguita in un solo clock: R1_out1; R2_out2; ADD; R3_in Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 25

26 Logica cablata Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 26

27 Logica cablata Progetto Come sintesi di rete sequenziale ingressi: IR, stato di UO (e di eventuali altre parti esterne, p.e. memoria) uscite: comandi Uso di ROM. La rete combinatoria ha come ingressi (indirizzi alla ROM): IR, stato di UO, stato di UC uscite: comandi, ingressi di eccitazione dei FF di stato Logica programmabile (PLA) Progettazione con CAD per VLSI Per composizione di parti Misura della complessità di UC: N_stati x N_ingressi x N_uscite Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 27

28 UC microprogrammata Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 28

29 UC microprogrammata Tecnica affermatasi negli anni 70 UC è una sorta di calcolatore nel calcolatore La memoria di controllo contiene le microistruzioni: mpc: contatore di microprogramma. Contiene l indirizzo della prossima microistruzione All inizio della fase di fetch mpc contiene l indirizzo (I 0 ) del tratto di microprogramma corrispondente al fetch Alla fine della fase di fetch mpc viene aggiornato con il contenuto (o una opportuna decodifica) di IR in modo da puntare alla microroutine che effettua le azioni richieste dalla particolare istruzione Al termine, mpc viene di nuovo caricato con (mi0) Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 29

30 UC microprogrammata Differenti soluzioni: sequenza di micro control word (CW) microprogramma con subroutine microistruzioni che contengono codificato al loro interno l indirizzo della prossima microistruzione nanoprogrammazione: le microistruzioni sono a loro volta interpretate da una unità nanoprogrammata (68000) Microprogrammazione orizzontale: ogni bit di una CW corrisponde ad una linea di comando Microprogrammazione verticale le CW contengono i comandi in forma convenientemente codificata Bit sliced microprocessors (AMD 29000) Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 30

31 Cablata o microprogrammata? Fino a fine anni 60: logica cablata (PDP8, HP 2116) Anni 70: microprogrammazione (VAX, Z80, 8086, 68000) Repertorio di istruzioni molto esteso e variato: CISC Il VAX 11/789 (Digital) e il 370/168 (IBM) avevano oltre bit di memoria di controllo Dagli anni 80 si è tornati alla logica cablata; Affermazione delle macchine RISC Istruttivo è esaminare l evoluzione dell architettura Intel: da CISC a (praticamente) RISC Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 31

32 Ragioni per le CISC Un repertorio di istruzioni esteso è preferibile perché: Istruzioni potenti semplificano la programmazione Riduce il gap tra linguaggio di macchina e linguaggio di alto livello Software crisis L uso efficiente della memoria (all epoca era costosa) era la preoccupazione principale: meglio avere codici compatti Essendo (allora) la memoria di controllo molto più veloce della memoria centrale, portare funzionalità nella prima avrebbe migliorato le prestazioni della macchina Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 32

33 ...Tuttavia Memorie RAM: molto più veloci delle precedenti a nuclei Cache: riducono ulteriormente i tempi di esecuzione Comportamento dei programmi: l'80% delle istruzioni eseguite corrispondeva al solo 20% del repertorio. conviene investire nella riduzione dei tempi di esecuzione di quel 20%, anziché aggiungere raffinate istruzioni, quasi mai usate, ma responsabili dell'allungamento del tempo di ciclo di macchina conviene costruire processori molto veloci, necessariamente con repertori semplici, e contare sull ottimizzazione del compilatore Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 33

34 Criteri di progetto per le RISC Le istruzioni devono essere semplici Se l'introduzione di una operazione di macchina fa crescere del 10% il periodo di clock, allora essa deve produrre una riduzione di almeno un 10% del numero totale di cicli eseguiti. Con memorie attuali le istruzioni di macchina possono essere eseguite alla stessa o maggior velocità delle microistruzioni non c'è vantaggio a spostare le funzionalità a livello di microcodice; ciò ha solo l'effetto di rendere più difficoltose modifiche e cambiamenti molto meglio modificare una libreria di sistema che modificare una memoria di controllo. Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 34

35 Criteri di progetto per le RISC Tutte le istruzioni occupano lo stesso spazio di memoria (una parola) Ristretto numero di formati l'interpretazione del codice avviene attraverso un semplice decodificatore (una rete AND-OR) la codificate ``ordinata'' consente accorgimenti per velocizzare l'esecuzione (pipeline), difficilmente applicabili a repertori di istruzioni complesse La semplificazione del repertorio tende a far aumentare la dimensione del codice non è un problema, vista la tendenza alla riduzione dei costi e all'aumento della densità delle memorie dal punto di vista della velocità i guadagni che si ottengono nel semplificare le istruzioni sono superiori all'effetto negativo del maggior numero di istruzioni per programma. Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 35

36 Criteri di progetto per le RISC Compilatori ottimizzati. in grado di produrre sequenze ottimizzate di semplici operazioni di macchina, indipendentemente dalla complessità del linguaggio Il compilatore sbroglia in modo automatico e efficiente tutte le complicazioni che possono sorgere nel tradurre da linguaggio di alto livello a linguaggio di basso livello Il compilatore è motivo di semplificazione del repertorio di istruzioni anziché di complicazione Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 36

37 Criteri di progetto per le RISC Conclusioni L'architettura dovrebbe prevedere solo operazioni tra registri (e non tra registri e memoria o tra memoria e memoria) e semplici operazioni di lettura/scrittura in memoria, con ridotte modalità di indirizzamento Il compilatore deve essere costruito in modo da fare il miglior uso dei registri, tenendo, per quanto possibile, le variabili nei registri stessi, riducendo al minimo il traffico con la memoria Per il precedente motivo la CPU dovrebbe presentare un consistente numero di registri Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 37

38 Impatto sull architettura X86 L 8086 è un tipico rappresentante dell architettura CISC. I modelli successivi si avvicinano sempre più ai RISC Pipeline: una (vera) pipeline appare con il 486 Cache: con il 486 Predizione dei salti con il Pentium Dal Pentium Pro: Esecuzione fuori ordine (speculativa) Superscalarità Register renaming Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 38

39 Prestazioni (della CPU) Si consideri un generico programma N: numero di cicli di clock richiesti per la sua esecuzione f: frequenza del clock t: tempo di CPU richiesto per l'esecuzione t = N / f I: numero totale di istruzioni di macchina eseguite per portare a termine la computazione CPI: numero medio di clock per istruzione di macchina CPI=N / I Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 39

40 Dipendenza Repertorio Tecnologia t= I * CPI * T Compilatore Architettura Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 40

41 Prestazioni t= I * CPI/f = I* CPI * T I dipende dal repertorio di istruzioni e dal grado di ottimizzazione del compilatore. Compilatori diversi possono dare luogo a I diversi. Uno stesso compilatore, che genera codice per due macchine diverse, dà I diversi. Un repertorio CISC favorisce il miglioramento delle prestazioni (riduce I). Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 41

42 Prestazioni t= I * CPI/f = I* CPI * T f è legata alla tecnologia e all'organizzazione architetturale della CPU Oggi f >2 GHz è la norma nei PC Istruzioni complesse richiedono di norma frequenze di più basse Istruzioni semplici (RISC) permettono di diminuire i ritardi di propagazione nella logica di controllo e, quindi, di diminuire l'ampiezza del periodo di clock. Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 42

43 Prestazioni t= I * CPI/f = I* CPI * T CPI dipende dall'architettura e dal repertorio delle istruzioni Istruzioni semplici richiedono un minor numero di cicli. In un macchina convenzionale CPI >= 1 Attraverso tecniche come la pipeline è possibile portare CPI ad un valore molto vicino ad 1. L'aggiunta di più unità di esecuzione in parallelo (macchine superscalari) permette di rendere CPI minore di 1. Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 43

44 Indici di prestazione MIPS (Milioni di istruzioni al secondo) MIPS = I / (t*10 6 ) E un indice che ha poco significato MFLOPS (Milioni di istruzioni in virgola mobile al secondo) MFLOPS = I_vm / (t*10 6 ) Ci sono indici migliori, ottenuti con programmi campione (benchmark) I benchmark posso essere di diversa natura e complessità e mirare a raccogliere indici differenziati delle prestazioni In particolare ci sono quelli forniti da SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation) : SpecCPU 2006, SpecWeb 2009,.. E molti altri free: Whetstone, Dhrystone, Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 44

45 Repertorio stile RISC Il PowerPC ADD RD,RA,RB (OE=0, Rc=0) ADD. RD,RA,RB (OE=0, Rc=1) ADDO RD,RA,RB (OE=1, Rc=0) ADDO. RD,RA,RB (OE=1, Rc=1) Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 45

46 Formato x86 (a 32 bit) Esempio CLI 1 solo byte PUSH EAX 1 solo byte PUSH Var[EBX] fino a 6 byte MOV EAX, ES:V[EBX+ESI] 6 byte (probabilmente) EA= scost(v)+ebx+esi Indir.Fisico= ES:EA Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 46

47 Modello di programmazione (386) Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 47

48 Classificazione architetture In base al modello di esecuzione, ovvero al modo in cui la CPU accede e manipola gli oggetti dell'elaborazione determina il numero di operandi esplicitamente o implicitamente rappresentati nell'istruzione Modello a stack Modello registro-registro Modello registri-memoria Modello memoria-memoria Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 48

49 Confronto In riferimento all istruzione di alto livello a=b+c (somma) STACK REGISTRO-REGISTRO MEMORIA- REGISTRO (*) MEMORIA- MEMORIA PUSH B LOAD R1, B LOAD B ADD A,B,C PUSH C LOAD R2,C ADD C ADD ADD R3,R1,R2 STORE A POP A STORE A, R3 0 indirizzi Load/Store 1 indirizzo 3 indirizzi Riferiti alla ADD (*) Assume un registro accumulatore Calcolatori Elettronici (G.B.) Architettura 49