Architettura degli elaboratori

Transcript

1 Marco Tarii - iversità dell'isubria /18 iversità degli Studi dell Isubria Dipartimeto di Scieze Teoriche e pplicate rchitettura degli elaboratori Register File Marco Tarii Dipartimeto di Scieze Teoriche e pplicate marco.tarii@uisubria.it Register File Spesso occorre utilizzare u certo umero di registri paralleli tutti aveti le stesse dimesioi e le stesse fuzioi Soo orgaizzati i ua struttura a vettore, chiamata Register File (i italiao, a volte: «Baco» dei Registri) (ota liguistica: «File» el seso di «filiera», «fila»: il File System o cetra ulla) Register File = u isieme di M registi da N bit e, i circuiti di cotrollo: per accedervi i lettura e scrittura rchitettura degli elaboratori rchitettura degli elaboratori - Register File 1

2 Marco Tarii - iversità dell'isubria /18 si caratteristici Il register file è u blocco fuzioale esseziale dei processori (CP) È usato per realizzare i registri iteri al processore Registri che cotegoo gli operadi e i risultati (di tipo itero o float) delle istruzioi aritmetico-logiche del processore Cioè gli iput e l output dei coti eseguiti dalla I molte architetture, soo l uica cosa su cui la può lavorare! rchitettura degli elaboratori Esempio: i registri della CP Schema cocettuale Register File + B B Qui: u registro viee sovrascritto co la somma di altri due (calcolata dalla ) rchitettura degli elaboratori rchitettura degli elaboratori - Register File 2

3 Marco Tarii - iversità dell'isubria /18 Register File come blocco logico: fuzioameto Esempio: u Register File a 2 uscite e 1 etrata (altre combiazioi soo possibili) dato da memorizzare o 0 o 1 i 0 cloc 2 registri da bits Reg[ o 0 ] Reg[ o 1 ] rchitettura degli elaboratori Register file come blocco logico: fuzioameto Register File a 2 uscite e 1 etrata, per m = 2 a bit cotiee: m = 2 registri da bit ciascuo umerati da 0 a 2 1 i output, restituisce il valore attuale di due dei registri: specificati dagli idici o 0 e o o 0 1 (presi i igresso) o 1 i iput, prede ache la parola (di bit) i 0 che verrà memorizzata cloc el registro di idice i 0 (appea il cloc passa da 1 a 0) e il cloc, per la sicroizzazioe (come al solito) dato da memorizzare 2 registri da bits Reg[ o 0 ] Reg[ o 1 ] rchitettura degli elaboratori rchitettura degli elaboratori - Register File 3

4 Marco Tarii - iversità dell'isubria /18 so di u Register File esempio Reg[12] + Reg[4] cloc o 0 o 1 i 0 Register File Reg[12] Reg[4] SM Reg[9] Reg[12] + Reg[4] rchitettura degli elaboratori so di u Register File esempio Reg[4] + reg[12] cloc R eg 4 R eg 9 R eg 12 Reg[12] Reg[4] SM Reg[9] Reg[12] + Reg[4] rchitettura degli elaboratori rchitettura degli elaboratori - Register File 4

5 Marco Tarii - iversità dell'isubria /18 Programmabilità Il circuito di questo esempio sta eseguedo istruzioi del tipo: «somma i registri R4 e R12 e metti il risultato i R9» cioè «R9 = R4 + R12» i u iguaggio Macchia, questo comado può apparire come: codice per l operazioe «DD» (da madare alla come OPCode) «9», idice del registro di destiazioe (da madare al Register File come i0) «4», idice del primo operado (da madare al Register File come o0) «12», idice del secodo operado (da madare al Register File come o1) i u iguaggio ssembler, questo comado può apparire come DD R9, R4, R12 rchitettura degli elaboratori Toriamo u secodo ad ua visioe complessiva dei livelli di astrazioe I u liguaggio ad alto livello (es. C o Java) scriveremo: it tot_aimali, _mucche, _pecore; /* altro codice */ tot_aimali = _mucche + _pecore; Il compilatore potrebbe (per es) decidere che le variabili co gli idetificatori «tot_aimali», «_mucche», «_pecore» vadao memorizzati ei registri. 10, 11, e 12 rispettivamete, e tradurre il comado di assegameto come: DD R10, R11, R12 che i u liguaggio macchia biario diveta (per es): rchitettura degli elaboratori rchitettura degli elaboratori - Register File 5

6 Marco Tarii - iversità dell'isubria /18 Register File 32x (32 reg a bit) 1 bus di iput, 2 bus di output: implemetaz. o 0 o i 0 CK D E C I I R0 R I I R2 R3 I R30 I R31 M X M X rchitettura degli elaboratori Register File e : ote sul ciclo di cloc Fio a che il ciclo di cloc o fiisce (co u frote i discesa): il Register File mada gli operadi i uscita; la trova questi operadi ei propri igresso; la mada il risultato computato ella propria uscita; il Register File trova il risultato el proprio igresso. Quado avviee il frote i discesa, il Register File memorizza il risultato el registro idicato (ota: agli altri madiamo =0 e o si modificao) lcue cosegueze importati: è possibile eseguire comadi del tipo R5 R5 + R9 ifatti R5 viee sovrascritto solo alla fie del ciclo di cloc. Fio ad allora la vede il vecchio R5 immutato come operado. Il ciclo di cloc deve essere sufficietemete lugo da permettere al segale di propagarsi dall output del Register File al suo iput, (compreso il computo della ) Questo mette u limite alla frequeza di cloc! rchitettura degli elaboratori rchitettura degli elaboratori - Register File 6

7 Marco Tarii - iversità dell'isubria /18 Variati e itegrazioi dei register file Numero di «bus», di etrata e di uscita ell esempio visto, ci soo: 2 di uscita (da cui leggere il coteuto di 2 registri dati, cotemporaeamete!) 1 di etrata (da cui immettere il coteuto da memorizzare i 1 registro dato) Possoo essere i umero diverso, es 2 di etrata Puo esserci ache u solo bus co etrambe le fuzioi, come vedremo Bit ulteriori di comado possoo che essere aggiuti: WR (write): per abilitare/disabilitare la memorizzazioe: se WR = 0 o viee memorizzato alcu valore i alcu registro Reset: per azzerare uo o ache tutti i registri cotemporaeamete rchitettura degli elaboratori Register File: ote sull uso Ogi registro può coteere valori di qualsiasi tipo: aturali i biario, virgola mobile, complemeto a due, caratteri purché usio (al massimo) il umero di bit a disposizioe el reg. Spetterà a chi defiisce il programma i biario (cioè, tipicamete, al compilatore) usare i dati memorizzati ei registri i modo coerete co il loro tipo Ricorda: per la «somma fra iteri» e «somma fra umeri i virgola mobile» soo due operazioe distite! Co due sotto-circuiti diversi detro la. Soo due istruzioi diverse i ssembler e i iguaggio Macchia. che se soo lo stesso comado «+» per es i C o Java Se i R5 memorizzo u umero i virgola mobile, e poi lo uso come operado i ua somma fra iteri, il risultato o avrà molto seso rchitettura degli elaboratori rchitettura degli elaboratori - Register File 7

8 Marco Tarii - iversità dell'isubria /18 Register File: ote sulle dimesioi Per m registri a bit, ci voglioo: = log 2 m bit di iput per ciascu idice due MX a m igressi m brachig del dato i iput (e u DEC da a m bit) u prezzo molto caro, m registri paralleli, co comado di caricameto () soprattutto (quidi be m x Flip-Flop ) per m 3 bit elle istruzioi i liguaggio macchia biario ecessari solo per specificare i tre idici dei registri Dimesioi tipiche: è la dimesioe della «parola» (u word) dell architettura. Macchie «a 32 bit»: = 32 Macchie «a bit»: = m i quasi tutte le architetture reali è piccolo (es da 8 a ) valore più popolare: m = 32 ( = 5) m piccolo = Istruzioi Corte + Register File piccolo e veloce rchitettura degli elaboratori Memorie più gradi? Se i ostri programmi richiedessero, per lavorare, solo ua maciata di variabili i memoria, la lezioe sulle memorie fiirebbe qui. Il tipico programma richiede ivece migliaia, milioi, miliardi, o oltre, di parole (word) di dati. (fra l altro, le ostre architetture soo di Vo Neuma: ache i programmi alloggiao i memoria. I programmi però o soo quasi mai il grosso dell occupazioe di memoria. I dati lo soo.) Il semplice Register File come lo abbiamo visto o si presta eache lotaamete a dimesioi di questo tipo. (cioè: questa archiettura o è scalabile, o scala facilmete a dimesioi molto maggiori di quelle viste) Comig up ext: vedremo molti compromessi, e alcui uovi dispositivi, per dotarci di memorie molto più capieti Il Register File rimae comuque la memoria più veloce: u comodo ed efficietissimo «baco di lavoro» della. Meglio riservare il suo uso ai dati che utilizziamo più spesso! rchitettura degli elaboratori rchitettura degli elaboratori - Register File 8