dr cserny laszlo szamitogep architekturak i eloadasjegyzet 2006

7/24/2019 Dr Cserny Laszlo Szamitogep Architekturak i Eloadasjegyzet 2006

1/160


2/160

Tartalomjegyzk

TARTALOMJEGYZK... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

1.BEVEZETS ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1.1.NHNY FOGALOM RTELMEZSE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 1.2.SZMTSAUTOMATIZLS ALAPJAI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

2.ARCHITEKTRKRL ALAPFOKON .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.AZ ARCHITEKTRA LNYEGE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 2.2.ARCHITEKTRT BEFOLYSOL S MEGHATROZ TNYEZ K. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

2.2.1.Technolgiai eszkzk..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 2.2.2.Szoftver eszkzk..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 2.2.3.Strukturlis eszkzk ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.SZMTGPEK ARCHITEKTURLIS CSOPORTOSTSI LEHET SGEI . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18 2.4.TIPIKUS STRUKTRK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

2.4.1.Klasszikus, egyprocesszoros, Neumann-elv szmtgpek .. . . . . .. . . . . . 19 2.4.2.Harvard struktra .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4.3.Vektorszmtgpek(vector computers).... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 2.4.4.Tmbprocesszoros szmtgpek(array computer) .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4.5.Tbbprocesszoros szmtgpek ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4.6.Adatvezrelt(data-flow) szmtgp ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4.7.Neurlis hlzatok ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5.NEUMANN-ELV , EGYPROCESSZOROS GPEK FELPTSE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 2.5.1.Neumann-elv gpek jellemz i . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. 29 2.5.2.Szmtgpek er forrsai . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . 29 2.5.3.Neumann-elv , egyprocesszoros gpek korltjai ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.SZMTGPEK ER FORRSAI .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . 37 3.1.KZPONTI EGYSG, PROCESSZOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

3.1.1.Adatok trolsi formi .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.2.Utastsok trolsi formi .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.1.3.M veletek vgrehajtsa .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.1.4.Utastsok vgrehajtsa .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.1.5.RISC struktra.... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67 3.2.FOLYAMATOK PRHUZAMOSTSA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72

3.2.1.tlapolt (pipeline) feldolgozsi technika ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.2.2.Szuperskalr technika ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.3.TROLKEZELS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88 3.3.1.Alapfogalmak, trolhierarchia .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.3.2.Vals trkezels(f tr hasznlata).... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 3.3.3.Regisztertrak ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.3.4.Gyorst(cache)-trak..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96

Cserny: Szg. arch. 2005/06 2

rrs: http://www.doksi.hu


3/160

3.3.5.Virtulis trkezels . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . . 104 3.3.6.Trvdelmi mdszerek..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.4.KAPCSOLATOK KEZELSE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.4.1.Megszaktsi rendszer.. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.4.2.Snrendszer(buszrendszer) .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.4.3.Adatbevitel/kivitel... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.PERIFRILIS ESZKZK .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.1.TROLESZKZK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 4.1.1.ltalnos jellemz k .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . 132 4.1.2.Informcitrols .... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.1.3.Floppy illeszt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 4.1.4.Merevlemez illeszt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

4.2.MONITOROK S VEZRLSK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.2.1.Alapfogalmak..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 4.2.2.Krtyatpusok .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . 146

4.3.EGYB BEVITELI /KIVITELI ESZKZK. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . 154 4.3.1.Billenty zet, egr . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . 154 4.3.2.Nyomtatk ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

ELLEN RZ KRDSEK .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . 158




4/160

Szmtgp

architektrkDr.Cserny LszlTmakrk:

1.Bevezets

Szmtsautomatizls alapjai2.Architektrkrl alapfokon

Struktrt meghatroz tnyez k Alapvet s t ruktrk Neumann-elv gpek elemei

3.Legfontosabb er forrsok

Kzponti egysg, processzor Korszer processzor archi tektrk Trolkezels (vals, vir tul is) Kapcsolatok kezelse

4.Per ifr il is eszkzk Troleszkzk

Monitorok Egyb per ifr ik




5/160

1.BevezetsNhny alapkrds:

M i r e h a s z n l j u k a s z m t g p e t ?

feladat : valamilyen problma, feladat megold-snak seg tse

feladatadatai

adatok feldolgozsa(talaktsa) eredmny

feldolgozs lpsei(algoritmus - szoftver)

feldolgozs eszkze(hardver)

(1.bra)

cl : a lehet legrvidebb id n bell , minimlisrford tssal el l l tani az eredmnyt

te l jes tmny, hatkonysg

problma : = feladatok bonyolul tsga,= tbb feladat egyidej megoldsa.




6/160

M i t k e l l t e n n i a t e l j e s t m n y n v e l s e r - d e k b e n ?

A tel jes tmnynvels forrsa: feldolgozsi lpsek prhuzamostsa, er forrsok tbbszrzse.

g a feladat rszekre bontsa munkamegoszts

g megfelel feldolgoz rszegysgek kialak tsa er forrsok

= el len r izhet sg,= hatkonysg(special izl t egysg) .

g rszfeladatok vgrehaj tsi sorrendjnek kidol-gozsa, tekintet tel az er forrsokra:

a lgor i tmus , temezs ;

(2.bra)g er forrsok s rszfeladatok egymshoz ren-

delsnek, ( rsz)eredmnyek egysgek kztt itovbbtsnak, trolsnak id beli szab-lyozsa

vezr ls




7/160

M i l y e n l e g y e n a f e l d o l g o z e s z k z ?

V

B/K K

P

M

(vezrls)

(trols)

(feldolgoz egysg)

(kapcsolatok)

(bevitel/kivitel)

fe lh as zn l

- algoritmus- adatok

(3 .bra)

tetsz leges feladat megoldshoz univerzl is d igi tl is

csak algor i tmizlhat feladatokhoz hasznlhat !(elvi jelent sg - a gyakorlatban igazblcsak i lyenekkel tallkozunk)

programozhat




8/160

1.1.Nhny fogalom rtelmezse

informci, informatika,

adat , adatfeldolgozs,

kd, kdols, kdrendszer,

algor i tmus, utas ts , program,

szmtgp,

hardver(hardware) , szof tver(sof tware) , frmver(f irmware) ,

CISC(Complex Instruct ion Set Computer) ,

RISC(Reduced Instruct ion Set Computer)




9/160

1.2.Szmtsautomatizls alapjai

cl : m veletek automatikus elvgzse, adatbevitel / -kihozatal biztos tsval

trol t program, trol t adatok.

V

B/K K

P

M

(vezrls)

(trols)

(feldolgoz egysg)

(kapcsolatok)

(bevitel/kivitel)

felhas zn l

- algoritmus- adatok

(4.bra)kvetelmnyek, szksges rszegysgek :

feldolgoz egysg(minimlis m veletkszlet : logikai alapm veletek)

trol eszkz(program, adatok rszre) bevi tel i /kihozatal i egysgek

kapcsolatokat biztos t rendszer je lsorozatok tvi tele vezr l egysg m kdtets

(utas tsok r telmezse, el z l lapot f igye-lembevtelvel , fel tteles vgrehaj tsok keze-lse)




10/160

Pldk a rszegysgek kialak tsra

1.plda: az egysgek kztt i adatforgalom biztos t-sa

P/DCU ALU

I/O

snrendszer

processzor

klvilg

trol

(5 .bra)

2.plda: processzor - memria kztt i tvi tel gyors-tsa

P/DCU ALU

snrendszer

processzor trol gyorsttr

CACHE

(6 .b ra )

Cserny : Szg . a rch . 2005 /06 10



11/160

3.plda: graf ikus megjelen ts problmja: nagy mennyisg adat tvi tele igen

rvid id a lat t .

kpmret : 600x400 pixel ,sznek szma: 256 8 binr is jegy = 8 bi t ,kpvl ts sebessge: 30 kp/sec,

sebessg:

600x400x30x8 [bi t /sec] = 57,6 mil l . [b/s]

ha 32 bi tes szavak tvi telt kel l megoldani ,

1 ,8 mil l . [sz/s] 0 ,55 [s/sz]

kvetkezmny: = kln videomemria,

= kapcsolat a rendszersn s avideovezr l fel is ,= kln sn a videomemria s

a videovezr l kztt ;

a graf ikus adattvi tel s az utas tsok tvi teleegymstl elklntet ten tr tnik

egymst nem zavar jk!




12/160

utas tsfeldolgozs elemi lpsei := utas ts el ksz ts( lehvs, kikeress) ,= m velet i el rs r telmezse( 'mit kel l csi-

nlni? ' ) ,

= a m

velethez szksges adatok (operandusok)kikeresse a trolbl ,= a m velet elvgzse,= az eredmny visszarsa a trol meghatro-

zot t helyre,= a kvetkez u tas ts helynek(cmnek) meg-

hatrozsa

Ha az utas ts s az adatok ugyanabban a tro-lban tallhatk, akkor csak egymst kvet enlehet azokat kikeresni

operandus bers

ALU

ACPC

IR

program

adatok

op. cmoperandus olvass

utasts olvass

1

3

utastslehvsoperandus lehvs

24

5

6

mv.vezrls

CU

cm -dek-dol

7MAR MBR

MBR

(7 .bra)




13/160

2.Architektrkrl alapfokon

2.1.Az architektra lnyegeszmtgp rtegelv felfogsa v ir tul is gpek

legegyszer bb : felhasznl

szof tver

hardverl ta lnosabb :

alkalma- felhasznli keretrendszerzsok alkalmazi programok szint je

opercis rsz. fels szint jeopercis (parancs szint)rendszerek opercis rsz. als szint je

(rut in hvsi szint)

archi tek- gpi kd utas tsok szint jetrk elemi m velet i szint

(-program szint) d ig.r.krk ramkri egysg szint je

technolgik ramkri elemek szint je




14/160

vir tul is gp : brmely szinten a szemll l tal l-tot t egysgek s m kdsi , viselkedsi jel lem-z k sszessge.

(pl . felhasznli szinten:= PC, bi l lenty zet , monitor, egr, nyomtat;= bekapcsols , felhasznli rendszer - pl .

szvegszerkeszt - funkciinak hasznlata,kikapcsols , s tb .)

archi tektra : az adott vir tul is gp egysgei ,szerkezet i (s t rukturl is) felp tse, m kdsielvei .

archi tektra meghatrzja: szmtsi ( feldolgozsi) modell .

problma : a felhasznli alkalmazs feladatfelbon-tsa (m veletei) s a vgrehaj ts elemi egy-sgei kztt i sszhang, megfelel tethet sg:

u tas ts vgrehaj that m velet ssze-rendelhet sge;

szof tver-hardver rs (sof tware - hardwaregap);

cl : ennek cskkentse megfelel rtegzssel s ahozzjuk tar toz modular izl t ( funkcionl is)feldolgoz egysgek kialak tsval .




15/160


16/160

2 .2 .2 .Szo f t v er es zk zk

Opercis rendszer := mult iprogramozott feldolgozs,

= vdelmi funkcik,= er forrsok hatkony hasznlata.

Magassszint programozsi nyelvek(HLL =High Level Language) s gpi kd kztt i t-volsg cskkentse ===> ' semantic gap ' .

Optimalizl ford tprogramok hasznlata.Krds : mit bizzunk a hardverre s mit a szof t-

verre?

2.2 .3 .S t r u k tu r l i s es zk zk

a.)Er forrsok hasznlata (klnsen: processzor, trolk)

processzor funkciinak jav tsa= m veletek, utas tsok vgrehaj tsnak

t lapolsa 'p ipel ine ' (cs vezetk,futszalag) feldolgozs,

= vgrehaj t egysgek szmnak nvelse szuperskalr feldolgozs;

= bels s t ruktra i l lesztse a magasszint nyelvekhez, feladatokhoz(pl . ciklusszerve-zs);




17/160

trolkezels= adatelrsi lehet sgek formja:

- kzs (shared) memria egyet len adat- elosztot t memria; zenet- tovbbts

rendszer.= trhierarchia kialak tsa cache- tr,= vir tul is trkezels;

per ifr ia hasznlata= csatorna-elv,= s nrendszer ;

er

forrsok(processzorok) tbbszrzse.b.) .Vezr ls elve ( szmtsi modell)

= vezr ls ramlsos(control dr iven, - f low),= adatvezrel t (data dr iven, - f low),= ignyvezrel t (demand dr iven) ,

c . )Utas tsszerkezet , utas tskszlet = bonyolul tsg nvekedett CISC pro-

cesszorok vgrehaj ts sebessge cskkent

= egyszer s tet t utas tskszlet RISC pro-cesszorok

m velet i (utas ts vgrehaj tsi) vezr ls meg-vals tsa:

= huzalozott(l talban: RISC),= mikroprogramozott(l talban: CISC).




18/160

2.3.Szmtgpek architekturlis cso-portostsi lehet sgei

a . ) F o l y a m a t o k s z e r i n t i c s o p o r t o s t s ( F l y n n ,1 9 6 6 ) :

SISD(Single Instruct ion Single Data Stream),===> pl . Neumann-fle modellek

SIMD(Single Instruct ion Mult iple Data Stream),

===> pl . vektor- , tmbprocesszoros sz-mtgpekMISD(Mult iple Instruct ion Single Data Stream),

===> nincs i lyen(eset leg: pipel ine)MIMD(Mult iple Instruct ion Mult iple Data

Stream),===> pl . mult iprocesszoros gpek.

b . ) V e z r l s i e l v s z e r i n t i c s o p o r t o s t s :

vezr lsramlsos, vezr lsfolyam elv (control-f low, control-dr iven) ,

adatfolyam elv (data-f low, data-dr iven) , igny elv (demand-dr iven) ,




19/160

2.4.Tipikus struktrk

2 . 4 . 1 . K l a s s z i k u s , e g y p r o c e s s z o r o s , N e u m a n n - e l v s zm t g p ek

je l lemz k:= 'control-f low' vezr ls u tas tsok vgrehaj-

tsa egymst kveten; SISD elv ,= trol t program,= kzs program- s adat trols program m-

dos thatsga,= funkcionl is egysgei :- kzponti egysg(CU, ALU),

- kzponti tr,- per ifr ik.

kzponti trol

CU ALU

utastsok adatokCPU

(8 .bra)

kor lt : processzor-memria kztt i adattvi telsebessge.

prhuzamosts lehet sge mrskel t := mult iprogramozs(programszint prhuzamos-

ts) ,= utas tsok s m veletek t lapolt /prhuzamosvgrehaj tsa 'p ipel ine ' /szuperskalr techn.

= funkcionl is egysgek(pl . : ALU) tbbszrzse= processzor s I /O m veletek t lapolsa

' spooling ' technika,




20/160

2 .4 .2 .H a r v a r d s t r u k t r a

- jel lemz : u .a . mint a Neumann-elv szmt-gp, csak kln program- s kln

adat trol van programmdos-ts lehet sge megsz nik.

kzponti trol

CU ALU

utastsok adatokCPU

M1 M2 M1 = programtrolM2 = adattrol

(9.bra)

2.4 .3 .V ek t o r s zm t g p ek (v ec t o r c o m p u t er s )

- jel lemz i := SIMD tpus szmtgp,= adatsor(vektor) feldolgozsa ugyanazzal a

m velet tel adat-pipel ine,= vektor-utas tsokkal rendelkezik,= memribl adatsor letl tse adatsor

(vektor) cmzse t lapolt memriakezels(memory inter leaving) ,

= skalr processzor is clszer .

- szuperszmtgpek: Cray 1,2(138-250 MFLOPS), CDC Cyber 205




21/160


22/160

2.4 .5.T b b p r o c es s zo r o s s zm t g p ek

- jel lemz k:= MIMD tpus szmtgpek,

= processzorok kztt feladatmegosztslehetsges,= processzoronknt tbb folyamat is lehet

temezsi problmk,

- memriahasznlat ( folyamatok kztt i adat-csere) alapjn:

= kzs hasznlat(shared) memria: d inamikus kapcsolhlzat kt i sszea processzorokat s a kzs memri(ka)t kzs vl tozk,

s t ruktrja hasonl a 9.brn lv -hz;

= e losztot t (dis tr ibuted) memria: s tat ikus kapcsolhlzat , adatcsere zenetek seg tsgvel

(message passing) ; formja: cl( fogad) processzor azonos t-

ja , kld processzor azonos tja,

egyb jel lemz k(pl . : k\vnt m ve-let) , adatok.




23/160


24/160

2. 4. 6 .A d at v ezr el t (d at a -f l o w ) s zm t g p

- utas tsok vgrehaj tsa:= ha az el z u tas ts ksz control-f low,

Neumann-struktra,= ha az operandusok rendelkezsre l lnak adatvezrel t szmtgp

(data-dr iven, - f low)

- programozssal egy-egy csomponthoz(node)egy-egy el jrst , m veletet rendelnek hoz-

z.- ki indul pont: az adatfolyam grf , pl . :

kifejezs = b - 4*a*c2

a c

4

bb

**

*

- b - 4*a*c2 (12.bra)




25/160

- plda:

Manchester Ring Machine (1976-1980)

processzorokP1 P2 Pn-1 Pnhlzat

kapcsolvezrlszmtgp

bemeneti sn

kimeneti sn

vrakozsora

tokenek

tokensszeilleszt

utasts-elkszts

program-trol

elfeldolgoz

(13.bra)

2.4 .7.N eu r l i s h l za t o k

specil is feldolgozelemek(neuronok) klnb-z t pus hlzatai alkot jk,

nem programozzk, tan t jk mintapldk seg t-sgvel nem univeryl is , a lkalmazsa : mestersges intel l igencia, i r-

nytstechnika, robottechnika.




26/160

2.5.Neumann-elv , egyprocesszoros g-pek felptse

e l zmnyek(C.Babbage, Neumann J . )

felp ts bemutatsi mdjai :

= funkcionl is felp ts:

httr

trolk

beviteli kiviteli

eszkzk eszkzk

kzponti

egysg

ember-gpkapcsolat

programadatok eredmny

(14.bra)




27/160

= rendszer technikai felp ts:

PCI rendszer sn

SCSI sn ISA bvt sn

(PCMCIA bvt sn)

lemez CD-ROMstreamer

SCSIilleszt illeszt

hlzati hang-krtya illeszt

bvt

ftr cache-tr

procesz-szor

illesztgrafikus video-

memria

I/Ovezrlk

I/Ovezrlk

I/Ovezrlk

memriasnmonitor

(15.bra)




28/160


29/160

2 . 5 . 1 . N e u m a n n - e l v g p ek j el l em z i

vezr lse: vezr ls-ramlsos (control f low),az utas tsok soros feldolgozsa az utas ts-

szmll regiszter(PC=Program Counter) se-g tsgvel , trol t program alapjn m kdik, kzs program- s adat trols ===> program

mdos thatsga, ar i tmetikai(sszeads/kivons - szorzs/osz-

ts) s logikai( 'S '- , 'VAGY'- , 'NEM'-) m vele-

tek vgzsre alkalmas, nl l bevitel i /kivi tel i egysggel rendelkezik.

2 .5 .2 .S zm t g p ek e r f o r r s ai

kzponti egysg(CPU=Central ProcessingUnit) , processzor

= vezr l egysg(CU=Control Unit) ,= ar i tmetikai s logikai egysg (ALU=Arith-

metic-Logic Unit) ,= kzponti tr(?) helyet te: regiszterek,

gyors t trak; trolk(regiszter trak, gyors t trak, f tr,

msodlagos- , vagy ht tr trak) ,

kapcsolat i , tvi tel i eszkzk(snrendszer,csatornarendszer) , per ifr ik(bevitel i /kivi tel i egysgek, ember-

gp-kapcsolat eszkzei) .




30/160


31/160

trolk:= regiszterek

funkcionl is(utas tsszmll regisz-ter[PC=Program Counter] , utas tsre-giszter[IR=Instruct ion Register] , ve-zrl /l lapotjelz regiszter [Control /State Register] , akkumultor regiszter[AC=Accumulator Register] , s tb) ,l talnos cl regiszter tr ;

= gyors t(cache) trak;

bels s nrendszer(adatutak)

t pusai , pl . : Intel pr.csald( i386/486, iP, iP I I , iP I I I ,

iP4) , AMD(K5, K6, Athlon) , Cyrix(M1, M2) ha-

sonmsok, Motorola csald(MC68030, MC68040,

MC68060) , Apple-IBM-Motorola(Power1,2

PowerPC csald) , Sparc, MIPS (RISC processzorok).




32/160

b.)Trolk

feladatuk trhierarchia

regiszterek(funkcionl is , l talnos) , gyors ttrak(cache- trak) , f tr(bi t , byte, rekesz, cm, cmtar tomny)

RAM=Random Access Memory(DRAM,SRAM)

ROM=Read Only Memory(PROM,EPROM);

ht tr trak( tulajdonkppen per ifr il is esz-kzk): mgnesszalagtrak, mgneslemeztrak(merevlemez, haj l-

konylemez) , opt ikai lemezek;

c.)Kapcsolat i rendszerek feladatuk:

kapcsolat teremts a gp klnbz egys-gei kztt

(processzor - memria,processzor - per ifr ia ,

memria - per ifr ia) s nrendsze r(ISA, EISA, PCI, VESA, AGP,stb)

csatornarendszer(szelektor, mult iplexorcsatornk):




33/160

bill.vezrl vezrl

mon.

FD

HD

PRT

prt.vezrlvezrl

lemezMEM

PR

processzor

helyisn

rendszer sn

adatcm

KBD DPL

vezrls

CH

gyorsttr

(18.bra)

memria-csatorna sn

rendszer-sn

CPU

MEM SEL MPX

I/O-vezrls

PRT

DPL

KBD

TAF

D

D

D

TTgyors

perifrik

perifriklass

tvadat-feldolgozs

(19.bra)




34/160

d.)Per ifr il is eszkzk

feladatuk:

t pusaik(bi l lenty

zet , egr, szkenner, nyom-tat, rajzgp, hlzat i csatol, tvkzlsicsatol, s tb .)

2 . 5 . 3 . N e u m a n n - e l v , e g y p r o c e s s z o r o s g p e k k o r- l t j a i

Egyid ben csak egy folyamat feldolgozsa tr tnhetcsak egy processzor van csak; az er forrsokhasznlata nem, vagy csak rszben megoszthat.(Memria svszlessg!)

Rszleges (program-, i l letve utas tsszint ) prhu-

zamosts alkalmazhat:= program szint prhuzamosts:===> mult iprogramozs,

= processzor m kdse: utas tsszint prhuza-mosts:

===> 'pipel ine ' technika,===> szuperskalr technika,

= processzor-memria kapcsolat gyors tsa:===> gyors ttr(cache- tr) ,===> 'memory inter leaving ' technika,

= processzor - I /O m veletek prhuzamostsa:===> I /O 'spooling '




35/160

A m u l t i p r o g r a m o z s lnyege: tbb feladat (prog-ram) ltszlag prhuzamos feldolgozsa.

Ktegel t feldolgozs(batch processing) :

eszkzk

id

B-eszkz

K-eszkz

Processzor

1.programindulsa

1.programvge

(20.bra)

Mult iprogramozott(mult i -programming) feldolgozs:

eszkzk

id

Be-eszkz

Ki-eszkz

Processzor

1.programindulsa

1.programvge

3.program2.program 2.program

(21.bra)




36/160

A processzor, mint er forrs , id tar tamnak felosz-tsi mdszerei :

= pr ior i tsos mdszer,

= id osztsos( t ime-shar ing) mdszer,

= id azonos(real t ime) mdszer

'Spooling ' technika:

az I /O m veleteket(pl . nyomtats , vagy adatbe-tl ts) fgget len t jk a processzor m kdst l ;

Trhierarchia, gyors ttrak,

"pipel ine ' , szuperskalr technika:

ks bb trgyal juk .




37/160

3.Szmtgpek er forrsai3.1.Kzponti egysg, processzor

Mir l lesz sz?

= adat- s utas tstrolsi formk,= ar i tmetikai s logikai m veletek vgrehaj tsa,= utas tsfeldolgozs.

A processzor struktrjt

= mind az adatok,= mind az utas tsok trolsi , kezelsi formja

befolysol ja .

A Neumann-elv szmtgpeknl a trol t jelsorozatalapjn nem dnthet e l , hogy az a jelsorozat adat-e,vagy utas ts!

Csak az r te lmezs mdja hatrozza ezt meg!




38/160

3.1 .1.A d at o k t r o l s i f o r m i

a.)Szmok szoksos rsmdjai

Napi gyakorlatban: helyir tkes, t zes szmrendszeralapjn.

A szmok szoksos rsmdja az albbi:

( )nmmm aaaaaaaaa A KK 210121 ,++

ahol a a az egyes helyir tkekenszerepl szmjegyek alakir tkei .

a a am m + , , , , , ,1 1 0K K

n

r

A jelsorozat rtelmezse(r = radix, az alapszm):

A aii

i m

n

= = s 0


39/160

b.)Trolsi formk

Feladat : mindig a clnak leginkbb megfelel t-rolsi forma hasznlata:

= numerikus adatok: ket tes szmrendszerszer int ,t zes szmrendszerszer int ,

= alfanumerikus adatok: ASCII , EBCDI

b 1 . )N u m e r i k u s a d a t o k t r o l s a k e t t e ss z m r e n d s z e r a l a p j n

Cl : az ar i tmetikai m veletek gyors elvgezhet s-ge

helyir tkes szmrendszer alapjn, ket tes szmrendszer alapjn.

Szoksos formi:

= ket tes szmrendszer alapjn:- f ixpontos egsz,

tr t ,- lebeg pontos, normalizl t ,

= decimlis forma szer int(BCD).




40/160

Fixpontos egsz s tr t tro lsi formja(2-4 byte) :

kettedes pont helyefixpontos trtszm

eljelbit

fixpontos egszszm

eljelbit

kettedes pont helye

(22.bra)pldul:

fixpontos

trtszm

egszszm

fixpontos

a trolt szmrtk: 11/16=0.6875kettedes pont helye

1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0n-1n-2 ... ... ... ... 12345...

n-1 n-2 ... ... ... ... 12345...

a trolt szmrtk: 44 kettedes pont helye

000 1 110000000000

0

(23.bra)




41/160

Lebeg pontos szmok trolsi formja(4-8 byte):

kettedes pont helye

(fixpontos trt)(fixp. egsz)

eljelbitek

karakterisztika mantissza

(24.bra)pldul:

kettedes pont helye

eljelbitek

karakterisztika mantissza0 1 1 11 1 000 0 ... ... ... ...0000 0 0

rtke: 2+11 rtke: +0.1011

(25.bra)a trol t szmrtk:

+0.1011 2+11 = 101.12 = 5.510




42/160

Pozi t v, negat v szmok trolsa:

Cl : az ar i tmetikai m veletek(kivons) elvgezhet -sge minimlis talak tssal , kiegsz t m ve-

letek nlkl .Formi: = el je les, abszoltr tkes(+ 0 , - 1) ,

= egyes komplemens (0 1 , 1 0) ,= ket tes komplemens ( jobbrl az els 1-

esig bezrlag vl tozat lan, majd atovbbiakban 0 1 , 1 0) ,

= 2n - 1

tbbletes(az n-bi t hosszsg, el je-les szmhoz hozzadott r tk) .

- 107

- 107

- 107

- 107

1 0 0

0 0 0 0

0

1 1 1 11

1

1111

111

0 0 0

0000

0

1 10

eljeles,abszoltrtkes

egyes

kettes

komplemenskd

komplemenskd

2 tbbletesn-1

a troltszmrtk

(26.bra)




43/160

IEEE 754-es , 854-es lebeg pontos szabvny:

Cl : az egysges s pontos lebeg pontos szmke-

zelsFormja(matematikai r telmezse) :

( ) ( ) e pa s A += 2.11

ahols a mantissza el jele; 0, ha pozitv s 1, ha negatv,a az egyesekre normalizlt mantissza trtrsze,p a karakterisztika(hatvnykitev ) eredeti rtke,e az eltols(a tbblet) rtke, amelynek nagysga

2m-1-1, ahol m=8, 11, 15.

kettedes pont helye

karakterisztika

szignifikandus eljele

szignifikandus

1

egyszeres sdupla pontossg

kiterjesztettpontossg

kettedes pont helye


karakterisztika szignifikandusp+e+- a

(27.bra)




44/160

Lehetsges mretek:

= egyszeres pontossg(single precision, 32 bit),= dupla pontossg(double precision, 64 bit),

= kiterjesztett pontossg(extended precision, 80 bit),= ngyszeres pontossg(quadrupled precision, 128 bit).

Adatformtumok:

normalizlt

adatformtumok

denormalizlt

nulla

vgtelen

'nem-szm'


karakterisztika szignifikandus

tetsz. kitev tetszleges szmrtk+

111 .... 111 nem nulla szmrtk+

0 0+

0 nem nulla szmrtk+

0111 .... 111+

(28.bra)

= normalizlt adatformtum,= denormalizlt(denormalized) adatformtum,= nulla szmrtk,= vgtelen rtknek adatformtuma,= nem meghatrozott szmrtk, 'nem-szm' (NaN=Not a

Number) adatformtum;




45/160

b 2 . ) N u m e r i k u s a d a t o k t i z e s s z m r e n d s z e rs z e r i n t i t r o l s a

Cl : nagyobb adatmennyisg s kevesebb ar i tme-

t ikai m

velet esetn===> kevesebb legyen az adatkonverzi.

Formi: BCD(binary coded decimal) , Aiken, St ibi tz ,Gray-kd, s tb .Leggyakoribb a BCD-kd alkalmazsa:

a szmokat szmjegyenknt ket tes

szmrendszerbe konvertlva s 4helyir tkre( tetrd-d) kiegsz tve.

0 0000 El je l rszre, pl :1 00012 00103 0011 1100 + el je l ,4 0100 1101 - el je l .5 01016 01107 01118 10009 1001

- 2 6 5 9 10

10 00 0 0 0 011 10 0 0 00 0 0 1 1 1 1 1 1

(29.bra)




46/160

b 3 . ) A l f a n u m e r i k u s a d a t o k t r o l s i f o r m j a

Cl : az adatok trolsa, ar i tmetikai m veletvgzsignye nlkl .

Karakterenknt egy-egy, tbbnyire 8-bi tes jelkombi-nci (kdsz) hozzrendelse:

ASCII kd(American Standard Code for InformationInterchange): mikroszmtgpeknl l talnosanhasznl t .

pldul: A 41h 0100 0001B 42h 0100 0010

0 30h 0011 00001 31h 0011 0001

9 39h 0011 1001

+ 2Bh 0010 1011

EBCDI kd(Extended Binary Coded Decimal Inter-change Code): IBM nagygpeknl hasznl t kdrend-szer.

b 4 . ) E g y b a d a t t r o l s i m d s z e r e k

= jell t ( tagged) adat trols ,= deszkriptoros trolsi forma,= sszetet t s t rukturl is forma.




47/160

3 .1 .2 .U t as t s o k t r o l s i f o r m i

Az utas tsok szerkezete s a rendelkezsre l lelemi utas tsok kre meghatroz a processzor

struktrjnak kialak tsban. Az elemi 'gpi kd ' utas ts rszei :

mveleti jelrsz cmrsz

mdost rsz

(30.bra)

= m velet i jelrsz (operat ion code, opcode): mi ateend ?

= cmrsz (address f ield) : az operandusok trolbel ihelynek a ki jellse.

= kiegsz t , mdos t rsz : a cmzsi el rsmdos tshoz, pontoss ttelhez.

Az utas tsok hossza:

= azonos mindig(pl . RISC processzoroknl 4 byte) ,= vl toz(pl . CISC processzoroknl 1-17 byte) .

Problmk:= utas tshossz tvi tel sebessge,

feldolgozs sebessge,= utas tskszlet processzor s truktrja,

feldolgozs sebessge.




48/160

a.)Utas tsszerkezet

El r ja , hogy az utas ts melyik rszt hogyan kel lr telmezni .

Legl talnosabban(ktoperandusos, m velet i utas-tsnl) , egyid ben a kvetkez c mekre van szks-ge a gpnek:

= els operandus cme,= msodik operandus cme,= eredmny cme,= kvetkez u tas ts cme.

Van, amikor nincs szksg ennyi cmre.

mveleti jelrsz

4-cmes utasts

3-cmes utasts

2-cmes utasts

1-cmes utasts

0-cmes utasts

PC bevezetsvel

mveleti jelrsz

AC bevezetsvel, vagy azeredmny a 2.operandushelyre kerl

AC bevezetse szksges

veremtrol bevezetsvel

mveleti jelrsz

mveleti jelrsz

mveleti jelrsz

1.operanduscme

1.operanduscme

1.operanduscme

2.operanduscme

2.operanduscme

cmeeredmny

cmeeredmny

kvetkezut. cme

operandus

cme

2.oper. +eredm. cme

(31.bra)




49/160

b.)Utas tst pusok, utas tskszlet

b 1 . ) U t a s t s t p u s o k

= tvi tel i utas tsok:- trolhivatkozs utas tsok,- veremkezel u tas tsok,- per ifr ia utas tsok;

= m velet i utas tsok:

- ar i tmetikai m velet i utas tsok(+,- ,* , / ),- logikai m velet i utas tsok,(and, or, not) ,- lptet / forgat(shif t / rotate) utas tsok,- bi tm velet i utas tsok,- karakter lnc(str ing) m velet i utas tsok;

= vezr l u tas tsok:

- fel ttel nlkli ugrat utas ts ,- fel tteles ugr utas tsok,- alprogram(szubrut in)hv utas ts ,- ' return ' utas ts ,- lel l t utas ts ,- ciklusutas ts ,

- megszaktst t i l t s engedlyez u tas-tsok,

- 'hal t ' u tas ts .




50/160

b 2 . ) U t a s t s k s z l e t

Azon elemi (gpi kd) utas tsok sszessge,amelyeket a gp a legals, hardver szinten r tel-

mezni s vgrehaj tani tud.Ez a programoz l tal hasznlhat legals szint .

Jel lemz k:

= elemi utas tsok szma,

= az elemi utas tsok tar talma, az elvgzend

feladatok sszetet tsge,= a kezelhet fel ttelek szma,= az egyes jel lemz k kvetkezetes hasznlat i le-

het sge,= az utas tsok l tal nyjtot t tmogats:

- a programrshoz,- a program ford tshoz,- az el len r zhet sghez.

Az utas tskszlet kialak tst befolysol ja , hogymit bzunk a hardverre s mit bzunk a szof tverre:

sszetet t utas tskszlet CISC processzorok;

Egyszer s tet t utas tskszlet RISC processzo-rok.




51/160

3.1 .3 .M v el et ek v g r eh aj t s a

Elvgezhet m veletek: = ar i tmetikai m veletek,= logikai m veletek.

a. )Ari tmetikai m veletek

- ket tes szmrendszer alapjn:= f ixpontos szmok krben,= lebeg pontos szmok krben;

- t zes szmrendszer alapjn:

= BCD kd alapjn.Binr is jelrendszer alkalmazsa rvn, az ar i tmeti-kai m veletek visszavezethet k a logikai m veletek-re.

a1.)M veletek f ixpontos szmokkal

sszeads:

Szoksos helyir tkes brzols szer int vgezhet e l .Pldul: A=22 0 001 0110

B=75 0 100 1011---- ------------ ----97 0 110 0001

tvi telkpzs: 10 s11 esetn.

Vgrehaj ts: prhuzamosan, minden helyir tken.




52/160

Kivons:

Komplemenskd hasznlatval ; oka, hogy gy:

= a kivons visszavezethet

az sszeadsra,= az el je l automatikusan addik.

Pldul: A= 97 0 110 0001B=-62 1 011 1110

B komplemense: 1 100 0010

----- ---------------- A+Bk 35 1 0 010 0011

A= 45 0 010 1101B=-52 1 011 0100

----- - - - - - - - - - - - - - - - -B komplemense: 1 100 1100

----- - - - - - - - - - - - - - - - - A+Bk -7 1 111 1001

az eredmny negat v ===> komplementls

A+Bk -7 1 000 0111

Szorzs, oszts :

Az alkalmazott algorimus bonyolul tabb, de vissza-vezethet sorozatos sszeadsokra/kivonsokra sel tolsokra ( lptetsekre) .




53/160


54/160

A f ixpontos szmok szorzsnak algor i tmusa:

igen

nem

nem

igen

2

1

szorzlegalacsonyabb

helyirtkbitje = 1 ?

AC lptetse jobbraB lptetse jobbra

I > N ?

eljelbit ellltsa

0 AC

(szorzand) A(szorz) B

1 I

[AC] + [A] AC

I + 1 I

N = az A s Bregiszterekhossza

(33.bra)




55/160


56/160

Ha a karakter iszt ikk nem egyeznek meg , azazk a k b , akkor az eredmny karakter iszt ikja:

{ }baba k k k ,max)( =+

Ha k a >k b , s gy n=k a -k b , , akkor a B operandusmantisszjt osztani kel l a 2 2n k k a b= r tkkel (azaz nhelyir tkkel el kel l tolni jobbra) s a karakter iszt i -kt ennek megfelel en nvelni kel l , azaz

m m

mbu

b

n

k k a b= = 2

2 ( )

( ) )(222222 )( baaaaba k

bak

buak

buk

ak

bk

a mmmmmmm B A +=+=+=+=+ +

aholm ma b a bu( )+ m= + s k k a b a( )+ =




57/160

Lebeg pontos szmok sszeadsnak, kivonsnakalgor i tmusa:

igen

nem

2

1

k = k ? A B

igen nemk < k ? A B

karakterisztikk

n helyirtkkel n helyirtkkelm lptetse jobbraBm lptetse jobbra A

az eredmnynormalizlsa

m + m mB (A+B) A

Ak k(A+B)

klnbsge n

Bk k(A+B)

(34.bra)

Szorzs, oszts:

mantisszk esetben ===> f ixpontos szorzs,oszts

karakter iszt ikk esetben ===> sszeads, kivons




58/160

a3.)M veletek t zes szmrendszer a lapjn

BCD kdban brzolt szmokkal; tvi telkpzs:- tetrdon bell ket tes szmrendszer alapjn,

- tetrdok kztt t zes szmrendszer szer int .Pldul:

245 0010 0100 0101137 0001 0011 0111----- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

382 0011 0111 1100korrekci: 0110-----------------------

0011 1000 0010

b.)Logikai m veletek

b1.)Alapm veletek

- logikai VAGY-m velet(OR),- logikai S-m velet(AND),- logikai NEM-m velet(NOT).

NEM-m velet

VAGY-m velet

S-m velet

m szakirsmd

C = A C = A + B C=A B

matematikairsmd

C = A C = A B C = A B




59/160

A m veletek igazsgtblzata:

operan-

dusok

NEM

m velet

VAGY

m velet

S

m velet A B C = A C = B C = A + B C=A B 0 0 1 1 0 00 1 1 0 1 01 0 0 1 1 01 1 0 0 1 1

b2.)sszetet t m veletek

= ekvivalencia(azonossg) m velete(jele: , illetve ),

= antivalencia m velete(jele: , illetve ),

= NEM-VAGY(NOR) m

velet(Pierce-m

velet),= NEM-S(NAND) m velet(Sheffer-m velet).

A m veletek igazsgtblzata:

A Bekviva-lencia

ant iva-lencia

NEM-VAGY

NEM-S

A B A B A +B AB 0 0 1 0 1 10 1 0 1 0 11 0 0 1 0 11 1 1 0 0 0




60/160

A tblzat sszetet t kifejezsei az alapm veleteksegtsgvel :

= ekvivalencia: C = A B + A B

= antivalencia: C = A B + A B = NEM-VAGY: C = A +B A B= = NEM-S: C = A B = A B +

b3.)Logikai fggvnyek

Jelent sgk: klnsen a gpek tervezsekor'Tel jes sszead' (kt binr is szmjegy s az tvi telsszeadsra szolgl egysg) sszeg(S) stvi tel(C) kimenete:

A B D S C

0 0 0 0 00 0 1 1 00 1 0 1 00 1 1 0 11 0 0 1 01 0 1 0 11 1 0 0 1

1 1 1 1 1

S = A B D+ A B D+ A B D+ A B D = (A B) D+(A B) D (A B) DC = A B D+ A B D+ A B D+ A B D = A B+(A B) D

=




61/160

c.)Ari tmetikai- logikai m veletvgz egysg(ALU)

Rszei : = tel jes-sszead egysg,= lptet ramkrk,

= logikai m

veletvgz

,= adatregiszterek(AC - akkumultor) .

l lapotjelz regiszter(f lag regiszter) :

= tvi tel(carry) ,= nul la(zero) ,

= tl csorduls(overf low),= el je l(sign) .

Flsszead s tel jes sszead vzlata:

&

+

A B

C

S

1

&

&

+

+C

S

D

BA

a.) flsszead b.) teljes sszead

(35.bra)




62/160

1-bi tes ALU vzlata:

1&

&

S

1 &

&&&

1

A BV01V02

V03

L

1

Ci

+

+

BA

C i -1

&

&

V04

Logikaimveletvgz mveletvgz

Aritmetikai

& && &

V01 V02 V03 V04

V0 V1

Vezrl logika

A BV1V0

S

Ci

1-bites ALU

C i -1

(36.bra)




63/160

3 .1 .4 .U t a s t s o k v g r eh a j t s a

a.)Utasi tsvgrehaj ts lpsei

= utas tsel

ksz ts(fetching) ,= utas tsszmll regiszter(PC) tar talmnak nve-lse,

= m velet i kd r telmezse(decoding) , operandusokcmnek meghatrozsa,

= operandusok el ksz tse,= m velet vgrehaj tsa(executing),

= eredmny elhelyezse(wri t ing back) .Neumann-elv , hagyomnyos s truktrj szmtg-pek utas tsfeldolgozsa soros rendszer :

mvelet-vlasztsALU

AC

+ 1

Z

{ 1}

01

cm -dek-dol

opcm

IRTMPadatok

program

PCMAR

MBR

utasts cm

operandus cm

operandusutasts

utasts cm

CU

(37.bra)




64/160

b.)M velet i vezr ls

Feladat : az utas tsokban meghatrozott m vele-tek elemi lpseinek vezr lse.

Lehet sgek: = huzalozott mdon,= mikroprogramozott mdon.

ACC

ALU

PBR

PAR

DPL

KBD

ssze-ad

A1

A2

A3

A4

A5

S4

R4

P1P2

P3

P4

S3

S-sn

R-sn

S-sn

PC

IR

P/D

op. cm k. cm

CU

R-sn

M1

R1 R2 R3

S1

C1

C4

kompl.kpz

M2

P

IRC2 C3

MARMAR

MBR

S2

A5perifria+1- 1

A6A7

(38.bra)




65/160

Plda: LDA X hatsa: [X] AC

elemi lpsek

r intet t

vezr lsipontok[PC] R-sn S-sn MAR R2, S2, M2Cmdekdols[mem(MAR)] MBR[MBR] R-sn IR R1, C1[IR(op.kd)] MAR C2[IR(cmrsz)] S-sn MAR S1, M2Cmdekdols[mem(MAR)] MBR[MBR] R-sn AC R1, A1

c.)Mikroprogramozott m velet i vezr ls Lnyege: az utas tsok vgrehaj tsnak elemi

lpsei t a ROM trolban trol tmikroprogram alapjn vgzi el aprocesszor.

Mikroutas tsok szerkezete:= hor izontl is(minden bi t je vezr l

funkcival rendelkezik,= ver t ikl is(hasonl a gpi szint

u tas tsokhoz) .




66/160


67/160


68/160


69/160


70/160

SPARC processzorok

regiszter utasts

kzvetlen adatcmzs

cmbellt utasts

feltteles ugrutasts

szubrutinhv utasts

utaststpus jelzse

DEST

DEST

DEST

OPCODE

OPCODE

SRC1

SRC1

0

1

FP-OP SRC2

adatkonstans

OP

OPfelttel

konstans

A utastsrelatv cm

utastsrelatv cm

2 5 6 85 1 5

2 5 3 22

(40.bra)MIPS processzor ok

regiszter utasts

kzvetlen adatcmzs

ugrutastsrelatv cm

DESTOPCODE SRC1 SRC2 SHIFT FUNC6 65 5 55

DESTOPCODE SRC1 konstans5 56 16

OPCODE6 26

(41.bra)




71/160

C m z s i m d o k

Jel lemz : a 3 cmes utas tsok hasznlata(S1, S2 az operandusok cmmez inek, D

az eredmny cmmez jnek a tar talma,EA = tnyleges cm, A tetsz leges mez

tar talma)

= kzvet len adatcmzs( immediate) :

operandus = A

= kzvet len regisztercmzs: EA1 = S1,EA2 = S2,EA3 = D

= kzvet len trolcmzs(LOAD/STORE):

EA1 = [R0] + AEA2 = D

= kzvetet t ( regiszter indirekt) trcmzs:

EA1 = [R0] + [S2]EA2 = D

= kzvetet t ( regiszter indirekt) re la t v trcmzs:

EA1 = [S1] + AEA2 = D




72/160

b.)M velet i vezr ls elve

CISC processzoroknl : tulajdonkppen mikroprog-rammal r telmezet t ;

RISC processzoroknl : huzalozott logikval .

3.2.Folyamatok prhuzamostsa

Teljes t kpessg nvelse:= m kdsi sebessg(rajel f rekvencia) nvels-vel ;

= folyamatok prhuzamostsval ,- program szinten mult iprogramozs,- utas ts szinten: p ipel ine technika,

szuperskalr technika;= er forrsok tbbszrzse.

3 .2 .1 . t l a p o l t ( p i p e l i n e ) f e l d o l g o z s i t e c h n i k a

a.)Pipel ine technika lnyege

(Ms elnevezsek: cs vonal , futszalag technika)

Fogalma, a megolds mdja:

a folyamat (kzel egyenl id tar tam) elemi r-szekre bontsval .




73/160

21

2.utasts feldolgozsa

1

2

11

11 22

22

1.utasts feldolgozsafokozatok

id3elksztsdekdols

op.cm meghat.op.elkszts

vgrehajtsvisszars

ugr utastsnl felesleges lehet

1.fokozat 2.fokozat 3.fokozat n.fokozat

(42.bra)

Az t lapolt feldolgozs temezse:= szinkron,= aszinkron mdon tr tnhet .

Prhuzamosts terlete:= utas tsvgrehaj ts folyamata, ezen bell= m veletek vgrehaj tsa.

Utas tsfeldolgozsnl : szinkron temezs a jobb.




74/160

A pipel ine gyors ts mrtke(n=fokozatok szma,p=feldolgozand utas tsok szma):

s T

T

np

n p soros

ppl

= =+ ( )1

Az egyes fokozatok azonos id ignyt fel ttelezve, atel jes id tar tam-kapaci ts: n(n+p-1). Ekkor ahatkonysg :

e tnyleges leterhels idtartama

teljes leterhels idtartamanp

n n p p

n p= = + = + ( ) (1 1)

Problmk:= egymst kvet u tas tsok egymsrahatsa

vezr lsi fgg sg,= egymst kvet u tas tsok l tal hasznl t adatok

rendelkezsre l lsa adatfgg sg,

= hardver er forrsok irnt i ignyek er forrs fgg sg.




75/160

b.)Az utas tsvgrehaj ts gyors tsa

Az utas tsfeldolgozs lehetsges lpsei := el ksz ts ,

= dekdols,= operanduscmek kidolgozsa,= operandusok el ksz tse,= m velet vgrehaj tsa,= az eredmny visszarsa,= kvetkez u tas ts cmnek meghatrozsa.

Folyamatos feldolgozs akadlyai := trolhivatkozs( load/store) utas tsok,= elgazsi utas tsok,= megszaktsok, kivtelek.

A tel jes t kpessget jelent sen cskkenti a trolhi-vatkozs, valamint az elgazsi utas tsok program-bani magas el fordulsi gyakorisga(70-75%).

M e m r i a u t a s t s o k k e z e l s e

Megoldsi lehet sgek:= vrciklusok beiktatsa,= kslel tetet t LOAD utas ts

(a LOAD utas ts hosszabb vgrehaj tsi ideje,vagy a beolvasot t adatra vrakozs miat t , az uta-s tst kvet u .n . kslel tetsi rs be, hasznosutas tst helyez t a ford tprogram, amelyetmindig vgre kel l haj tania a processzornak)




76/160

1.Vrciklusok beiktatsa

2.utasts

3.utasts

4.utasts

1.utasts (LOAD)

F = elkszts D = dekdols E = vgrehajts W = visszars

ciklusokE1 WF D E2

F ED W

F ED W

F ED W

utastsok

(43.bra)

2.Kslel te te t t LOAD utas ts

2.utasts (NOP)

3.utasts

4.utasts

1.utasts (LOAD)

F

D

E WF

F

F

E

E

E

D

D

D

W

W

W


ciklusokaz adat ekkor elrhet csak

utastsok

(44.bra)




77/160

Megolds pl . :

load r1, mem(A) [mem(A)] r1load r2, mem(B) [mem(B)] r2

nopadd r3, r1 , r2 [ r1] + [ r2] r3

E l g a z s i u t a s t s o k k e z e l s e

Problma : mivel az ugrs szksgessge, csak afeldolgozs ks bbi fzisban vl ik nyi lvnval-

v, megszakadhat az utas tsok folyamatos fel-dolgozsa trlni kel l a pipel ine- t .

Az elgazsok kezelsi mdszerei := pipel ine tr lse legegyszer bb,= pipel ine lel l tsa(vrciklusok) ,= elgazs el rejelzse:

- s tat ikus(hardver, vagy a ford tprogram l tal be-l l tot t , fel ttelezet t elgazs szer int) ,- dinamikus(futs kzbeni nyi lvntar ts alapjn) ,

= utas tssorrend trendezs:- kslel tet t elgazs (elgazsi utas tst kvet

helyre r telmes utas tst helyez a ford tprog-ram, amelyet mindig vgrehaj t a gp, fgget lenl

az elgazs i rnytl) leggyakoribb,- elgazs szthzs(fel ttel bel l tsa s vizsg-lata szthzhat) ,

- elgazs sszecsomagols,- ciklusutas ts egyszer s tse,

= pipel ine tbbszrzse.




78/160

1.Pipel ine tr lse

elksztsdekdols

vgrehajts

visszars

fokozatok

id

[ciklus]

i

k

ii

i

i+1i+1

i+1i+2

i+2 i+3

k

kk

k+1k+1

k+1

i = i -dik utasts = trlt utastsok

ksleltets = n-1 [ciklus]

(45.bra)

2.Kslel te te t t e lgazs a lkalmazsa

F

D

E WF

F

F

E

E

E

D

D

D

W

W

W


ciklusok

elrhet

az ugrsi cmekkor

csak

2.utasts (NOP)

3.utasts (az elgazs 1.utastsa)

1.utasts (ugr utasts)

4.utasts (az elgazs 2.utastsa)

utastsok

(46.bra)




79/160

A d a t t k z s e k f e l o l d s a

Az egymst kvet u tas tsok ugyanarra az adatravrnak, pldul:

add R3,R1,R2 [R1]+[R2] R3sub R4,R3,R0 [R3]-[R0] R4

F

D

E WF

F

F

E

E

E

D

D

D

W

W

W


ciklusokaz adat ekkor elrhet csak

utastsok

NOP

ADD R3, R1, R2

SUB R4, R3, R0

(47.bra)

Adattkzsek feloldsi mdjai :

= utas tssorrend trendezse,= 'scoreboarding ' ,= adat el reengeds(forwarding)




80/160

E WF Dciklusok

utastsok

E WF D

E WF D

E WF D

R3R4

R5R6

R7


'scoreboard'

ADD R7, R4, R6

SUB R5, R1, R2

ADD R3, R1, R2

ADD R4, R3, R4

(48.bra)

E r f o r r s o k h a s z n l a t a

Legfontosabb er forrsok:= regiszterek, amelyek hasznlatt a ford tprogram

optimalizl ja ,= kzponti trol, amelynek hasznlatt a kln uta-

s ts- s adatcache- trak, valamint a klnl lutas ts- s adat trol hasznlata(Harvard-struk-tra) , a 'memory inter leaving ' teszik hatkonyab-b.




81/160


82/160

fokozatok

id

[ciklus]

Xkitevk sszeadsamantisszk szorzsa

normalizlskerekts

rszszorzatoksszeadsaX X

X X

XX

X

X = els inicializls = msodik inicializls

(49.bra)

3 .2.2 .S zu p e r s k a l r t e c h n i k a

a.)Szuperskalr technika lnyege

Prhuzamossg: = utas ts kibocstsban,= utas ts vgrehaj tsban;

u tas tskibocsts mrtke: 2-3-4 [ut . /ciklus]

utasts-sor

sztoszt

FV LPVEF (50.bra)




83/160

Problmk:

= fgg sgek(adat- , vezr lsfgg sgek) kezel-se,

= program konzisztencijnak meg

rzse,= kivtelek(megszaktsok) kezelse.

b.)Feldolgozs lpsei

D e k d o l s

= prhuzamos dekdols nvekv nehzsg magasabb kibocstsi

mrtknl , e l dekdol hasznlata az (L1 szint ) uta-

s ts gyors ttr el t t ;

utasts-sor

FV LPVEF

utasts-gyorsttr

eldekdol

sztosztdekdol/

L1

(51.bra)




84/160

= el dekdols lnyege:4-7 kiegsz t b i t , je lezve:

- az utas ts csoport jt ,- hosszt ,- m velet i kd helyt , s tb .

K i b o c s t s / s z t o s z t s

= feladata: a dekdols utn, a fgg sgek el-len rzse/feloldsa, majd az utas tstovbbtsa a megfelel vgrehaj t

egysghez;

utasts-sor

utasts-gyorsttr

eldekdol

sztosztdekdol/

EF FV LPV

L1

vrakoztatpuffer

ellenrzs/kibocsts

(52.bra)




85/160

= jel lemz k: kibocsts mdja:

- kzvet len(direkt) b lokkolds a fgg sgek miat t ,

- kzvetet t ( indirekt) vrakoztats a fgg sgek felold-

sig;

kibocstsi ablak:mrett a vizsglatba bevont utas t-

sok szma(4-6) adja meg.

- f ix: csak akkor mozdul arrbb, ha az ab-lak sszes utas tst kibocstot ta ,

- cssz: minden kibocstsnl arrbbmozdul a kibocstot t utas tsszmnakmegfelel en; gy, mindig u.a. uta-s ts vizsglhat egyszerre;

kibocstsi sorrend:

- sorrendi(a program logikja szer int) ,

- sorrenden kvli(a vgrehaj thatsg alap-

jn, de a konzisztencia meg rzsemegoldand!)




86/160

= fgg sgek feloldsi mdjai : vezr lsi fgg sg:

pl . fel tteles elgazsi utas tsvgrehaj tsa esetn

e lgazs el rejelzs(spekulat v mdon,fel ttelezet t i rnyban kezd dik afeldolgozs) ,

b lokkols a megoldsig(amg az ugrsii rny vi lgos lesz) vrakoztats

adatfgg sg:pl . egymst kvet u tas tsok u.a. atrolhelyet akar jk hasznlni ;

valdi(RAW = read af ter wri te) fgg sgcsak vrakoztatssal oldhat fel ,

l - fgg sg(WAR, WAW): a fell randhelyet az el z u tas ts mg hasznl-ni akar ja a rgi adat tal ,

regiszter tnevezs

- ideiglenesen ms nevet kap a cll lo-ms, azaz

- ideiglenesen az .n. tnevez puffer-ben trol juk,




87/160

- kel l egy segdtrol a lekpz tblzat(tnevezsek nyilvntar tsa) t-rolsra;

- befolysol, hogy az operandusoklehvsa a sztoszts (vrakoztatsel t t ) , vagy a kibocsts (vrakoz-tats utn) tr tnik-e; azaz magt azadatot , vagy csak a cmt trol ja avrakoztats alat t .

V g r e h a j t s Problma:

= vgrehaj tsi id k klnbz sge soros konzisztencia meg rzse, eredmny kslel tetet t visszarsa;

= kivtelek hatsa: konzisztencia meg rzse

N h n y p l d a

= tovbbfej lesztet t CISC:

Pentium, MC68060= szuperskalr archi tektra:Cyrix M1, AMD K5

= RISC mag CISC:PPro, PII , PIII , PIV

= RISC processzorok:PowerPC 602, 604, 620




88/160

3.3.Trolkezels

3 .3 .1 .A l a p f o g a l m a k , t r o l h i e r a r c h i a

Alapfogalmak:

= bi t , byte,= sz(word) ,= rekesz,= cm, cmtar tomny,= troleszkzk: RAM(DRAM, SRAM),

ROM(PROM, EPROM),= elrsi id , felledsi id , c iklusid ,

= kzponti tr kapui:cmregiszter(MAR),adatregiszter(MBR, DR)

A gp hatkony m kdtetshez trolhierarchia kel l := regiszterek, regiszter tr,= gyors t(cache) tr,= f tr,(= gyors ttr) ,= ht tr trolk(mgneslemez, -szalag) ,

= tmegtrolk (mgneslemez, opt ikai lemez,mgnesszalag, s tb .)




89/160

Trhierarchia:

regisztertr ftr httrtr tmegtrolk

regisztertr ftr httrtr tmegtrolk

cache-tr

cache-tr

elrsiidk[s] 10-20*10-9 70-100*10-9 10*10-3 300-500*10-3

kapacitsnagysgrend

By

By

MB

MB

GB

GB

(53.bra)

3. 3 .2 .V a l s t r k ez e l s (f t r h a s zn l a t a )

Fogalma: minden troleszkz kezelse a sajtf izikai felp tst l fgg en tr tnik.

Korltos f izikai trolk kezelshez amegolds: ==> v i r t u l i s t r k e z e l s




90/160

Cmzsi , cmmdos tsi el jrsok

O k : az utas tsok cmrsze csak a legr i tkbb ese-

tekben tar talmazza az operandusok pontos, f izikaicmt .- a cmrsz nem elegend en hossz,- adatsoron kel l m veletet vgezni ,- cikl ikus m veletvgzsre van szksg,- a program, az adatok thelyezhet sgt kel l

biztos tani .

C m z s i m d o k a l a p f o r m i

= abszolt cmzsi md,= relat v cmzsi md= kzvetet t ( indirekt) cmzsi md,= kzvet len adatcmzs, lcmzs, l i terl is ;

= indexels .




91/160


92/160

Az utas tsok hatsa:

LDA a 2000 [2000] AC

LDA r 200 [[BR] + 200] AC

K z v e t e t t ( i n d i r e k t ) c m z s i m d

program terlet adatterlet

cm cm

LDA i 1600400399

401

AC

25001994

1600 2500pointer

(55.bra)

Az utas ts hatsa:

LDA i 1600 LDA a 2500 [2500] AC




93/160

K z v e t l e n a d a t c m z s ( i m m e d i a t e )

Az utas ts cmrszben maga az operandus tall -hat. Korltozot t hasznlhatsg!!

program terletcm

LDA400399

401

AC# 639 (639)

(56.bra) Az utas ts hatsa:

LDA # 639 639 AC

In d e x e l s

+

program terlet

adatterlet

cm

LDA 3000400399

401

AC

1400

cm

ix

pontos cm:

3000

IX5

3005

(57.bra)

Az utas ts hatsa:LDA ix 3000 LDA a 3005 [[IX] + 3000] AC




94/160

3.3 .3 .Reg is z t er t r ak

tmeneti adat trolshoz egyre nagyobb mret t-

rolt hasznlnak lnyeges a hozzfrsi md hrombemenet regiszter tr clszer (3-cmes uta-

s tsokhoz)

regiszter trak kezelsi lehet sgei :

= l iner is cmzs hasznlata= regiszterbank (register banking) hasznlata

(azonos mret , nem t lapold rszek;egy-egy 'bank' mrete: 2 hatvnya, pl . 2 3)

---> mutat: CBP - current bank pointer

= ablaktechnika (register windowing) hasznlata(azonos mret , t lapolhat ablakok; az 'ab-lak ' mrete: 2 hatvnynak tbbszrse)

---> mutat: CWP - current window pointer

= blokktechnika (register blocking) hasznlata( tetsz leges mret , t lapolhat blokkmret)

- - -> mutat: CBP - current block pointer

Mutatk utas tsokkal kezelhet k(stack kialak that) .




95/160

Ablaktechnika alkalmazsa(pl . : SPARC processzorok)

globlisvltozk

globlisvltozk

globlisvltozk

R0

R7

R8

R31

R0 R0

R24

R47

R40

R63

R7R7

bemenparamterek

paramterekkimen

loklisvltozk

loklisvltozk

loklis

vltozk

paramterekkimen

paramterekkimenbemen

paramterek

bemenparamterek

CWP-1

CWP

CWP+1

pm.tads

pm.tads

(58 .b ra )

Paramte rcse re : a bemen s a k imen v l tozkb lokk jn keresz t l ada tmozga ts n lk l .

Cserny : Szg . a rch . 2005 /06 95



96/160

3.3 .4 .G y o r s t (c ac h e)- t r ak

Feladatuk: utas tsok, adatok processzorkzel i ,tmeneti trolsa:

= L1 szint

(bels

) : 32KB= L2 szint (bels /kls ) : 256KB

Lnyeges je l lemz k:

a cache- tr mrete(8-256 kB); a blokk mrete(16-32 byte) ; az adatcsere mindig

blokkos formban tr tnik blokk/sz/byte fel-p ts;

sormret , amely egy-egy sszehasonl tssalki jellhet , l talban a blokkmret tel megegyez ,i l le tve annl kisebb;

aktual izlsi mdszer, amely alalpjn a mdos-tand adatot a cache- trba s a f trba r juk;

a gyors adatcsere miat t , fontos a megfelel he-lyet tes tsi s t ratgia ( re)placement pol icy ;

a f tr s a cache- tr adategyez sgnek bizto-s tsi mdja.

Kt jelz -bi t legalbb: rvnyessgi( V - val id bi t ) : a blokk tar talma rv-

nyes adatot tar talmaz-e? mdos ts jelz (D - dir ty bi t ) : aktual izlskor

volt-e mdos ts?




97/160

a.)Gyors t(cache)- trak t pusai

(Pldk: 32 bi tes cmzs s 256 trolsor(cel la) fel-ttelezsvel mutat jk be az egyes t pusokat)

1.Tel jesen asszociat iv(ful ly associat ive) cache- tr [256-way set associat ive cache]

2

byteszCM: blokk sorszm

0.sz 1.sz 2.sz 3.sz01 2 3 00 0 11 12 2 23 3 3

1 6 8 3 1

012

255254

cache-tr

28 2 2

V Dblokksorszm

1 6 8 3 1

'tag'-rsz adatrsz

1

megcmzettbyte

sszehasonltshoz

kijellshez

(59.bra)

Egy-egy blokk brhov kerlhet .

Cmzs: blokk sorszm alapjn, sszehasonl tssal .




98/160

s ikeres elrs cache-hi t( read- , wri te-hi t) ,s iker telen elrs cache-miss(read-, wri te-miss)

Elnye: nagyfok rugalmassg betl tsnl ,

htrnya: soronknt cmsszehasonl ts kel l kl tsges(l talban < 64 cel la)

2.Kzvet len lekpzs (d i rect mapping) cache- tr[1-way set associat ive cache]

2

byteszsorindexlapsorszm

1 6 8 3 120 8 2 2

012

255254

CM:

0.sz 1.sz 2.sz 3.sz01 2 3 00 0 11 12 2 23 3 3

cache-tr

1 6 8

'tag'-rsz adatrsz

megcmzettbyte

sszehasonltshoz

kijellshez1

31

sorindex

kijellshez

V Dlap-sorszm

(60.bra)




99/160

Kijells: sor index, valamint sz- s byte-cm alapjn

Cmzs: lapsorszm sszehasonl tsval .

El nye: gyors visszakeress,htrnya: nagyon merev, el fordulhat , hogy nem

aktul is tar talm; hivatkozs ugyanarraa blokkra, mint utas tsra s mint adatrais .

3.Csoport asszociat iv(set associat ive) cache- tr [n-way set associat ive cache]

Egy-egy blokk n helyre kerlhet , a tar tomnymrete ezr t cskken.

Kijells: csoport index(set index) , valamint sz- sbyte-cm alapjn.

Cmzs: lapsorszm alapjn, sszehasonl tssal .

El ny: haj lkonyabb, mint a 'd irect mapping ' ,kevs sszehasonl ts kel l , viszonylaggyors s olcs.




100/160

2

byteszCM: lapsorszm csoportindex

1 6 8 3 1

22 6 2 2

cache-tr

sszehasonltshozkijellshezkijellshez

'tag'-rsz

V Dlap-sorszm

1 6 8

0.sz 1.sz 2.sz 3.sz01 2 3 00 0 11 12 2 23 3 3

adatrsz

megcmzettbyte

012

6362

31

csoportindex

1

(61.bra)

b.)Gyors t trak tar talmnak karbantar tsa

Problmk:= aktual izls: utas tstrolnl nem gond

csak olvass van,adat trolnl : f tr s cache- tradategyez sgt biztos tani kel l ,

= tar talomcsere s tratgija; tbb program futsa bo-nyol t ja a helyzetet klnl l tro-lk hasznlhatk.




101/160

Tar talom betl tse

= aktul is ignykor(demand fetching): a kr t byte

azonnal tovbbtsra kerl( load-through, read-through)

= el ksz tssel(prefetching): az i-dik blokkal azi+1-dik is betl tsre kerl ;

- kis blokkoknl clszer ,- e l retekintsi s t ratgia kel l( look ahead)

Aktual izls

adatbers , mdos ts utn a f trat is aktual izlnikel l

= azonnali t rs(wri te through) ,= visszars , -msols(wri te back,copy back)

mdszere,= egyszer i visszars(wri te-once) mdszere;

programbl is vlaszthat lehet .

= wri te through:- az adat bersra kerl a f trba is , fgget lenl

at tl , hogy az adott blokk a cache-ben van-e,vagy sem;

- pufferelssel gyors that (buffered wri tethrough) az tvi tel .

- lehet sg: wri te-hi t(benn van): a cache is ak-tual izldik;wri te-miss(nincs benn):




102/160

= trba rst kvet i egy visszaol-vass(read-miss)

= betl ts utn aktual izl (wri tethrough with wri te al locat ion)

= wri te back, copy back: - aktual izls csak a blokk cserjekor, a a 'd ir ty-

bi t ' l lapottl fgg en;- lehet sg: wri te-hi t(benn van): csak a cache-

ben aktual izl , a f trat csak k-s bb, blokkcsernl aktual izl ja .

wri te-miss(nincs benn): betl tsutn aktual izl , a f trat csak k-s bb, blokkcsernl aktual izl ja .

= wri te-once:- csak az els h ivatkozskor r ja vissza a f trba

a blokkot , rvnytelen tve a ms cache-trakban lv adatokat ; visszarsblokkcsernl tr tnik csak.

El ny, htrny: a 'wri te back ' mdszernl a caches a f tr tar talma nem mindig egyezik meg,de nem foglal ja le az adatsnt .




103/160

Helyet tes tsi s t ratgia (replacement pol icy)

Alapelv: a legrgebben nem hasznl t kerl jn ki( least recently used - LRU)

Magyarzat : vl tozsmtr ix alapjn(a mtr ix soraiblokkonknt jelzik annak kort , hogy milyenrg nem hasznl tk) az egyes blokkok koraismert .

Vltozs mtrix:

0 1 2 3 4 5 6 7 8

2

10

345678

11

11

1

1

11

1

blokk-sorszm

szmllregiszter

2

10

345

678

0 1 2 3 4 5 6 7 8lptet regiszter:kor

blokkssz.

mdostsutn

mdostsutn

62301

4

758

6

2

3

0

14

758

3 4 1 2 5 67 0 8

3 4 1 25 67 0 8cserlhetblokk(6.)

(62.bra)




104/160

Megoldsi mdok := szmll regiszterrel(a blokkok kort trol ja)= shif t regiszterrel(a blokk sorszma a kornak

megfelel helyen l l )

= kor szer int i megel

zsi mtr ix alapjn; ( i , j ) -dikelem = 1, ha az i -dik blokk f iatalabb a j -diknl .

Adategyez sg biztos tsa

Feladat : a cache- tr s a f tr tar talmnak azonoss-gt biztos tani MESI protokoll

cmsn

adatsn

cache-tr ftr

'tag'-rsz adatrsz

cm-dek-dol

trol

processzor

A adat183 183

(183) hit

cache-

processzor oldal

(B adat)

DMA

A adat

(A adat)

(183)

(63.bra)

Meghatroz: = az alkalmazott visszarsi technika,= a cache- tr s t rukturl is helye.

3 .3 .5 .V i r t u l i s t r k eze l s




105/160

a . )Alapproblma

- a vgrehaj ts alat t l l programnak s a hozztar-

toz adatoknak a kzponti trban kel l lennik kzvet len cmzs emullsa, v i r t u l i s c m .

Plda:

teljestrol-terlet ftr

0

4

8

12

60

64

52

56

0

4

8

lekpzs: 56*1024 4*1024

relatv cm = 1780fizikai cm = 4096+1780 = 5876

virtulis cm: 59124relatv cm = 59124-56*1024 = 1780

Vals cmek(fizikai cmtartomny)

Virtulis cmek(logikai cmtartomny)

(64.bra)




106/160

- vir tul is cm, trkezels lnyege= az aktul isan nem szksges programrszek,

adatok valamilyen ht tr troln vannak; ignyszer int betl tve,

= ltszlagos(vir tul is) cmmel elrve.- f izikai cm el l l tsa(MMU - Memory ManagementUnit) : szegmens- , s/vagy laptbla seg tsgvel :

tblzat alapjn megvals tot t indirekt cmzs. tar talma: = logikai szegmens( lap) sorszm,

= kezd cm,= mret ,

= hozzfrsi jog,= mdos ts jelz , s tb .

A cmford ts(cmlekpzs) elve:

sorszm rel.cm(offset)

20

pontos (fizikai) cm:

1M-1

32

virtulis cm

sorszm blokk fizikaikezdcme

14 1780

sorszm blokk fizikaikezdcme

14 4096

14*4096 = 5734412

5876pontos (fizikai) cm

20 12

32

32 32

(65 .bra )

Cse rny : Szg . a r ch . 2005 /06 106



107/160

b.)Szegmens, lap fogalma

szegmens : mrete vl toz, t lapold is lehet

= cmzs: logikai cm=szgm.ssz.+rel .cmfizikai cm=bziscm+rel .cmszgm.log.sorszm szgm.tbla bziscm

= szegmens betl tsi s t ratgik:- els szabad helyre(f irs t f i t ) ,- kvetkez szabad helyre(next f i t ) ,- legjobb helyre(best f i t )

maradk hely minimlis ,- legrosszabb helyre(worst f i t )

maradk hely maximlis .- id nknt trendezs(garbage col lect ion) kel l !

lap : mrete azonos, nem t lapold(512B-8kB)(page, f rame)

= cmzs: logikai cm=lapssz.+rel .cmfizikai cm=bzis( lapkeret)cm+rel .cm

lapsorszm laptbla bzis( lapkeret)cm

= lapvl ts: krsre(demand paging)

page faul t t rap adatworking set = az ppen hasznl t lapok= lapvl ts mdja: - vlet lenszer ,

- legrgebbi(FIFO),- LRU(least recently used)




108/160

szegmens- s lapvl ts cskkentse: = megfelel programozstechnikval

s t rukturl t , objektum-orientl t programozs= lokl is vl tozk hasznlatval , s tb .

c . )Vir tul is cmek lekpzse

Gyakorlat i lag, tblzat seg tsgvel megvals tot t ,egy- , vagy tbblpcs s indirekt cmzs;szegmens- s laptbla ( rszeinek) trolsa:

cache-ben Translat ion Lookaside Buffers(TLBs)

Egylpcs s cmkpzs

Szegmenscmzs

virtulis cm

sorszm relatv cm

szegmenssorszm

szegmensfizikai cme

max. 255pontos(fizikai)

cm

szegmenskezdet

8 24

32

32

szegmenstbla

valstrol

(66.bra)




109/160

Szegmenscmzsnl :szegmens maximlis mrete = 16MB

Szegmenscmzs szegmensregiszter a lapjn - szegmenstbla a f trban(i386, i486)- maximum szegmensmret = 4GB

virtulis cm

relatv cm

szegmenssorszm szegmensfizikai cme

max. 64K-1

pontos(fizikai)

cm

szegmenskezdet

32

32

szegmenstbla

valstrol

llapot jelz

szgm.ssz.reg.2

32

16

(67.bra)




110/160

Lapcmzs

max. 1M-1

sorszmlap- lapkeret

sorszm

virtulis cm

lapsorszm relatv cm

pontos(fizikai)

cm

20

32

laptbla

valstrol

lapkeretkezdet

12

20

(68.bra)Lapcmzsnl :

lapmret : 512 byte - 8 KB laptbla > 1 MBaktul is rsz: cache- trban




111/160

Tbblpcs s cmkpzs

Tbblpcs s lapcmzs

kt lpcs

s vl tozat virtulis cm

pontos(fizikai)cm

20 32

laptblzatok

valstrol

lapkeretkezdet

12

laptblzatkatalgus

tbla

sorsz.lap- lapkeret

sorszm

lapkeretsorszmsorsz.lap-

1023

1023

1023

lapsorszm relatv cmszgm.ssz.

szgm.ssz.

laptblzatlapkeret ssz.

10 10

20

(69.bra)




112/160

hromlpcs s vl tozat

virtulis cm

pontos(fizikai)

cm

32

laptblzatok

valstrol

lapkeretkezdet

12

sorsz.lap- lapkeret

sorszm

lapkeretsorszmsorsz.

lap-

relatv cm

20

root-pointer

lapkat.ssz.

laptblassz.

lap-ssz.

lapkatalguskezdete

lapkat.ssz.

laptblzatkatalgustbla

laptblzatlapkeret ssz.

laptblassz.

127

127

7 7 6

63

63

20(32)

20(32)

20(32)ftblzat

(70.bra)

csak a f tbla van a f trban= kezd cme(root-pointer) ,= hossza kln regiszterben,

id ignyes: csak az aktul is adatokat trol jk acache-ben(TLB).pldk: 2- lpcs s: i860, MC88000, NS32532,

3- lpcs s: MC68040, Z80000,5- lpcs s: MC68030




113/160

Tbblpcs s szegmentl t lapcmzs

kt lpcs s vl tozat

virtulis cm

pontos(fizikai)

cm

32

szegmenstbla

valstrol

llapot jelz

szgm.ssz.reg.2

32

szegmenskezdcme

szgm.ssz.

virtulis cm

relatv cmlapsorszm

lap-ssz.

lapkeretsorszm

16

3264K-1

1M-1

lapkeretkezdetlaptblzat20

20

12

32

(71.bra)




114/160

hromlpcs s vl tozat :

virtulis cm

pontos(fizikai)

cm

20 32

laptblzatok

valstrol

lapkeretkezdet

12

laptblzatkatalgus

tbla

sorsz.lap- lapkeretsorszm

lapkeretsorszmsorsz.

dr cserny laszlo szamitogep architekturak i eloadasjegyzet 2006

Documents