Moderne Rechner- Architekturen Referenten: Albert Maas Peter Oberhofer

Moderne Rechner-Architekturen

Referenten: Albert Maas

Peter Oberhofer

Moderne Rechner-Architekturen

Präsentationsfahrplan:

- Von-Neumann-Konzept

- RISC-Architektur

- Fließbandverarbeitung

- CISC-Architektur

- Kombination von RISC und CISC

- Zukünftige Entwicklungen

Moderne Rechner-Architekturen

Von-Neumann-Konzept

Moderne Prozessoren folgen grundsätzlich dem

RW

- Rechenwerk

- HauptspeicherHS

- Ein-/Ausgabewerk

E/A

- Leitwerk

Leitwerk

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Anpassungen:

- ErweiterungE/ARWHS

Leitwerk

z. B. Rechenwerk und Ein-/Ausgabewerk

- Vervielfachung RW...

E/A...

• Busse

Bus

• Caches

Cache

• Spezialspeicher

SS

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Im Wesentlichen kann man alle gängigen Prozessorarchitekturen in zwei Klassen

unterteilen:

RiscCisc Risc= Reduced Instruction Set Computer

Moderne Rechner-Architekturen

Eigenschaften:

- elementare, kleine Befehlssätze

- Load-/Store-Architektur

• Operanden holen und Operation ausführen in einem Takt• große Registersätze

• Compiler nur einen kleinen Teil nützen• weniger Fallunterscheidungen beim Decodieren => kürzere Taktzyklen• Synergie Compilerbau-Rechnerarchitektur

, da

- einheitliches Befehlsformat

- Fließbandtechnik• redundante Informationen: hoher Speicherverbrauch aber schnellere Decodierung• festverdrahtete Leitwerke

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Registerorganisation

Stanford

...

Physische Registersätze

global

logische Registersätze

lokal1

lokal2

Berkeley

...

2.Schritt3.Schritt4.Schritt5.Schritt1.Schritt

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Fließbandverarbeitung (Pipelining)

- die einzelnen Fasen des Maschinenbefehlszyklus werden von verschiedenen Teilwerken ausgeführt

1.TW 2.TW 3.TW 4.TW 5.TW

BH BD OH BA ES Fasen eines Befehls

54321

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1.TW

2.TW

3.TW

4.TW

5.TW

Leistungssteigerung erst durch gleichzeitiges Arbeiten der einzelnen Teilwerke

... Schritte

BH BD OH BA ES

BH BD OH BA ES

BH BD OH BA ES

BH BD OH BA ES

...

BH BD OH BA ES

1.Befehl

2.Befehl

3.Befehl

4.Befehl

5.Befehl

Problem: Fließbandhemmnisse

Moderne Rechner-Architekturen

- jeder Unterprozessor bearbeitet einen Befehl der Gruppe

BH BD OH BA ESBH BD OH BA ES

BH BD OH BA ES

1.Befehl2.Befehl3.Befehl

} 1.Gruppe

Superskalare Mikrochips:

- Befehlsgruppierer gruppiert Befehle

- mehrere Unterprozessoren

}BH BD OH BA ESBH BD OH BA ES

BH BD OH BA ES

4.Befehl5.Befehl6.Befehl

2.Gruppe

...

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Beschleunigung der einzelnen Fasen des Maschinenbefehlszyklus

Befehlsholfase

- Verwendung von Caches

Zugriffszeiten:

1-5 Takte für interneMehrere Dutzend für externe

- Fifo-Befehlspuffer, um Befehle in einem Takt zu holen

Problem: Sprünge

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Lösungsansätze:

- Sprungzielspeicher

- Verzögerter Sprung bzw. Aufruf

- Spekulative Ausführung

- Bedingte Ausführung

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Decodierfase

- Vereinfachter Befehlssatz und Art der Speicherung => keine µ-Programmierung

- Vereinfachte Befehle, wenn möglich in einem Takt ausführbar

- Load-/Store-Architektur: Nur Register als Operanden

- vereinfachtes Befehlsformat

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Operandenholfase

- Load-/Store-Architektur: Speicher-zugriffe mittels expliziten Befehlen

- Redundante Speicherung von Daten

- Drei-Adress-Prinzip: Wiederverwendung von Ergebnissen

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Problem: Fließbandhemmnisse durch Datenabhängigkeit

- expliziter Speicherzugriff

- Ergebnis des vorhergehenden Befehls wird benötigt

Lösung: Abkürzende Datenpfade

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Ausführungsfase

- Die verschiedenen Alus dürfen gleichzeitig mehrere Befehle ausführen (superskalare Rechenwerke)

- Befehle dürfen heute bei Risc-Prozessoren mehr als einen Takt benötigen

=> mehr Verwaltungsaufwand für das Leitwerk, aber clocks per instruction (CPI) < 1

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Rückschreibfase

- Beschleunigt durch Load-/Store-Prinzip

- Bei expliziten Speicherzugriffen:Caches und Schreibpuffer

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Adressierungsfase

- aufgrund der Fließbandverarbeitung sind mehrere Befehlszähler nötig

- bei sequentieller Fortschaltung nur Erhöhung um einheitliches Befehlsformat notwendig

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CISC -Architektur

CISC bedeutet: Complex Instruction Set Computer

Überersetzt heißt das: Computer (Prozessor) mit komplexem Befehlssatz

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Arbeitsweise eines CISC-Prozessors

CISC-BefehleDekoder-Einheit

Mikrocode

Nanoprozessor

Moderne Rechner-Architekturen

Eigenschaften:

- umfangreiche Maschinenbefehlssätze

- viele Adressierungsarten

- Familienkonzept (Abwärtskompatibilität)

- Leitwerk ist mikroprogrammiert

- Trennung von Befehlssatz, Implementierung und Realisierung

- uneinheitliches Befehlsformat

Moderne Rechner-Architekturen

Kompatibilität und Familienbildung

- Kompatibilität zu Vorgängern

-Unterschiede nur in der Implementierung und in der Realisierung

CISC-Prozessoren:

- 808x und 80x86 von Intel

- 680x0 von Motorola

- Macintosh, Amiga und Atari

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Komplexbefehle und Mikroprogrammierung

- M.V.Wilkes im Jahr 1953

- die Mikroprogrammierung ist die Brücke zwischen Hardware und Software

Moderne Rechner-Architekturen

Kombination von RISC und CISC

- RISC -> hohe Leistung, allerdings keine Familienbildung

- CISC -> trotz geringerer Leistung Marktführer

- allerdings wurden RISC-Techniken mit einbezogen

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Zukünftige Entwicklungen

- VLIW

- Vielfädigkeit

- Netzwerkprozessor

- Multiprozessortechnik

Moderne Rechner-Architekturen

VLIW – VERY LONG INSTRUCTION WORD

- optimale Ausnutzung der parallelen Einheiten

- Ansteuerung der Einheiten erfolgt statisch und direkt

- bis zu 1000Bit langer Opcode

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VLIW – Zusammensetzung

Unterbefehl/Operation 1

Unterbefehl/Operation 2

...Unterbefehl/Operation n

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VLIW – VerarbeitungsstufenV

LIW

-Hole

n

Deco

die

ren

RegisterLesen

RegisterLesen

RegisterLesen

...

Operation 1

Operation 2

Operation n

RegisterSchreiben

RegisterSchreiben

RegisterSchreiben

...

...

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VLIW – Vorteile

- Parallelisierung erfolgt beim Kompilieren

- auf ganzes Programm anwendbar

- theoretisch n-fache Leistungssteigerung

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VLIW – Nachteile

- hochredundanter Code

- Anzahl der Rechenwerke

- Applikationen nicht voll Parallelisierbar

- Nicht-VLIW nicht lauffähig oder langsam

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VLIW – Beispiel Pentium 4

Vielfädigkeit

- Programm wird in Teilprogramme Zerlegt

- Teilprogramme -> Fäden

- jeder Teilprozessor kann einen dieser Fäden abarbeiten

Moderne Rechner-Architekturen

Netzwerkprozessor

- World Wide Web optimiert

- Rechnerressourcen werden vom WWW geholt

- Beispiel ist die JVM

Moderne Rechner-Architekturen

Multiprozessortechnik

- Großrechnerbetrieb

- mehrprozessorfähiges Betriebsystem

- spezielle Anwendungen nötig

Moderne Rechner-Architekturen

- Leistungssteigerung von 30% bis 95%

Danke für ihre Aufmerksamkeit