Αρχιτεκτονική Υπολογιστών

Slides:



Advertisements
Παρόμοιες παρουσιάσεις
Pipeline: Ένα παράδειγμα από ….τη καθημερινή ζωή
Advertisements

Δυναμική Δρομολόγηση Εντολών (Dynamic Scheduling)
Υποθετική Εκτέλεση Εντολών (Hardware-Based Speculation)‏
O επεξεργαστής: Η δίοδος δεδομένων (datapath) και η μονάδα ελέγχου (control) Σχεδίαση datapath 4 κατηγορίες εντολών: Αριθμητικές-λογικές.
Ανίχνευση κίνδυνου Επίλυση με προώθηση. Μπλέ: Εξαρτήσεις. Εξαρτήσεις προς προηγούμενα CC είναι κίνδυνοι δεδομένων Kόκκινο: Προώθηση IF/ID ID/EX EX/MEM.
Λύση: Multicycle υλοποίηση Single-cyle υλοποίηση: Διάρκεια κύκλου ίση με τη μεγαλύτερη εντολή-worst case delay (εδώ η lw) = χαμηλή.
Δυναμική Δρομολόγηση Εντολών (Dynamic Scheduling)
© Pipeline: Ένα παράδειγμα από ….τη καθημερινή ζωή 1.Πλυντήριο 2.Στεγνωτήριο 3.Δίπλωμα 4.αποθήκευση 30 min κάθε «φάση» Σειριακή προσέγγιση.
1 Pipeline: Ένα παράδειγμα από ….τη καθημερινή ζωή 1.Πλυντήριο 2.Στεγνωτήριο 3.Δίπλωμα 4.αποθήκευση 30 min κάθε «φάση» Σειριακή προσέγγιση για 4 φορτία.
Υπερβαθμωτή (superscalar) Οργάνωση Υπολογιστών
Υπερβαθμωτή Οργάνωση Υπολογιστών. Περιορισμοί των βαθμωτών αρχιτεκτονικών Μέγιστο throughput: 1 εντολή/κύκλο ρολογιού (IPC≤1) Υποχρεωτική ροή όλων των.
Εισαγωγή Σύνοψη βασικών εννοιών, 5-stage pipeline, επεκτάσεις για λειτουργίες πολλαπλών κύκλων.
© Processor-Memory (DRAM) Διαφορά επίδοσης Performance
1 Αναβάθμισης Προγράμματος Σπουδών Τμήματος Πληροφορικής Τ.Ε.Ι Θεσσαλονίκης Μάθημα Προηγμένες Αρχιτεκτονικές Υπολογιστών Κεφαλαίο Τέταρτο Οι κίνδυνοι της.
Υπερβαθμωτή (superscalar) Οργάνωση Υπολογιστών.
6/15/2015HY220: Ιάκωβος Μαυροειδής1 HY220 Static Random Access Memory.
ΗΥ Παπαευσταθίου Γιάννης1 Clock generation.
ΗΥ Καλοκαιρινός Γιώργος1 PCI Bus Pin List. ΗΥ Καλοκαιρινός Γιώργος2 Initiator Target.
ΗΥ Καλοκαιρινός Γιώργος1 Bus. ΗΥ Καλοκαιρινός Γιώργος2 MCS51.
6/26/2015HY220: Ιάκωβος Μαυροειδής1 HY220 Asynchronous Circuits.
Week 11 Quiz Sentence #2. The sentence. λαλο ῦ μεν ε ἰ δότες ὅ τι ὁ ἐ γείρας τ ὸ ν κύριον Ἰ ησο ῦ ν κα ὶ ἡ μ ᾶ ς σ ὺ ν Ἰ ησο ῦ ἐ γερε ῖ κα ὶ παραστήσει.
Προσομοίωση Δικτύων 4η Άσκηση Σύνθετες τοπολογίες, διακοπή συνδέσεων, δυναμική δρομολόγηση.
ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ Η/Υ Κ.ΑΛΑΦΟΔΗΜΟΣ καθηγητής Δ.Παπαχρήστος μέλος ΕΔΙΠ ΑΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΤΤ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Α ΙΓΑIΟΥ & ΑΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ Τ.Τ.
Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ενότητα # 3: Ιεραρχία Μνήμης Διδάσκων: Γεώργιος Κ. Πολύζος Τμήμα: Πληροφορικής.
Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ενότητα # 2: Datapath & Control Διδάσκων: Γεώργιος Κ. Πολύζος Τμήμα: Πληροφορικής.
Ψηφιακά Παιχνίδια και μάθηση Δρ. Νικολέτα Γιαννούτσου Εργαστήριο Εκπαιδευτικής Τεχνολογίας.
Διαχείριση Διαδικτυακής Φήμης! Do the Online Reputation Check! «Ημέρα Ασφαλούς Διαδικτύου 2015» Ε. Κοντοπίδη, ΠΕ19.
Chapter 16 Control Unit Implemntation. A Basic Computer Model.
Μαθαίνω με “υπότιτλους”
Υπερβαθμωτή (superscalar) Οργάνωση Υπολογιστών
O επεξεργαστής: Η δίοδος δεδομένων (datapath) και η μονάδα ελέγχου (control) 4 κατηγορίες εντολών: Αριθμητικές-λογικές εντολές (add, sub, slt κλπ) –R Type.
Αντικειμενοστραφής Προγραμματισμός ΙΙ
ΤΕΧΝΙΚΕΣ Αντικειμενοστραφουσ προγραμματισμου
Υποθετική Εκτέλεση Εντολών (Hardware-Based Speculation)‏
Lab 4 Εισαγωγή στον προγραμματισμό Assembly ARM
JSIS E 111: Elementary Modern Greek
Εξέλιξη Υπολογιστικών Συστημάτων
Είδη των Cache Misses: 3C’s
Single-cyle υλοποίηση:
Υπερβαθμωτή (superscalar) Οργάνωση Υπολογιστών
Class X: Athematic verbs II
Υπερβαθμωτή (superscalar) Οργάνωση Υπολογιστών
Παράγοντες που επηρεάζουν την επίδοση της CPU
ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΑΘΛΗΤΙΚΗΣ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ
Pipeline: Ένα παράδειγμα από ….τη καθημερινή ζωή
O επεξεργαστής: Η δίοδος δεδομένων (datapath) και η μονάδα ελέγχου (control) 4 κατηγορίες εντολών: Αριθμητικές-λογικές εντολές (add, sub, slt κλπ) –R Type.
Θέματα Φεβρουαρίου
Εντολές Δικτύων Command Line.
Single-cyle υλοποίηση:
Υπερβαθμωτή (superscalar) Οργάνωση Υπολογιστών
Μία πρακτική εισαγωγή στην χρήση του R
ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Ι
Άσκηση Pipeline 1 Δεδομένα Έχουμε ένα loop... Rep: lw $2,100($3)
Είδη των Cache Misses: 3C’s
Advanced Computer Architectures Cache Memories
Υπερβαθμωτή (superscalar) Οργάνωση Υπολογιστών
Single-cyle υλοποίηση:
O επεξεργαστής: Η δίοδος δεδομένων (datapath) και η μονάδα ελέγχου (control) 4 κατηγορίες εντολών: Αριθμητικές-λογικές εντολές (add, sub, slt κλπ) –R Type.
Είδη των Cache Misses: 3C’s
Single-cyle υλοποίηση:
Single-cyle υλοποίηση:
Είδη των Cache Misses: 3C’s
O επεξεργαστής: Η δίοδος δεδομένων (datapath) και η μονάδα ελέγχου (control) 4 κατηγορίες εντολών: Αριθμητικές-λογικές εντολές (add, sub, slt κλπ) –R Type.
CPSC-608 Database Systems
Erasmus + An experience with and for refugees Fay Pliagou.
O επεξεργαστής: Η δίοδος δεδομένων (datapath) και η μονάδα ελέγχου (control) 4 κατηγορίες εντολών: Αριθμητικές-λογικές εντολές (add, sub, slt κλπ) –R Type.
Υπερβαθμωτή (superscalar) Οργάνωση Υπολογιστών
Άσκηση Pipeline 1 Δεδομένα Έχουμε ένα loop... Rep: lw $2,100($3)
Class X: Athematic verbs II © Dr. Esa Autero
Ανίχνευση Προσωρινών Σφαλμάτων μέσω Ταυτόχρονης Πολυνηματικής Εκτέλεσης (Transient Fault Detection via Simultaneous Multithreading) «Προχωρημένα Θέματα.
Μεταγράφημα παρουσίασης:

Αρχιτεκτονική Υπολογιστών ΗΥ425 Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Tomasulo Register Renaming Ιάκωβος Μαυροειδής

Επεξεργαστής DLX 4 Instruction Fetch Instr. Decode Reg. Fetch Execute Addr. Calc Memory Access Write Back MUX Next PC ID/EX MEM/WB EX/MEM IF/ID Adder Return PC (Addr + 8) 4 Adder Branch? Imm Opcode PC RS1 Εντολών Μνήμη Reg File MUX ALU Δεδομένων Μνήμη RS2 MUX MUX Sign Extend Imm WB Data RD RD RD

Αρχιτεκτονική Scoreboard (CDC 6600) FP Mult FP Divide FP Add Integer Registers Functional Units SCOREBOARD Memory

CDC 6600 Scoreboard Speedup 1.7 from compiler; 2.5 by hand BUT slow memory (no cache) limits benefit Limitations of 6600 scoreboard: No forwarding hardware Limited to instructions in basic block (small window) Small number of functional units (structural hazards), especially integer/load store units Do not issue on structural hazards Wait for WAR hazards Prevent WAW hazards

Another Dynamic Algorithm: Tomasulo Algorithm IBM 360/91 3 χρόνια μετά από CDC 6600 (1966) Στόχος: High Performance without special compilers Διαφορές μεταξύ IBM 360 & CDC 6600 ISA IBM has 4 FP registers vs. 8 in CDC 6600 IBM has memory-register ops Γιατί το μελετάμε? lead to Alpha 21264, HP 8000, MIPS 10000, Pentium II, PowerPC 604, …

Παράδειγμα Scoreboard : Κύκλος 17 WAR Hazard! Γιατί να μην γραφτούν τα αποτελέσματα της ADD???

Tomasulo Algorithm vs. Scoreboard Control λογική & buffers κατανεμημένα με τα Function Units (FU) vs. κεντρικοποιημένα στο scoreboard; FU buffers ονομάζονται “reservation stations”; έχουν τις τιμές των μεταβλητών προς εκτέλεση. Οι Source Registers στις εντολές αντικαθιστόνται από τιμές ή pointers στα reservation stations(RS); ονομάζεται register renaming ; αποφεύγει WAR, WAW hazards Περισσότερα reservation stations από πραγματικούς registers (so can do optimizations compilers can’t) Αποτελέσματα στα FU από τα RS, όχι μέσω του register file, πάνω από το Common Data Bus που κάνει broadcasts τα αποτελέσματα σε όλα τα FUs Load and Stores treated as FUs with RSs as well Integer instructions can go past branches, allowing FP ops beyond basic block in FP queue

Tomasulo Organization FP Op Queue FP Registers From Mem Load Buffers Load1 Load2 Load3 Load4 Load5 Load6 Store Buffers Add1 Add2 Add3 Mult1 Mult2 Resolve RAW memory conflict? (address in memory buffers) Integer unit executes in parallel Reservation Stations To Mem FP adders FP multipliers Common Data Bus (CDB)

Three Stages of Tomasulo Algorithm 1. Issue—πάρε εντολή από την FP Op ουρά Αν υπάρχει ελεύθερο reservation station (no structural hazard), issue instr & send operands (renames registers). 2. Execution—εκτέλεση στην αριθμητική μονάδα (EX) Όταν και οι τιμές των δύο μεταβλητών είναι έτοιμες άρχισε εκτέλεση. Αν δεν είναι έτοιμες, watch Common Data Bus for result 3. Write result—Τέλος εκτέλεσης (WB) Γράψε αποτέλεσμα στο Common Data Bus για όλες τις μονάδες που περιμένουν; mark reservation station available Συνηθισμένο data bus: data + destination (“go to” bus) Common data bus: data + source/res. station tag (“come from” bus). Ένας Master πολλοί Slaves 64 bits of data + 4 bits of Functional Unit source address Write if matches expected Functional Unit (produces result) Does the broadcast

Reservation Station Components Busy: Δείχνει αν το reservation station είναι busy ή όχι. Op: Λειτουργία προς εκτέλεση στην μονάδα (e.g., + or –) Vj, Vk: Τιμή του Source Register Store buffers έχουν ένα πεδίο V field, τιμή προς αποθήκευση Qj, Qk: Reservation stations που παράγουν source registers (value to be written) Note: No ready flags as in Scoreboard; Qj,Qk=0 => ready Store buffers only have Qi for RS producing result Register result status Δείχνει ποιο functional unit θα γράψει κάθε register, αν υπάρχει κανένα. Blank when no pending instructions that will write that register. What you might have thought 1. 4 stages of instruction executino 2.Status of FU: Normal things to keep track of (RAW & structura for busyl): Fi from instruction format of the mahine (Fi is dest) Add unit can Add or Sub Rj, Rk - status of registers (Yes means ready) Qj,Qk - If a no in Rj, Rk, means waiting for a FU to write result; Qj, Qk means wihch FU waiting for it 3.Status of register result (WAW &WAR)s: which FU is going to write into registers Scoreboard on 6600 = size of FU 6.7, 6.8, 6.9, 6.12, 6.13, 6.16, 6.17 FU latencies: Add 2, Mult 10, Div 40 clocks

Tomasulo Example

Tomasulo Example Cycle 1

Tomasulo Example Cycle 2 Note: Unlike 6600, can have multiple loads outstanding

Tomasulo Example Cycle 3 Note: registers names are removed (“renamed”) in Reservation Stations; MULT issued vs. scoreboard Load1 completing

Tomasulo Example Cycle 4 Load2 completing

Tomasulo Example Cycle 5

Tomasulo Example Cycle 6 Issue ADDD here vs. scoreboard?

Tomasulo Example Cycle 7 Add1 completing; what is waiting for it?

Tomasulo Example Cycle 8

Tomasulo Example Cycle 9

Tomasulo Example Cycle 10 Add2 completing; what is waiting for it?

Tomasulo Example Cycle 11 Write result of ADDD here vs. scoreboard? All quick instructions complete in this cycle!

Tomasulo Example Cycle 12

Tomasulo Example Cycle 13

Tomasulo Example Cycle 14

Tomasulo Example Cycle 15

Tomasulo Example Cycle 16

Faster than light computation (skip a couple of cycles)

Tomasulo Example Cycle 55

Tomasulo Example Cycle 56 Mult2 is completing; what is waiting for it?

Tomasulo Example Cycle 57 Once again: In-order issue, out-of-order execution and completion.

Compare to Scoreboard Cycle 62 Why take longer on scoreboard/6600? Structural Hazards Lack of forwarding

Tomasulo Loop Example Loop:L.D F0 0 R1 MULT.D F4 F0 F2 S.D F4 0 R1 while (R1 > 0) { MEM[R1] = MEM[R1] * F2; R1 -= 8;} Loop:L.D F0 0 R1 MULT.D F4 F0 F2 S.D F4 0 R1 SUBI R1 R1 #8 BNEZ R1 Loop Assume Multiply takes 4 clocks Assume first load takes 8 clocks (cache miss), second load takes 1 clock (hit) and stores take 1 clock (hit) To be clear, will show clocks for SUBI, BNEZ Reality: integer instructions ahead

Loop Example

Loop Example Cycle 1

Loop Example Cycle 2

Loop Example Cycle 3 Implicit renaming sets up “DataFlow” graph

Loop Example Cycle 4 Dispatching SUBI Instruction

Loop Example Cycle 5 And, BNEZ instruction

Loop Example Cycle 6 Notice that F0 never sees Load from location 80

Loop Example Cycle 7 Register file completely detached from computation First and Second iteration completely overlapped

Loop Example Cycle 8

Loop Example Cycle 9 Load1 completing: who is waiting? Note: Dispatching SUBI

Loop Example Cycle 10 Load2 completing: who is waiting? Note: Dispatching BNEZ

Loop Example Cycle 11 Next load in sequence

Loop Example Cycle 12 Why not issue third multiply? Structural hazard

Loop Example Cycle 13

Loop Example Cycle 14 Mult1 completing. Who is waiting?

Loop Example Cycle 15 Mult2 completing. Who is waiting?

Loop Example Cycle 16

Loop Example Cycle 17

Loop Example Cycle 18

Why can Tomasulo overlap iterations of loops? Register renaming Multiple iterations use different physical destinations for registers (dynamic loop unrolling). Reservation stations Permit instruction issue to advance past integer control flow operations

Tomasulo v. Scoreboard (IBM 360/91 v. CDC 6600) Pipelined Functional Units Multiple Functional Units (6 load, 3 store, 3 +, 2 x/÷) (1 load/store, 1 + , 2 x, 1 ÷) window size: ≤ 14 instructions ≤ 5 instructions No issue on structural hazard same WAR: renaming avoids stall completion WAW: renaming avoids stall issue Broadcast results from FU Write/read registers Control: reservation stations central scoreboard

Tomasulo Drawbacks Complexity delays of 360/91, MIPS 10000, IBM 620? Many associative stores (CDB) at high speed Performance limited by Common Data Bus Multiple CDBs => more FU logic for parallel assoc stores