Vorlesung Rechnerarchitektur. Einführung

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1 Vorlesung Rechnerarchitektur Einführung

2 Themen der Vorlesung Die Vorlesung entwickelt an Hand von zwei Beispielen wichtige Prinzipien der Prozessorarchitektur und der Speicherarchitektur: MU0 Arm Speicher Im Kapitel Mehrkern-Prozessoren werden wichtige und erfolgreiche Entwicklungen zur Steigerung der Prozessorleistung logisch und historisch skizziert 2

3 Themen der Vorlesung MU0 Didaktischer Computer der Manchester University Realisiert einen Rechner nach dem Prinzip des minimalen Hardwareaufwandes, ist deshalb so übersichtlich und didaktisch gut verwendbar Von Neumann Architektur von 1948 Minimaler Hardwareaufwand war wegen der Hardwarekomponenten (Röhren) notwendig MU0 realisiert eine Akkumulatorarchitektur, die einfachste der in der Vorlesung vorkommenden Architekturen 3

4 Themen der Vorlesung MU0 Er verfügt über einen sehr kleinen Befehlssatz Das ermöglicht, in der Vorlesung und im Praktikum zusätzliche Befehle zu implementieren Abläufe der Befehlsausführung, wie sie prinzipiell in allen Prozessoren stattfinden, werden dabei verständlich! 4

5 Themen der Vorlesung MU0 Hardware-Erweiterungen Durch Hardware-Erweiterungen in mehreren Schritten (MU0-2 MU0-8) wird der Prozessor auf Leistung optimiert Er wandelt sich von der Akkumulatorarchitektur zur modernen Register-Register Architektur mit Phasenpipelining Der MU0-8 ist dem realen Arm 7 sehr ähnlich! 5

6 Themen der Vorlesung ARM 7 Prozessor ARM ist der Prozessor mit dem höchsten Verbreitungsgrad weltweit Ist eingebaut in Smartphones, Tablets, Fernbedienungen, embeddes systems aller Art wie Navigationssysteme etc ARM 7 ist ein RISC Prozessor mit LOAD-STORE und Register-Register Architektur In diesem Zusammenhang werden die Eigenschaften von RISC und CISC Architekturen gegenübergestellt Am Beispiel des ARM 7 Prozessors wird in erster Linie die Befehslsatzarchitektur behandelt Der Zusammenhang zwischen Hardware und Befehlssatz soll erfahrbar werden (Der Befehlssatz spiegelt die Hardware des Prozessors!)! 6

7 Themen der Vorlesung ARM 7 Prozessor In der Vorlesung werden die Befehle erläutert, im Praktikum wird die Anwendung eingeübt Prozessoren dekodieren die auszuführenden Befehle (was soll gemacht werden? ) aus dem Opcode der Befehle Die Befehle werden vom Compiler für den Prozessor kodiert Der Zusammenhang wird am Befehlsformat des ARM mehrfach erläutert Softwaretechniken wie Aufruf einer (Unter)Funktion benötigen hardwareseitige Unterstützung Register retten und Parameterübergabe benötigen einen Stack und dessen Verwaltung Der ARM bietet dafür flexible Möglichkeiten, die Gegenstand von Vorlesung und Praktikum sind Das Link Register unterstützt die optimale Rückkehr aus einer Blattfunktion APCS ARM spezifische Konvention bei Aufruf einer Funktion zur Optimierung des Aufwandes zum Retten der Register 7

8 Themen der Vorlesung Speicher Sind Bausteine zum speichern von Programmen und deren (zu verarbeitende) Daten Speicher sollen groß und schnell im Zugriff sein Die Techniken, die das ermöglichen (Speicherhierarchie mit Caches) werden eingehen betrachtet Die Anforderungen von Multiuser und Multitasking Systemen führen zum sogenannten virtuellen Speicher mit einer Hardwareeinrichtung namens Memory Management Unit Der virtuelle Speicherverwaltung ist ein eigenes Kapitel gewidmet 8

9 Themen der Vorlesung Mehrkern Architekturen Das Prinzip des minimalen Hardware-Aufwandes ist schon lange obsolet (Moores Law) Heute lautet die Frage, was fängt man mit den zig Millionen und Abermillionen Transistoren in einem Prozessorchip vernünftiges an? Thema dabei sind Phasenpipelinig, Funktionspipelining, Out of Order Execution, symetrisches Multithreading und Mehrkern-Prozessoren 9

10 Was ist und wie arbeitet ein Prozessor eine begriffliche Annäherung Prozessoren (CPUs) führen Programme aus Programme liegen im Speicher und bestehen aus Befehlen und Daten CPU muss einen Befehl aus dem Speicher holen (zb B= B+1;) CPU muss wissen, wo der Befehl im Speicher steht Diese Adresse steht in einem Speicherbaustein der CPU, dem PC (Program Counter) CPU PC Speicher Programm (Code) 1 Befehl 2 Befehl n Befehl a c b 10

11 Was ist und wie arbeitet ein Prozessor eine begriffliche Annäherung Die Idee ist: Die Befehle liegen in aufsteigender Reihenfolge im Speicher Der PC wird nach jedem Befehl so erhöht, dass er auf die Adresse des nächsten Befehls zeigt Die Idee heißt Befehlszählerprinzip Der PC ist ein Speicherbaustein, den man ein Register nennt CPU PC Speicher Programm (Code) 1 Befehl 2 Befehl n Befehl a c b 11

12 Was ist und wie arbeitet ein Prozessor eine begriffliche Annäherung Exkurs: Register Register sind Bausteine, die binäre Informationen (n bits) speichern und wieder ausgeben können Register unterscheiden sich ua darin, wie viele zb ein 8 Bit breites Register: Bits sie speichern können Ob 4,8,16,32,64 oder 128 Bit Man muss steuern können, wann sie Daten aufnehmen (lesen) oder ausgeben (schreiben) Dafür gibt es Steuerleitungen, sind sie aktiv, findet die jeweilige Aktion statt ie = input enable = Daten aufnehmen oe = output enable = Daten ausgeben Register zb ie oe 12

13 Was ist und wie arbeitet ein Prozessor eine begriffliche Annäherung Die CPU liest den 1 Befehl aus dem Speicher CPU muss sich den Befehl merken (merken = speichern), dafür benötigt sie einen Befehlsspeicher, ein Instruktions Register (IR) CPU PC IR Speicher Programm (Code) 1 Befehl 2 Befehl n Befehl Jetzt muss die CPU ermitteln, welcher Befehl Dekodierer a c b ausgeführt werden soll (zb eine bestimmte arithmetische Operation) Diese Analyse benötigt einen Baustein namens Befehlsdekodierer Die CPU hat jetzt einen Befehl geholt und weiss was zu tun ist! 13

14 Was ist und wie arbeitet ein Prozessor eine begriffliche Annäherung Nehmen wir wieder an, der Befehl lautet B=B+1 Um diesen auszuführen, muß die Variable B in die CPU geladen werden um danach eine 1 zu addieren CPU PC IR Akku Speicher Programm (Code) 1 Befehl 2 Befehl n Befehl Wo die Variable B steht, muss offensichtlich im Befehl stehen, also in IR Dekodierer a c b B wird jetzt in die CPU geladen, wohin damit? Naheliegend in ein Register, das allgemein zur Ergebnisspeicherung verwendet werden soll: ein Akkumulatorregister 14

15 Was ist und wie arbeitet ein Prozessor eine begriffliche Annäherung Jetzt muss darauf eine 1 addiert werden Dafür braucht man endlich ein Rechenwerk names Alu (arithmetic logical unit), das in der Lage ist, eine 1 zu addieren Das Ergebnis wird wieder in den Akku übertragen CPU PC IR Dekodierer Akku Alu Speicher Programm (Code) 1 Befehl 2 Befehl n Befehl a c b Zu guter Letzt wird der Akku auf die Variable B im Speicher geschrieben 15

16 Was ist und wie arbeitet ein Prozessor eine begriffliche Annäherung Zwischenfazit: Unsere CPU besteht also aus den drei Registern PC Adresse des nächsten Befehls IR Befehlscode Akku Operandenregister für die Alu und dem Rechenwerk Alu Eins fehlt noch: wer sorgt eigentlich dafür, dass die Datenflüsse, die mit Pfeilen angezeigt sind, stattfinden? Es fehlt dafür ein Steuerwerk, oder Control Unit CU Die CU verteilt an alle Bausteine Steuersignale, die zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv sein sollen! CPU PC IR Dekodierer Akku Alu Control Unit Speicher Programm (Code) 1 Befehl 2 Befehl n Befehl a c b 16

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