Rechnergrundlagen SS Vorlesung

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1 Rechnergrundlagen SS Vorlesung

2 Inhalt Cache Lesen Schreiben Überschreiben Memory Management Unit (MMU) Translation Lookaside Buffer (TLB) Klausurvorbereitung Inhalte der Klausur Rechnergrundlagen 2

3 Cache in modernen Rechnern Rechnergrundlagen 3

4 Organisation des Cache (Prinzip) Zugriff auf Cache ist deutlich schneller als der Zugriff auf Hauptspeicher. Wenn Daten im Cache stehen, kann die CPU sehr schnell darauf zugreifen. Größe des Cache ist deutlich kleiner als Größe des Hauptspeichers. Rechnergrundlagen 4

5 Speicherzeilen Zerlegung des Hauptspeichers in Blöcke der Größe des Caches. Diese Blöcke werden, wie der Cache, in Cache-Zeilen aufgeteilt. Es werden nur ganze Zeilen in den Cache übernommen. Es existieren unterschiedliche Strategien für die Verwaltung des Cache, d.h. wie neue Zeilen eingeladen werden und welche ausgelagert werden. Rechnergrundlagen 5

6 Adressierung (Beispiel) Rechnergrundlagen 6

7 Information im Cache Adress-Tag der Zeile Kopie der Speicherzeile Rechnergrundlagen 7

8 Cache-Logik (Lesen) Soll ein Datenwort aus dem Hauptspeicher gelesen werden, prüft die Cache-Logik ob dieses Wort bereits im Cache vorgehalten wird. Ist dies der Fall so handelt es sich um einen cache hit und das Datenwort wird an den Prozessor geliefert. Ist das Datenwort nicht im Cache ( cache miss ) wird die Speicherzeile, die das Datenwort enthält, in den Cache übernommen. Es existieren unterschiedliche Strategien welches Datenwort im Cache überschrieben wird. Rechnergrundlagen 8

9 Cache-Logik (Rückschreiben) Wenn Daten in eine Cache-Zeile zurück geschrieben werden soll muss die Datenkonsistenz zwischen Cache und Hauptspeicher gewährleistet sein. Beim so genannten write through cache wird der Hauptspeicher und zugleich der Cache aktualisiert. Eine höhere Geschwindigkeit der Schreibzugriffe erreicht man, wenn zunächst nur der Cache aktualisiert wird und der Hauptspeicher in regelmäßigen Abständen den modifizierten Inhalt des Cache übernimmt. Rechnergrundlagen 9

10 Lesen des Cache Rechnergrundlagen 10

11 Finden eines Datenwortes im Cache Zugriff auf Cache muss schnell sein. Voll assoziativ: Ein Datenwort kann in einem beliebigen Cache-Eintrag abgelegt sein. Direkt abgebildet: Ein Datenwort kann in genau einem Eintrag abgelegt sein. Mengenassoziativ: Ein Datenwort kann in wenigen Cache-Einträgen abgelegt sein (2-8). Rechnergrundlagen 11

12 Voll assoziativer Cache Rechnergrundlagen 12

13 Direkt abgebildeter Cache Rechnergrundlagen 13

14 Mengenassoziativer Cache Rechnergrundlagen 14

15 Trefferrate und Zugriffszeit Man erhält einen Treffer (Hit) beim Zugriff auf einen Cache, wenn das gesuchte Wort im Cache vorliegt. Wenn das gesuchte Wort nicht im Cache liegt (Miss), muss es aus dem Speicher gelesen werden. Trefferrate a = Hit/Zugriffe mittlere Zugriffszeit t m = a*t c + (1-a)*t h t c = Zugriffszeit auf Cache t h = Zugriffszeit Hauptspeicher Rechnergrundlagen 15

16 Überschreiben von Cache-Zeilen Wird eine neue Zeile geladen, muss i.a. eine Zeile im Cache überschrieben werden. Direkt abgebildeter Cache: Adresse des Wortes und Cache Zeile ist eindeutig zugeordnet. Assoziativer Cache: Überschreibe die älteste Zeile. Überschreibe die Zeile, die den ältesten Zugriff aufweist. Wähle zufällig eine Zeile aus. Alle Strategien führen zu ähnlichen Trefferraten. Die zufällige Strategie verursacht den geringsten Aufwand. Rechnergrundlagen 16

17 Schreiben von Daten Konsistenz von Cache und Hauptspeicher muss gewährleistet werden. No-Write: Cache-Speicher nicht schreiben, sondern Wort in Hauptspeicher schreiben. Die zugehörige Zeile im Cache muss als ungültig markiert werden. Write-Through: Cache- und Hauptspeicher schreiben. Gebräuchliches Verfahren. Write-Back: Nur Cache-Speicher schreiben, aber Cache-Zeile als modifiziert ( Dirty ) markieren. Beim Überschreiben einer Zeile muss diese, falls modifiziert, zuvor in den Hauptspeicher geschrieben werden. Für mehrere Prozessoren ist dieses Verfahren problematisch. Warum? Rechnergrundlagen 17

18 Lesen von Daten Wie wird der Cache gefüllt? on demand, demand fetching: Beim ersten Lesen einer Information aus dem Hauptspeicher wird die gesamte Zeile auch in den Cache übertragen, d.h. nicht gecachte Zeilen werden nachgeladen. Diese Strategie wird von jedem Cache verwendet. prädiktiv, prefetch: Während Leerlaufphasen wird versucht die Speicherzeilen in den Cache zu laden, die für die Ausführung der nächsten Programmschritte benötigt werden. Ein zweiter Programmzähler im Cache (remote PC) wird dazu verwendet den zukünftigen Programmverlauf zu prädizieren. Rechnergrundlagen 18

19 Speichermanagement In den bisherigen Ausführungen sind wir davon ausgegangen, dass die CPUinternen Adressen mit den Adressen des Hauptspeichers identisch sind. Moderne Prozessoren für PCs entkoppeln aber die CPU-internen Adressen von den Speicheradressen. Rechnergrundlagen 19

20 Segmente eines ausführbahren Programms Code-Segment: Speicherbereich, in dem der Code des Programms abgelegt wird. Daten-Segment: Speicherbereich, in dem Datenstrukturen gespeichert werden, die bereits zum Zeitpunkt der Kompilierung angefordert wurden (z.b. lokale Variablen einer Funktion). Stack(Stapel)-Segment: Speicherbereich, in dem zur Laufzeit eines Programms Daten zur Steuerung des Programms abgelegt werden (LIFO-Prinzip). Heap(Haufen)-Segment: Speicherbereich, in dem zur Laufzeit eines Programms explizit angeforderte Datenstrukturen gespeichert werden (z.b. malloc). Rechnergrundlagen 20

21 Kopplung CPU-interner Adressen mit Speicheradressen Die Größe des Code- und des Datensegments werden beim Compilieren ermittelt. Das Stack- und das Heap-Segment haben dynamische Größen, die vom Programmablauf abhängen. Stack- und Heap-Segment sollen daher möglichst groß gewählt werden, so dass der zugeordnete Speicher auf jeden Fall hinreichend ist. Wenn die CPU-internen Adressen mit den externen identisch sind, muss die optimale Anordnung für jede konkrete Maschine individuell ermittelt werden. D.h. das Programm muss für jede Maschine gelinkt werden. Bei einer Entkopplung kann die Zuweisung dynamisch erfolgen. Rechnergrundlagen 21

22 Speicherverwaltung Spezielle auf die konkrete Maschine optimierte Aufteilung des Speichers Jede Anpassung des Programms auf einen neuen Rechner erfordert einen Linkvorgang. Rechnergrundlagen 22

23 Speichermanagement bei Multitasking Beim Starten einer Task muss ein freier Speicherbereich für die Ausführung gefunden werden. Wenn eine Task terminiert, entsteht ein freier Speicherbereich. Es kann nicht sicher gestellt werden, dass eine in der Folge gestartete Task exakt die Speicheranforderungen der beendeten Task hat. Rechnergrundlagen 23

24 Multitasking: Speichermanagement Rechnergrundlagen 24

25 Fazit Die Kopplung von CPU-internen Adressen mit Speicheradressen führt zu Abhängigkeiten, die eine flexible und dynamische Nutzung des Hauptspeichers verhindern. In Embedded Systemen sind jedoch direkt gekoppelte Konzepte teilweise realisiert. Bspw. für Desktop-Rechner ist dies jedoch nicht tolerierbar, so dass eine Hardwareeinheit zum Einsatz kommt, die virtuelle Adressen auf physikalische Adressen abbildet. Memory Management Unit (MMU) Rechnergrundlagen 25

26 Memory Management Unit (MMU) MMU wird auch als Paging Unit bezeichnet. Beide Speicherbereiche werden in Speicherseiten (pages, Kacheln) gleicher Größe unterteilt, wobei die Größe eine 2er Potenz ist (typische Größen: 4kB, 8kB oder größer). Wenn der virtuellen Seite keine physikalische zugeordnet ist, erzeugt die MMU einen Interrupt, der von der CPU behandelt werden kann. Rechnergrundlagen 26

27 Virtuelle Adressierung Rechnergrundlagen 27

28 Prinzip der Umsetzung (Paging) Die Umsetzung erfolgt durch Speichertabellen und durch Hardware. Die virtuelle Adresse besteht aus zwei Feldern: Untere Feld: Offset, adressiert den Operanden innerhalb einer Speicherseite. Obere Feld: Tabellenindex, wird von der MMU auf die Adresse der physikalischen Speicherseite über eine Seitentabelle, die selbst im physikalischen Speicher liegt, abgebildet. Rechnergrundlagen 28

29 Seitentabelle Die Seitentabelle liegt im physikalischen Speicher. Die Seitentabelle hat eine Basisadresse, die in der MMU in einem Register (Tabellenbasis) abgelegt ist. Mit Kenntnis der Tabellenbasis und des Tabellenindex der virtuellen Adresse kann per Index auf die Seitentabelle zugegriffen werden. Die Seitentabelle liefert die physikalische Adresse der erforderlichen Speicherseite. Der konkrete Zugriff auf den Operanden kann mit Kenntnis der physikalischen Adresse und des Offsets aus der virtuellen Adresse erfolgen. Rechnergrundlagen 29

30 MMU: Blockschaltbild Rechnergrundlagen 30

31 Beschleunigung der Umsetzung Das bisher betrachtete Prinzip der Umsetzung erfordert bei jedem Speicherzugriff einen zusätzlichen Tabellenzugriff. Dies ist aufwendig, da die Tabelle im externen Speicher abgelegt ist. Zur Beschleunigung kann ein so genannter Translation Lookaside Buffer (TLB) eingesetzt werden. Der TLB ist in der MMU realisiert. Der TLB funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip wie Cache-Architekturen. Rechnergrundlagen 31

32 Translation Lookaside Buffer (TLB) Der TLB beinhaltet einen Assoziativspeicher in dem Paare aus Tabellenindex und zugehöriger Basisadresse der physikalischen Speicherseite abgelegt werden. Im TLB sind Paare abgelegt, die in vorher gehenden Aufrufen benutzt wurden. Wird der gesuchte Tabellenindex im TLB gefunden, entfällt der Zugriff auf die Seitentabelle. Falls der Index nicht gefunden werden kann, muss die physikalische Adresse aus der Seitentabelle gelesen und für zukünftige Zugriffe im TLB abgelegt werden. Aus diesem Prinzip ergeben sich die gleichen Fragestellungen zur Verwaltung der Einträge, wie im diskutierten Fall des Cache. Man erreicht auf einem typischen Programm Trefferraten von ca. 95%. Rechnergrundlagen 32

33 TLB: Blockschaltbild Rechnergrundlagen 33

34 Klausur Anmeldung bis Abmeldung bis Termin: Mi , 12:00 13:30 Ort: D14/104 und D14/204 Rechnergrundlagen 34

35 Bedingungen zur Teilnahme Anmeldung Identität körperliches Wohlbefinden Rechnergrundlagen 35

36 Ausrüstung 1 DIN A4 Blatt (Vorder- und Rückseite von Hand beschrieben, Kopien sind nicht zugelassen) Studentenausweis Personalausweis Taschenrechner sind nicht zugelassen Radiergummi und Bleistift farbige Stifte Rechnergrundlagen 36

37 Organisatorisches Beschriften Sie jede Seite der Klausur mit Name und Matrikelnummer. Von der Klausur existieren zwei Versionen (A, B). Ergebnisse der Klausur werden auf der RG-Seite zur Verfügung gestellt (Matrikelnummer, Note). Rechnergrundlagen 37

38 Lösungsstrategie Lesen Sie die Aufgabenstellung vollständig (!) und aufmerksam! Beginnen Sie mit der Bearbeitung der Aufgaben, die Sie einfach lösen können. Hinweis: Jede Aufgabe enthält einen Hinweis auf die erreichbare Punktzahl. Beantworten Sie die Fragen eindeutig! Hinweis: Falsche Eintragungen können zu Punktabzug führen. Mut zur Lücke! Rechnergrundlagen 38

39 Lernstrategien Lerngruppen Einüben von Lösungsstrategien für typische Aufgabenstellungen. Diskussion und Einüben der Darstellung von Zusammenhängen und Konzepten. Memorieren der Eigenschaften von zentralen Konzepten und Elementen. Rechnergrundlagen 39

40 Themen Zahlensysteme Integer-Zahlen (z.b. 2er-Komplement, Overflow, BCD) Festkomma-Zahlen Gleitkomma-Zahlen (z.b. Konzept) Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division Rechnerarchitekturen (von Neumann, Harvard) Rechenwerk (incl. Beispielrechner) Rechnergrundlagen 40

41 Themen (Forts.) Steuerwerk RISC/CISC (z.b. Pipelines) Instruktionssatz-Architekturen Spezielle Prozessoren (z.b. DSP) Systembus (Datenbus, Kontrollbus, Adressbus) Cache Memory Management Unit (MMU) Rechnergrundlagen 41

42 Viel Erfolg! Rechnergrundlagen 42

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