Temel Kavramlar ve ISA

Bugünün Ajandası

• İncele
• Neden bilgisayar mimarisi eğitimi almalı?
• ISA
• Mikro mimari
• Bilgisayar Mimarisi
• Sonraki Ders

Gözden Geçirme: Dönüşüm Düzeyleri, Yeniden Ziyaret Edildi

• Kullanıcı merkezli bir görünüm: kullanıcılar için tasarlanmış bilgisayar

• Yığının tamamı kullanıcı için optimize edilmelidir

NEDEN BİLGİSAYAR MİMARİ?

Neden Bilgisayar Mimarisi eğitimi almalısınız?

• Tasarım, seçme ve tasarım bilimi ve sanatı donanım bileşenlerini birbirine bağlamak ve bir bilgi işlem sistemi oluşturmak için donanım / yazılım arayüzü fonksiyonel, performans, enerji tüketimini karşılayan, maliyet ve diğer özel hedefler.

Yakında mimari terimleri birbirinden ayıracağız, ve mikro mimari terimlerini yoğunlaşıcaz.

• Bir Destekleyici: Moore Yasası

Bu Transistörleri Ne İçin Kullanıyoruz?

Günümüz Bilgisayar Mimarisi

• Bugün bilgisayar mimarisini incelemek için çok heyecan verici bir zaman

• Endüstri büyük bir paradigma kayması içindedir (çok çekirdekli ve ötesinde) - birçok farklı potansiyel sistem tasarımı mümkündür

• Motive eden ve vardiyanın neden olduğu birçok zor sorun

  • Güç / enerji kısıtlamaları
  • Tasarımın karmaşıklığı → çok çekirdekli mi?
  • Teknoloji ölçeklendirmedeki zorluklar → yeni teknolojiler?
    • Bellek duvarı / boşluğu
    • Güvenilirlik duvarı / sorunlar
    • Programlanabilirlik duvarı / sorunu

Vardiyanın neden olduğu ve motive eden birçok zor problem

• Güç / enerji kısıtlamaları
• Tasarımın karmaşıklığı -> çok çekirdekli?
• Teknoloji ölçeklendirmedeki zorluklar -> yeni teknolojiler?
  • Hafıza duvarı / boşluğu
  • Güvenilirlik duvarı / sorunları
  • Programlanabilirlik duvarı / problem
• Bu sorunlara net, kesin cevaplar yok…

Günümüz Bilgisayar Mimarisi (II)

• Bu sorunlar, bilgi işlem yığınının tüm bölümlerini etkiler - eğer sistemleri tasarlama şeklimizi değiştirmeyiz.

• Hesaplama için yeni paradigmalar icat edebilirsiniz, iletişim ve depolama

Hedefler

• Bilgisayar sistemiyle ilgilenenleri tanıtmak hem temel çalışma prensipleri hem de tasarım ile tasarım işlemci, bellek ve platform mimarilerinin değiş tokuşu bugünün sistemleri.

• Temellere ve tasarım değiş tokuşlarına güçlü vurgu.

• Gerekli arka plan ve deneyimi sağlamak için modern bir işlemciyi tasarlayın, uygulayın ve değerlendirin uygulamalı RTL ve C düzeyinde uygulama gerçekleştirme.

• İşlevselliğe ve uygulamalı tasarıma güçlü vurgu.

• Eleştirel düşünün (problemleri çözerken) ve geniş anlamda dönüşüm seviyelerinde.

Fakat Önce…

• Temelleri anlayalım…

• Dünyayı ancak iyi anlarsan değiştirebilirsin yeter…

• Özellikle geçmiş ve şimdiki egemen paradigmalar
• Avantajları ve eksiklikleri - ödünleşimler

KOMUT SETİ MİMARLIK (ISA)

• Bilgisayar nedir?

• Üç temel bileşen

• Hesaplama
• İletişim
• Depolama (bellek)

Von Neumann Modeli / Mimarisi

• Depolanan program bilgisayarı olarak da adlandırılır (hafıza). İki temel özellik:

• Kaydedilmiş program
  • Doğrusal bellek dizisinde saklanan talimatlar
  • Bellek, talimatlar ve veriler arasında
• Kaydedilen bir değerin yorumlanması kontrol ünitesine bağlıdır.
• Bir değer ne zaman bir talimat olarak yorumlanır?
• Sıralı talimat işleme
• Bir talimat bir anda işlendi (getirildi, yürütüldü ve tamamlandı).
• Program sayacı (komut işareti) mevcut enstrümanı tanımlar.
• Program sayacı, kontrol aktarımı dışında sırayla ilerletilir

Von Neumann Modeli (Bir Bilgisayarın…)

Dataflow Modeli (Bir Bilgisayarın…)

• Von Neumann modeli: Bir talimat getirilir ve kontrol akış sırasına göre yürütülür
  • Komut işaretçisi tarafından belirtildiği gibi
  • Açık kontrol akışı talimatı olmadıkça sıralı
• Dataflow modeli: Bir talimat alınır ve yürütülür veri akışı sırası
• işlenenleri hazır olduğunda

• komut gösterici yok

• Veri akışı bağımlılığı ile belirtilen talimat sıralaması
  • Her talimat sonucu “kimin” alması gerektiğini belirtir.
  • Tüm işlenenler alındığında bir talimat “ateşleyebilir”
• Potansiyel olarak birçok talimat aynı anda yürütülebilir
• Doğası gereği daha paralel

Von Neumann ve Dataflow

• Bir von Neumann programını düşünün
  • Program sırasının önemi nedir?
  • Depolama yerlerinin önemi nedir?

• Bir programcı olarak sizin için hangi model daha doğal?

  Veri Akışı hakkında daha fazla bilgi

• Bir veri akış makinesinde, bir program veri akışından oluşur düğümler.

• Bir veri akış düğümü, her şey tamamlandığında tetiklenir (getirilir ve çalıştırılır).Girişler hazırlanır.

• Tüm girişlerin jetonları(tokens) olduğunda

• Veri akış düğümü ve ISA gösterimi

ISA düzeyinde Ödünleşim: Talimat İşaretçisi

• ISA’da bir yönerge işaretçisine ihtiyacımız var mı?
• Evet: Kontrol odaklı, sıralı çalıştırma
  • IP onu işaret ettiğinde bir talimat yürütülür
  • IP otomatik olarak sıralı olarak değişir (kontrol akışı dışındaTalimatlar)
• Hayır: Veriye dayalı, paralel yürütme
  • Bir komut, tüm işlenen değerleri olduğunda çalıştırılır.mevcut ( veri akışı )
• Ödünleşimler: BİRÇOK üst düzey olan
  • Programlama kolaylığı (ortalama programcılar için)?
  • Derleme kolaylığı?
  • Performans: Paralelliğin çıkarılması?

  • Donanım karmaşıklığı?

  • Von Neumann ve Veri akışı yalnızca modellerdir
  • Günümüzde tüm ana komut seti mimarileri bu VonNeumann modeli
  • x86, ARM, MIPS, SPARC, Alpha, GÜÇ

  ## ISA ve Mikro Mimari

  • ISA ve Uarch’ın parçası nedir?
    • Gaz pedalı: “hızlanma” için arayüz
    • Motorun içi: “hızlanma” uygulayın
  • ISA
    • Yazılım ve donanım arasında arayüz üzerinde anlaşmaya varıldı ( SW / derleyici varsayar, HW vaatleri)
    • Programcının yazmak ve hata ayıklamak için bilmesi gerekenler sistem / kullanıcı programları ve kullanıcıya bir sıralı kontrol akışı veya veri akışı yürütme sırası.
  • Mikro mimari
    • ISA’nın özel uygulaması
    • Yazılım veya programcı tarafından görülmez
  • Mikroişlemci
    • ISA, uarch , devreler
    • “Mimari” = ISA + mikro mimari

ISA Örneği

• Talimatlar
  • İşlem Kodları, Adresleme Modları, Veri Tipleri
  • Talimat Türleri ve Biçimleri
  • Kayıtlar, Durum Kodları

• Bellek

  • Adres alanı, Adreslenebilirlik, Hizalama
  • Sanal bellek yönetimi
• Çağrı, Kesinti / İstisna İşlemleri
• Erişim Kontrolü, Öncelik / Ayrıcalık
• G / Ç: bellek eşlemeli vs. enstr.
• Görev / iş parçacığı Yönetimi
• Güç ve Isı Yönetimi∎ Çoklu iş parçacığı desteği, Çoklu işlemci desteği

Mikromimari Örneği

• Altında (mikro mimari düzeyinde), yürütme modelineredeyse tüm uygulamalar (veya mikro mimariler) çok farklı
• Ardışık düzenlenmiş talimat yürütme: Intel 80486 uarch
• Bir seferde birden fazla talimat: Intel Pentium uarch
• Arıza yürütme: Intel Pentium Pro uarch❑ Ayrı talimat ve veri önbellekleri
• Uygulama (uarch), aşağıdakileri karşıladığı sürece çeşitli olabilir:şartname (ISA)
  • Talimat ekleme ve Toplayıcı uygulaması
    • Bit seri , dalgalanma taşıma , önden taşıma ekleyicileri mikro mimarinin bir parçasıdır
  • x86 ISA’nın birçok uygulaması vardır: 286, 386, 486, Pentium, Pentium Pro,Pentium 4, Çekirdek,…

Mikromimarlık Değişimi: kontrol ve veri odaklı

• Benzer bir değiş tokuş (kontrol ve veriye dayalı yürütme),mikro mimari seviyesi
• Mikro mimari: Temel uygulama aslında nasıl çalışır?Talimatlar
• Mikromimarlık, komutları herhangi bir sırayla çalıştırabilir.talimatı verirken ISA tarafından belirtilen semantiğe uyaryazılıma görünür sonuçlar
  • Programcı ISA tarafından belirtilen sırayı görmelidir.

(ISA || Uarch)?

• ADD komutunun işlem kodu
• Genel amaçlı kayıt sayısı
• sicil dosyasına limanların sayısı
• MUL komutunu yürütmek için döngü sayısı
• Makinenin boru hattı talimatını kullanıp kullanmadığı icra