Tasarım Noktası

Bir dizi tasarım düşüncesi ve önemi;

• Hem ISA hem de uarch’ta değiş tokuşlara yol açar. ** Düşünceler **
• Maliyet
• Performans
• Maksimum güç tüketimi
• Enerji tüketimi (pil ömrü)
• Kullanılabilirlik
• Güvenilirlik ve Doğruluk
• Pazara Giriş Süresi

“Problem” alanı tarafından belirlenen tasarım noktası (uygulama alanı) veya hedeflenen kullanıcılar / pazar

Yıllar Boyunca Birçok Farklı ISA

• x86
• PDP-x: Programmed Data Processor (PDP-11)
• VAX
• IBM 360
• CDC 6600
• SIMD ISAs: CRAY-1, Connection Machine
• VLIW ISAs: Multiflow, Cydrome, IA-64 (EPIC)
• PowerPC, POWER

• RISC ISAs: Alpha, MIPS, SPARC, ARM

• Temel farklılıklar nelerdir?
• Örneğin, talimatların nasıl belirtildiği ve ne işe yaradığı
• Ör. Talimatlar ne kadar karmaşık?

Why Is It (Somewhat) Art?

• We do not (fully) know the future (applications, users, market)

• Geleceği (tam olarak) bilmiyoruz (uygulamalar, kullanıcılar, pazar)

Tradeoffs: Bilgisayar Mimarisinin Ruhu

ISA düzeyinde ödünleşimler

• Mikromimarlık düzeyinde ödünleşimler
• Sistem ve Görev düzeyinde değiş tokuşlar
• İş gücü donanım ve yazılım arasında nasıl bölünür
• Bilgisayar mimarisi, bir tasarım noktasını karşılamak için uygun ödünleşmeler
• Neden sanat?

ISA İlkeleri ve Ödünleşmeler

TALİMAT NEDİR?

Talimat;

• Donanım / Yazılım arayüzünün temel öğesi
• Şunlardan oluşur:
• opcode: talimat ne yapar
• işlenenler: kime yapılacak
• Alpha ISA’dan örnek:

Talimatlar, Kodlama ve Özellikler Seti

## LC-3b ISA’dan örnek

• http: //www.ece.utexas.edu/~patt/11s.460N/elouts/new_byte.pdf
• x86 Kılavuzu
• Neden kullanılmayan talimatlar?
• Talimatta biraz belirler diğerinin yorumu bitler

Alfa’da Bit Yönlendirme

Talimat işleme stili

• Bir talimatın “çalıştırdığı” “işlenen” sayısını belirtir
• 0, 1, 2, 3 adres makineleri
• 0-adres: yığın makinesi (push A, pop A, op)
• 1-adres: akümülatör makinesi (ld A, st A, op A)
• 2 adresli: 2 işlenen makine (biri hem kaynak hem de hedeftir)
• 3-adres: 3-işlenen makine (kaynak ve hedef ayrıdır)
• Ödünleşmeler? Ödev sorunuzu görün
• Daha büyük çalıştırma talimatları ve daha çok yürütülen işlem
• Kod boyutu - yürütme süresi - çip üzerinde bellek alanı

Bir Örnek: Yığın Makinesi

• Küçük komut boyutu (çalışma için işlenen gerekmez Talimatlar)
• Daha basit mantık
• Kompakt kod
• Etkili prosedür çağrıları: yığındaki tüm parametreler
• Parametre geçişi için ek döngü yok
• “postfix” ile kolayca ifade edilemeyen hesaplamalar “notasyonu”, makineleri istiflemek için eşlemek zordur
• Aynı anda birçok değer üzerinde işlem gerçekleştirilemez(aynı anda yalnızca yığındaki ilk N değerleri)
• Esnek değil

Bir Örnek: Yığın Makinesi Çalışması

Koopman, “Stack Computers:The New Wave,” 1989. http://www.ece.cmu.edu/~koopman/stack_computers/sec3_2.html

Diğer Örnekler

• PDP-11: 2 adresli bir makine
• PDP-11 ADD: 4 bit işlem kodu, 26 bit işlenen belirleyicileri
• Neden? Bir talimatı belirtmek için sınırlı bitler
• Dezavantaj: Bir kaynak işlenen her zaman talimatın sonucu
• Kaynağın eski değerini koruduğunuzdan nasıl emin oluyorsunuz?
• X86: 2 adresli (bellek / bellek) makine
• Alpha: 3 adresli (yükleme / saklama) bir makine
• MIPS?
• ARM?

Veri türleri

Tanım: Orada bulunan bilgilerin temsili temsil üzerinde işleyen talimatlardır

• Tam sayı, kayan nokta, karakter, ikili, ondalık, BCD
• Çift bağlantılı liste, sıra, dizi, bit vektörü, yığın
• VAX: INSQUEUE ve REMQUEUE talimatları iki katına çıkar bağlantılı liste veya kuyruk; FINDFIRST
• Digital Equipment Corp., “VAX11 780 Architecture Handbook”1977.
• X86: SCAN işlem kodu karakter dizileri üzerinde çalışır; İTME / POP

Veri Türü Değişimi

• Daha fazla veya üst düzey veri türüne sahip olmanın faydası nedir ISA’da?
• Dezavantajı nedir?
• Derleyici / programcı ile mikro mimariyi düşünün
• Anlamsal boşluk kavramı
• Anlamsal düzeye veya karmaşıklığa sıkı sıkıya bağlı veri türleri talimatların
• Örnek: Erken RISC mimarilerine karşı Intel 432
• Erken RISC: Yalnızca tam sayı veri türü
• Intel 432: Nesne veri türü, yeteneklere dayalı makine

Hafıza organizasyonu

• Adres alanı: Bellekte kaç tane benzersiz şekilde tanımlanabilir konum
• Adreslenebilirlik: Her bir benzersiz olarak tanımlanabilir konum ne kadar veri yapar mağaza
• Adreslenebilir bayt: çoğu ISA, karakterler 8 bittir
• Bit adreslenebilir: Burroughs 1700. Neden?
• 64 bit adreslenebilir: Bazı süper bilgisayarlar. Neden?
• 32 bit adreslenebilir: İlk Alfa
• Düşünce için yiyecek
• Yalnızca bayt adreslenebilirliği olan 2 adet 32 ​​bitlik sayıyı nasıl eklersiniz?
• Yalnızca 32 bit adreslenebilirliğe sahip 8 bitlik 2 sayıyı nasıl eklersiniz?
• Büyük endian mı, küçük endian mı? Düşük veya yüksek baytta MSB.
• Sanal bellek desteği

Kayıtlar(Registers)

• Kaç tane
• Her kaydın boyutu
• Kayıtlara sahip olmak neden iyi bir fikirdir?
• Programlar veri yerelliği adı verilen bir özellik sergilediği için
• Yakın zamanda üretilen / erişilen bir değerin daha fazla kullanılması muhtemeldir.birden çok kez (geçici yerellik)
• Bu değeri bir kayıt defterinde saklamak, kayıtlara gitme ihtiyacını ortadan kaldırır.Bu değere her ihtiyaç duyulduğunda bellek

Register Mimarisinin Gelişimi

• Akümülatör
• “ekleyen” makine günlerinden bir miras
• Akümülatör + adres kayıtları
• kayıt yönlendirmesi gerekiyor
• Başlangıçta adres kayıtları özel amaçlıydı, yani yalnızca yönlendirme için bir adres ile yüklenecek
• sonunda adreslerde aritmetik desteklendi
• Genel amaçlı kayıtlar (GPR)
• tüm kayıtlar tüm amaçlar için iyidir
• birkaç kayıttan 32’ye (RISC için ortak), 128 inç’e çıktı Intel IA-64

Öğretim Sınıfları

• Çalıştırma talimatları
• İşlem verileri: aritmetik ve mantıksal işlemler
• Getirme işlenenleri, hesaplama sonucu, mağaza sonucu
• Örtülü sıralı kontrol akışı
• Veri taşıma talimatları
• Verileri bellek, kayıtlar, I / O cihazları arasında taşıyın
• Örtülü sıralı kontrol akışı
• Kontrol akışı talimatları
• Yürütülen talimatların sırasını değiştirin

Adresleme Modu

• Bellek mimarilerine karşı yükleme / depolama
• Yükleme / depolama mimarisi: çalıştırma talimatları yalnızca kayıtlarda çalışır
• Örneğin, MIPS, ARM ve birçok RISC ISA
• Bellek mimarisi: çalıştırma talimatları bellek konumlarında çalışabilir
• Ör. X86, VAX ve birçok CISC ISA

Adresleme Modu

• Adresleme modları, işlenenlerin nasıl elde edileceğini belirtir
• Deplasman hareketli balta, [1000] anlık değeri adres olarak kullan
• Dolaylı Register: hareketli balta, [esi] kayıt adresini adres olarak kullan
• Yer değiştirmiş veya temelli: hareketli balta, [bx] [si] adres olarak temel kaydı ve dizin kaydını kullan
• Dizine alınmış: hareketli balta, var1 [esi] adres olarak kullan

Farklı Adresleme Modlarının Faydaları Nelerdir?

• Başka bir programcı ve mikro mimarlık değiş tokuşu örneği
• Daha fazla adresleme modunun avantajı:
• Üst düzey yapıların makineye daha iyi eşlenmesini sağlar: bazı erişimler farklı bir modla daha iyi ifade edilir
• Azaltılmış talimat sayısı ve kod boyutu
• Dizi erişimlerini düşünün (otomatik artış modu)
• Yönlendirmeyi düşünün (işaretçi kovalayan)
• Seyrek matris erişimleri
• Dezavantaj:
• Derleyici için daha fazla iş
• Mikro mimar için daha fazla iş
• Hangisi daha hızlı?

Talimat Süresi

• Sabit uzunluk: Tüm talimatların uzunluğu aynı
• Donanımdaki tek talimatın kodunu çözmek daha kolay
• Birden fazla talimatı aynı anda çözmek daha kolay
• Talimatlarda boşa harcanan parçalar (Bu neden kötü?)
• Genişletmesi daha zor ISA (yeni talimatlar nasıl eklenir?)
• Değişken uzunluk: Talimatların uzunluğu farklı (işlem kodu ve alt işlem kodu ile belirlenir)
• Kompakt kodlama (Bu neden iyi?) Intel 432: Huffman kodlaması (tür). 6 ila 321 bit talimatlar. Nasıl?
• Tek bir talimatı çözmek için daha fazla mantık
• Aynı anda birden fazla talimatın kodunu çözmek daha zor

  Ödünleşimler

• Kod boyutu (bellek alanı, bant genişliği, gecikme) ile donanım karmaşıklığı karşılaştırması
• ISA genişletilebilirliği ve ifadesi ile donanım karmaşıklığı
• Performans? Enerji? Daha küçük kod ve kod çözme kolaylığı

Tek Tip Kod Çözme

** Tek tip kod çözme: Her komuttaki aynı bitler aynı anlama karşılık gelir **

• İşlem kodu her zaman aynı konumdadır
• İşlenen belirteçleri, anlık değerler,… ile aynı
• Birçok “RISC” ISA: Alpha, MIPS, SPARC
• Daha kolay kod çözme, daha basit donanım
• Paralelliği etkinleştirir: talimatın bir dal olduğunu bilmeden önce hedef adresi oluşturun
• Talimat formatını kısıtlar (daha az talimat?) Veya alanı boşa harcar

  Tek tip olmayan kod çözme

• Örneğin, opcode x86’da 1.-7. bayt olabilir
• Daha kompakt ve güçlü talimat formatı
• Daha karmaşık kod çözme mantığı

Uzunluk ve Tekdüzelik Üzerine Bir Not

• Tek tip kod çözme genellikle sabit uzunlukta gider
• Değişken uzunluklu bir ISA’da, tek tip kod çözme bir özellik olabilir.
• Aynı uzunluktaki talimatların, Farklı kişilerin talimatlarının bir özelliği olarak düşünmek zordur.Uzunluklar

Hizalanmış ve Hizalanmamış erişim

• CPU HER ZAMAN kelime boyutunda (32 bit işlemcide 4 bayt) okur.Hizalanmamış bir adres erişimi;
• Onu destekleyen bir işlemcide - işlemci,birden çok kelime oku. CPU, talep ettiğiniz her bir bellek kelimesini okuyacaktır.

• Adres straddles. Bu, bellek sayısının 2 katına kadar yükseltilmesine neden olur istenen verilere erişmek için gerekli işlemler.

• Bu nedenle, iki baytı okumak dörtten çok kolaylıkla daha yavaş olabilir. Örneğin,hafızada şuna benzeyen bir yapınız olduğunu söyleyin:

struct mystruct { char c; // one byte int i; // four bytes short s; // two bytes }

• X86 Hizalanmamış erişimi yönetir ve MIP’ler yalnızca Hizalanmış erişimle ilgilenir, aksi takdirde adres istisnası ver

Karmaşık talimat:

• Bir talimat çok iş yapar, ör. birçok işlem
• Çift bağlantılı bir listeye ekleyin
• Dize kopyası

  Basit talimat: Bir talimat, küçük miktarda

  iş, karmaşık işlemlerin yapabileceği ilkel bir inşa edilmek

• Ekle
• ÖZELVEYA
• Çarp

Karmaşık ve Basit Talimatlar

• Karmaşık talimatların avantajları
• Daha yoğun kodlama
• daha küçük kod boyutu
• daha iyi bellek kullanım, çip dışı bant genişliğinden tasarruf sağlar, daha iyi önbellek isabet oranı (talimatların daha iyi paketlenmesi)

• Daha basit derleyici: küçük talimatları optimize etmeye gerek yok

• Karmaşık Komutların Dezavantajları
• Daha büyük iş parçalarının  derleyicisinin optimize edin (yapabileceği ayrıntılı optimizasyonlarla sınırlıdır)
• Daha karmaşık donanım  üst düzeyden kontrol sinyalleri ve optimizasyonun donanım tarafından yapılması gerekiyor

#ISA düzeyinde Ödünleşimler;

Anlamsal Boşluk

• ISA nereye yerleştirilir? Anlamsal boşluk
• Yüksek seviyeli dile (HLL) daha yakın
• Küçük anlamsal boşluk, karmaşık talimatlar
• Donanım kontrol sinyallerine daha mı yakın?
• Büyük anlamsal boşluk,basit talimatlar
• RISC ve CISC makineleri
• RISC: Azaltılmış komut seti bilgisayarı
• CISC: Karmaşık komut seti bilgisayarı
• FFT, QUICKSORT, POLY, FP talimatları?
• VAX INDEX komutu (sınır kontrolü ile dizi erişimi)

Küçük ve Büyük Anlamsal Boşluk

CISC ve RISC

• Karmaşık komut seti bilgisayarı
• karmaşık Talimatlar
• Başlangıçta “yeterince iyi değil” kod üretimi ile motive edildi
• Azaltılmış komut seti bilgisayarı  basit talimatlar
• John Cocke, 1970’lerin ortası, IBM 801
• Hedef: daha iyi derleyici kontrolü ve optimizasyonu sağlamak
• RISC,
• Donanımın basitleştirilmesi  daha düşük maliyet, daha yüksek frekans
• Derleyicinin kodu daha iyi optimize etmesini sağlama
• Durmaları azaltmak için ince taneli paralellik bulun

Ne Kadar Yükseğe veya Alçağa Gidebilirsiniz?

• Çok büyük anlamsal boşluk
• Her komut, içindeki kontrol sinyallerinin tam setini belirtir. makine
• Derleyici kontrol sinyalleri üretir
• Açık mikro kod (John Cocke, yaklaşık 1970’ler)
• Derleyicileri optimize etmenin yolunu açtı
• Çok küçük anlamsal boşluk
• ISA (neredeyse) üst düzey dil ile aynıdır
• Java makineleri, LISP makineleri, nesne yönelimli makineler, yetenek tabanlı makineler

RISC ve CISC’ye Karşı Bir Not

• Genellikle…
• RISC
• Basit talimatlar
• Sabit uzunluk
• Tek tip kod çözme
• Birkaç adresleme modu
• CISC
• Karmaşık talimatlar
• Değişken uzunluk
• Tek tip olmayan kod çözme
• Birçok adresleme modu

ISA Evrimi Üzerine Bir Not

ISA’lar günün endişelerini yansıtacak / tatmin edecek şekilde gelişti

Örnekler:

• Sınırlı yonga üzerinde ve yonga dışı bellek boyutu
• Sınırlı derleyici optimizasyon teknolojisi
• Sınırlı bellek bant genişliği
• Önemli uygulamalarda uzmanlaşma ihtiyacı (örneğin, MMX)
• Çeviri kullanımı (HW ve SW’de) altta yatan etkin ISA’dan bağımsız olarak benzer uygulamalar
• Dinamik / statik arayüz kavramı
• Donanım / yazılım arayüzüyle karşılaştırın

Çevirinin Etkisi

• Değiştirmek için bir ISA’dan başka bir ISA’ya çeviri yapılabilir anlamsal boşluk değiş tokuşları

  Örnekler

• Intel’in ve AMD’nin x86 uygulamaları x86’yı çevirir programcı tarafından görünmeyen mikro işlemlerle ilgili talimatlar (basit talimatlar) donanımda
• Transmeta’nın x86 uygulamaları, x86 talimatlarını tercüme etti yazılımda “gizli” VLIW talimatlarına (kod dönüştürme yazılım)
• Değiş tokuşları düşünün