Mikromimariye Giriş: Tek Döngü

Gözden geçirmek;

• Günümüz Bilgisayar Mimarisi ve Temelleri
• Temel Kavramlar
• ISA temelleri ve değiş tokuşları
• Talimat uzunluğu
• Tek tip ve tek tip olmayan kod çözme
• Kayıt sayısı
• Adres modları
• Hizalı ve hizasız erişim
• RISC ve CISC özellikleri

Mikro mimari aşağıdakileri kapsayacaktır

• Mikromimariye Başlayın
• Tek çevrimli Mikro mimariler
• Çok çevrimli Mikro mimariler
• Mikroprogramlanmış Mikro Mimariler
• Boru hattı döşeme
• Ardışık Düzenlemede Sorunlar: Kontrol ve Veri
• Bağımlılığı Yönetimi, Durum Bakımı ve Kurtarma

ISA’nın Uygulanması: Mikromimarinin Temelleri

Talimat İşleme “Döngüsü”

• Talimatlar, adım adım bir “kontrol ünitesi” yönetimi altında işlenir.
• Talimat döngüsü: Bir talimatı işlemek için adım dizisi
• Temel olarak, altı aşama vardır:
• Fetch
• Kod çözme
• Adresi Değerlendir
• Fetch Operandları
• Yürüt
• Store Sonucu
• Tüm talimatlar altı aşamanın hepsini gerektirmez

Bir Makine Talimatları Nasıl İşler?

• Bir talimatın işlenmesi ne anlama gelir?
• Von Neumann modelini hatırlayın AS = Bir talimat işlenmeden önce Mimari (programcı görünür) durumu İşlem talimatı AS ’= Mimari (programcı görünür) bir talimat işlendikten sonraki durum Talimatın ISA spesifikasyonuna göre “Bir talimatı işleme: AS’yi AS’ye dönüştürme”

Talimat İşleme “Döngüsü” - Makine Saat Döngüsü

• Tek döngülü makine:
• Komut işleme döngüsünün altı aşamasının tümü, tamamlamak için tek bir makine saat döngüsü alır
• Çok çevrimli makine:
• Komut işleme döngüsünün altı aşamasının tümü, tamamlanması için birden fazla makine saat döngüsü alabilir
• Aslında, her aşamanın tamamlanması birden fazla saat döngüsü alabilir

Tek döngülü ve Çok Döngülü Makineler

• Tek döngülü makineler
• Her talimat tek bir saat döngüsü alır
• Bir talimatın yürütülmesinin sonunda yapılan tüm durum güncellemeleri
• Büyük dezavantaj: En yavaş talimat döngü süresini belirler
• Uzun saat döngü süresini
• Çok döngülü makineler
• Birden çok döngüye / aşamaya bölünmüş talimat işleme
• Bir komutun yürütülmesi sırasında durum güncellemeleri yapılabilir
• Yalnızca bir talimatın yürütülmesinin sonunda yapılan mimari durum güncellemeleri
• Tek döngüye göre avantaj: En yavaş “aşama”, döngü süresini belirler
• Hem tek döngülü hem de çok döngülü makineler mikro mimari düzeyinde tam anlamıyla von Neumann modelini takip eder

Talimat İşleme Başka Bir Şekilde Görüntülendi

• ‘Talimatlar Verileri (AS) Veriye (AS’) dönüştürür
• Bu dönüşüm fonksiyonel birimler tarafından yapılır
• Veriler üzerinde “çalışan” birimler
• Bu birimlere verilere ne yapacaklarının söylenmesi gerekir
• Bir komut işleme motoru iki bileşenden oluşur
• Datapath: Veri sinyalleri ile ilgilenen ve bunları dönüştüren donanım öğelerinden oluşur
• Veriler üzerinde çalışan işlevsel birimler İşlevsel birimlere ve kayıtlara veri akışını sağlayan donanım yapıları (ör. Teller ve çoklayıcılar)
• Veri depolayan depolama birimleri (ör. Kayıtlar)
• Kontrol mantığı: Kontrol sinyallerini, yani veri yolu öğelerinin verilere ne yapması gerektiğini belirten sinyalleri belirleyen donanım öğelerinden oluşur

Tek döngü ve Çok döngü: Kontrol ve Veriler

• Tek döngülü makine:
• Kontrol sinyalleri, veri sinyallerinin çalıştırıldığı aynı saat döngüsünde üretilir.
• Bir komutla ilgili her şey bir saat döngüsünde gerçekleşir (serileştirilmiş işlem)
• Çok çevrimli makine:
• Bir sonraki döngüde ihtiyaç duyulan kontrol sinyalleri mevcut döngüde üretilebilir
• Kontrol işlemenin gecikmesi, veri yolu işleminin gecikmesiyle örtüşebilir (daha fazla paralellik)

Flash-Forward: Performans Analizi

• Bir talimatın uygulama süresi
• {CPI} x {saat döngü süresi}
• Bir programın yürütme süresi
• Tüm talimatları toplayın [{CPI} x {saat döngü süresi}]
• {# talimat} x {Ortalama CPI} x {saat döngüsü süresi}
• Tek döngülü mikro mimari performansı
• CPI = 1
• Saat çevrim süresi = uzun
• Çok döngülü mikro mimari performansı
• CPI = her talimat için farklı
• Ortalama CPI  umarım küçük
• Saat çevrim süresi = kısa

Şimdi, bağımsız olarak optimize etmek için iki serbestlik derecemiz var

Tek Döngülü Mikro Mimari Daha Yakından Bir Bakış

Şimdilik Varsayacağız

• “Magic” bellek ve kayıt dosyası
• Kombinasyonel okuma Okunan veri portunun çıkışı, kayıt dosyası içeriklerinin ve karşılık gelen okuma seçme portunun kombinasyonel bir fonksiyonudur.
• Eşzamanlı yazma
• Yazma izni verildiğinde seçilen kayıt pozitif kenar saat geçişinde güncellenir
• Saat kenarları arasındaki okuma çıktısını etkileyemez
• Tek döngülü, eşzamanlı bellek
• Verinin ne zaman hazır olduğunu söyleyen bellekle bunu karşılaştırın… Yani, Hazır bit: okuma veya yazma işleminin tamamlandığını gösterir

sipariş düzenleniyor

• 5 genel adım (P&H kitabı)
• Talimat getirme (IF)
• Komut çözme ve kayıt operand getirme (ID / RF)
• Yürütme / Bellek adresi oluşturma (EX / AG)
• Hafıza operand getirme (MEM)
• Kaydetme / geri yazma sonucu (WB)

Aritmetik ve Mantıksal Komutlar için Tek Döngülü Veri Yolu

R-Type ALU Talimatları

ALU Veri Yolu

R - Tipi Uygula

ALU Veri Yolu

R - Tipi Uygula

I-Type ALU Talimatları

• Montaj (ör. Kayıt - hemen imzalanan eklemeler) Ex. ADDI rtreg rsreg immediate16

• Machine encoding

Semantics

R ve I-Type ALU Insts için Veri Yolu.

Veri Taşıma Talimatları için Tek Döngülü Veri Yolu

Yükleme Talimatları

• Assembly (e.g., load 4-byte word) LW rtreg offset16 (basereg)

• Machine encoding

• Semantics

if MEM[PC]==LW rt offset16 (base) EA = sign-extend(offset) + GPR[base] GPR[rt] <- MEM[ translate(EA) ] PC <- PC + 4

LW Veri Yolu

if MEM[PC]==LW rt offset16 (base) EA = sign-extend(offset) + GPR[base] GPR[rt] <- MEM[ translate(EA) ] PC <- PC + 4 ====» Combinational state update logic

LW uygula…