Racunarske arhitekture Predavanje 1: Uvod

1
Racunarske arhitekture Predavanje 1 Uvod

• Oktobar 2003
• Doc. dr Novica Nosovic
• ETF Sarajevo, soba 0-22
• novica.nosovic_at_etf.unsa.ba

2
Pregled

• Uvod u strukture racunara
• Organizacija i anatomija racunara
• Brze tehnološke promjene
• Struktura nastave
• Važne stvari koje treba zapamtiti

3
Šta su Strukture racunara?
Instruction Set Architecture

• Interakcija više nivoa apstrakcije

4
Nivoi predstavljanja
temp vk vk vk1 vk1 temp
High Level Language Program (e.g., C)
Compiler

• lw to, 0(2)
• lw t1, 4(2)
• sw t1, 0(2)
• sw t0, 4(2)

Assembler (npr. MIPS)
Asembler
Mašinski jezik (MIPS)
0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000 1010 1111
0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010
1111 0101 1000 0000 1001 0101 1000 0000 1001
1100 0110 1010 1111
Mašinski interpreter
Upravljacki signali

5
Anatomija 5 komponenti racunara
Personal Computer
Keyboard, Mouse
Computer
Processor (active)
Memory (passive) (where programs, data live
when running)
Devices
Disk (where programs, data live when not
running)
Input
Control (brain)
Datapath (brawn)
Output
Display, Printer
6
Tehnološki Trendovi Kapacitet memorije (1 Chip
DRAM)
God. (Megabit) 1980 0.0625 1983 0.25 1
986 1 1989 4 1992 16 1996 64 1999 256 1.5
5X/god, ili dvostruko svakih 1.6 godina
7
Tehnološki trendovi Mikroprocesori
Alpha 21264 15 million Pentium Pro 5.5
million PowerPC 620 6.9 million Alpha 21164 9.3
million Sparc Ultra 5.2 million
Moores Law
2X tranzistora/Chip Svakih 1.5 godina Moore-ov
zakon
8
Tehnološki Trendovi Procesorske Performanse
1.54X/yr
Porast procesorskih performansi /god (Joy-ev
zakon) a ne Moore-ov zakon (tranzistora/chip-u)
9
Racunarska Tehnologija gt Dramaticne promjene

• Procesor
• 2X brži svake 1.5 godine 1000X performanse u
  zadnjih 10 god.
• Memorija
• DRAM kapacitet 2x / 1.5 god. 1000X u zadnjih 10
  god.
• Cijena po bitu pada oko 25 godišnje
• Disk
• Kapacitet gt 2X svakih 1.5 god.
• Cijena po bitu pada oko 60 godišnje
• 120X u zadnjih 10 god
• Savremeni PC kada vi diplomirate ???
• Procesor clock 8000 MegaHertz (8 GigaHertz)
• Memorija 4000 MegaByte (4 GigaBytes)
• Disk Kapacitet 600 GigaBytes (0.15 TeraBytes)
• Nove stvari! Mega gt Giga, Giga gt Tera

10
Zašto studirati strukture racunara?

• PROMJENE Nikada nije bilo uzbudljivije!
• Uticu na sve aspekte inženjeringa i racunarskih
  nauka

BionicsSensors in latex fingers instantly
register hot and cold, and an electronic
interface in his artificial limb stimulates the
nerve endings in his upper arm, which then pass
the information to his brain. The 3,000 system
allows his hand to feel pressure and weight, so
for the first time since losing his arms in a
1986 accident, he can pick up a can of soda
without crushing it or having it slip through
his fingers. One Digital Day
11
Šta cete uciti?

• Strukture racunara kako ih vidi programer
• Šta piše programer
• Kako se to prevodi u nešto što racunar razumije
• Kako racunar interpretira program
• Zašto se programi izvršavaju sporo
• Naucite osnovne stvari iz racunarstva i
  inženjeringa
• 5 klasicnih komponenti racunara
• kako racunar manipuliše onim što predstavlja
  stvari
• racunari sa programom u memoriji instrukcije su
  podaci
• princip lokalnosti iskorišten u memorijskoj
  hijerarhiji (keš)
• prevodenje i indirektno izvršavanje
• više performanse korištenjem paralelizma
  (protocnost)
• principi apstrakcija, predstavljanje sistema po
  nivoima/slojevima
• kompajliranje protiv interpretiranja smanjuju
  broj slojeva sistema
• principi i greške zablude pri mjerenju
  performansi

12
Šta necete uciti?

• Pisati programe
• ako znate jedan (programski) jezik, lako cete
  nauciti i drugi ...
• ako znate C ili Java, lako cete razumjeri
  njuhove pretke, C...
• Programirati u asembleru
• to cete nauciti uceci osnovne stvari
• Projektovati logicke strukture (hardver)
• shvatite hardver kao nivo apstrakcije, morate ga
  razumjeti da bi shvatili više nivoe
• Kompajlere i operativne sisteme
• ali morate znati njihove uloge i principe

C
C
Java
13
Struktura nastave zvanicno!

• 1. Predmet RACUNARSKE ARHITEKTURE
• 2. Semestar VII VIII
• 3. Opterecenje P AV LV
• - prosjecno sedmicno 3 0 3
• - ukupno 90 0 90
• 4. Sadržaj
• Klasifikacije racunarskih arhitektura.
  Paralelizam u jednoprocesorkim racunarskim
  sistemima. Prevazilaženje uskih grla izmedu
  podsistema racunara i balansiranje propusnih
  opsega podsistema. Pipeline i vektorske
  arhitekture racunarskih sistema. Multiprocesorske
  racunarske arhitekture. Racunari vodeni tokom
  podataka (data-flow racunari i VLSI racunarske
  arhitekture). Paralelne racunarske arhitekture za
  specijalizovane primjene. Komparativna analiza
  razlicitih tipova arhitektura sistema i ocjena
  performansi.

14
Hronologija i sadržaj

• RACUNARSKE ARHITEKTURE - PERFORMANSE I PODJELE
• VON NEUMANN-OV MODEL, RAZVOJ OD VON NEUMANN-A,
  OSNOVE DIZAJNA, KVANTITATIVNI PRINCIPI DIZAJNA
• ARHITEKTURA SKUPA INSTRUKCIJA
• NACINI ADRESIRANJA MEMORIJE, OPERACIJE U SKUPU
  INSTRUKCIJA, UPRAVLJACKE INSTRUKCIJE, TIPOVI I
  VELICINE OPERANADA, KODIRANJE INSTRUKCIJA, ULOGA
  KOMPAJLERA, UTICAJ KOMPAJLERA NA ARHITEKTURU,
  OGLEDNA LOAD/STORE ARHITEKTURA, FORMAT
  INSTRUKCIJA, EFEKTIVNOST OGLEDNE ARHITEKTURE
• PROTOCNE STRUKTURE
• OGLEDNA ARHITEKTURA BEZ PROTOCNE STRUKTURE,
  OSNOVNA PROTOCNA STRUKTURA ZA OGLEDNU ARHITEKTURU
• HAZARDI
• STRUKTURNI HAZARDI, HAZARDI PODATAKA,
  KLASIFIKACIJA HAZARDA PODATAKA, HAZARDI PODATAKA
  KOJI ZAHTJEVAJU ZASTOJE, KOMPAJLERSKO
  RASPOREÐIVANJE INSTRUKCIJA, UPRAVLJANJE OGLEDNOM
  PROTOCNOM STRUKTUROM, UPRAVLJACKI HAZARDI,
  STATICKO PREDVIÐANJE GRANANJA, PREKIDI/IZUZECI U
  PROTOCNOJ STRUKTURI, IZUZECI KOD OGLEDNE
  ARHITEKTURE, KOMPLIKACIJE SKUPA INSTRUKCIJA,
  OGLEDNA ARHITEKTURA I VIŠECIKLUSNE OPERACIJE

15
Hronologija i sadržaj (nastavak)

• 5 PARALELIZAM NA NIVOU INSTRUKCIJA
• PARALELIZAM NA NIVOU PETLJE, DINAMICKIO
  RASPOREÐIVANJE INSTRUKCIJA, DINAMICKO
  RASPOREÐIVANJE SA SEMAFOROM, TOMASULOV ALGORITAM,
  DINAMICKO PREDVIÐANJE GRANANJA, KORIŠTENJE BAFERA
  ODREDIŠNIH ADRESA GRANANJA, SUPERSKALARNI I VLIW
  PROCESORI, SUPERSKALARNA VERZIJA OGLEDNE
  ARHITEKTURE, VIŠESTRUKO POKRETANJE INSTRUKCIJA SA
  DINAMICKIM RASPOREÐIVANJEM, VLIW PRISTUP,
  OGRANICENJA PROCESORA SA VIŠESTRUKIM POKRETANJEM
  INSTRUKCIJA
• 6 PODRŠKA KOMPAJLERA U POVECANJU ILP-a
• OTKRIVANJE I ODKLANJANJE ZAVISNOSTI, SOFTVERSKE
  PROTOCNE STRUKTURE, TRASIRANJE
• 7 PODRŠKA HARDVERA U POVECANJU ILP-a
• USLOVNE INSTRUKCIJE, KOMPAJLERSKO SPEKULISANJE
  UZ PODRŠKU HARDVERA, SARADNJA HW-SW U SVRHU
  SPEKULACIJE, SPEKULISANJE KORIŠTENJEM BITA
  "OTROVA", SPEKULATIVNE INSTRUKCIJE SA
  REIMENOVANJEM, HARDVERSKO SPEKULISANJE
• 8 PARALELNE RACUNARSKE ARHITEKTURE
• PROJEKTOVANJE PARALELNIH RACUNARA, NACINI
  POVEZIVANJA KOMPONENTI SISTEMA, MREŽE ZA
  POVEZIVANJE, PREKLOPNICI, PERFORMANSE PARALELNIH
  RACUNARA

16
Literatura

• Computer Architecture A Quantitative Approach
  2nd Edition, J. L. Hennessy, D. A. Patterson
• Computer Organization Design The
  Hardware/Software Interface , D. A. Patterson, J.
  L. Hennessy
• A. Thanenbaum Structured Computer Architectures
• a ako nemate ništa bolje, onda
• Novica Nosovic, RACUNARSKE ARHITEKTURE interni
  materijal ETF Sarajevo, 1999
•  

17
Ocjenjivanje

• Zadace (2 individualno) 20
• Seminarski radovi (2 timski rad) 40
• Završni pismeni ispit 40
• Najuspješnijih 10 završni ispit polažu prije
  junskog ispitnog roka

18
Teme za seminarske radove - prijedlozi

• Registarski prozori, Cache hierarhije,
• Data prefetching, Cache coherency,
• Game engine anatomy, Bluetooth,
• Pojekat seti_at_home, IBM Hypersocket,
• IBM Chipkill, NAS vs SAN,
• Systolic arrays, firewire,
• switch/router (ATM), Beowulf,
• ARM procesor, Embeded processors,
• AMD Opteron, DDR,
• Power management, VMware,
• UltraSPARC, blade servers ...
• ili po dogovoru!

19
Zapamtite...

• 30 sedmica da naucite osnove racunarskih
  arhitektura
• Preincip apstrakcija služi za predstavljanje
  sistema u slojevima
• Šta su podaci? Program odreduje šta je šta!
• Koncept smještanja programa u memoriju i
  instrukcije su podaci!!!
• Princip lokalnosti diktira memorijsku hijerarhiju
  (od keša pa naniže)
• Povecanje performansi iskorištavanjem paralelizma
  (protocnosti)
• Kompajleri protiv interpretera smenjuje se broj
  nivoa u sistemu
• Principi i zablude pri mjerenju performansi
• Nastavlja se ubrzani razvoj u racunarstvu
• 2X brže svakih 18 mjeseci brzina procesora,
  velicina memorije, kapacitet diska Moore-ov
  zakon to omogucava (2X tran./chip/1.5 god)
• 5 klasicnih komponenti svakog racunara
• 1. Kontrolna jedinica 2. Put podataka 3.
  Memorija 4. Ulaz 5. Izlaz

Processor