Mikroprozessoren Vorlesung im Sommersemester 2001 Wolfgang Karl Universität Karlsruhe Fakultät...

Mikroprozessoren

Vorlesung im Sommersemester 2001

Wolfgang Karl

Universität Karlsruhe

Fakultät für Informatik

Wolfgang KarlSS 2001

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Organisatorisches Vorlesung

LV-Art: weiterführende Veranstaltung LV-Nr. 24688 Termin: Dienstag, 11.30 Uhr – 13.00 Uhr, SR 062

Infos zur Vorlesung und zu den Übungen http://


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Organisatorisches Sprechstunde: Wolfgang Karl

Dienstag, 14.30 – 16.00 Uhr und nach Vereinbarung Raum 161, Gebäude 20.20 Email: [email protected], [email protected]

Prüfung Ende des Sommersemester, Kolloquium, Schein Der Termin wird noch bekannt gegeben.

mailto:[email protected]






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Persönliches Dr. Wolfgang Karl

Vertretung der Professur T. Ungerer an der Universität Karlsruhe im Sommersemester 2001 Vorlesung Rechnerstrukturen Vorlesung Mikroprozessoren Seminar Cluster- und Grid-Computing

Technische Universität München Institut für Informatik Lehrstuhl für Rechnertechnik und Rechnerorganisation

(LRR) Akademischer Oberrat


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SCI-based PC clusters

Bus-like services: read-, write-, and synchronization transactions Hardware-supported DSM with low-latency remote memory

access and fast message-passing Split-transactions: request and response packets - latency hiding

Global address space

SCI interconnect

PCs with PCI-SCI adapter


6

SMiLE software layers

NTprot.stack

SCI-Hardware: SMiLE & Dolphin adapter, HW-Monitor

NDISdriver

SCI-VMSCI Drivers &

SISCI API

SCI-VM lib

SISCI PVMTreadMarkscompatible

API

Target applications / Test suites

SISALon

MuSE

SCI-Messaging

AM 2.0 SS-lib CML

User/Kernelboundary

Low-levelSMiLE

High-levelSMiLE

SPMDstyle

model


7

SPMDstyle

model


NTprot.stack


NDISdriver

SCI-VMSCI driver &SISCI API

SCI-VM lib


API


SISALon

MuSE

SCI-Messaging

AM 2.0 SS-lib CML

User/Kernelboundary

Low-levelSMiLE

High-levelSMiLE

Message PassingUser Level Communication

Message PassingUser Level Communication


8

Example Application Electrical Field Simulation

POLOPT: Optimisation of high-performance transformers ABB Corporate Research Heidelberg


9

Example Application Computational Fluid Dynamics

CFX-TASCflow: Flow computation of cars, pumps, or motors

AEA Technology, Otterfing


10

NTprot.stack


NDISdriver

SCI-VMSMiLE driver &

Dolphin IRM driver

SCI-VM lib


API


SISALon

MuSE

SCI-Messaging

AM 2.0 SS-lib CML

User/Kernelboundary

Low-levelSMiLE

High-levelSMiLE

SPMDstyle

model

AM 2.0

NTprot.stack


NDISdriver

SCI-VMSCI Drivers &

SISCI API

SCI-VM lib


API


SISALon

MuSE

SCI-Messaging

SS-lib CML

User/Kernelboundary

Low-levelSMiLE

High-levelSMiLE

SPMDstyle

model


True Shared MemoryProgramming

True Shared MemoryProgramming


11

Example Application

Positron-Emission Tomography

Human brain after running spectral analysis


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SMiLE Monitor

Counter Module

PCI-SCI Bridge

The SMiLE Hardware Monitor

B-Link Interface

PC

I lo

cal b

us

PC

I U

nit

Probe

Event Filter

SC

I N

etwork

SCI in

SCI out

DynamicCounterArray

Static Counter Array


13

OM

IS/O

CM

Mon

itor

for

DSM

sys

tem

s

OMIS SCI DSM Extension

Prog. Model Extension

Prog. Environment Extension

SMiLE PCI-SCI bridge and monitor

SyncMod

High-level Prog. Environment

SCI-VM

Shmem Programming Model

OMIS

/

OCM Core

Multi-Layered SMiLE monitoring

(Physical addresses, Node IDs, Counters, Histograms)

(Virt./Phys. Address mappings, Statistics)

Node Local Resources

Tools

(CPU counters, Cache statistics, OS information)

(Statistics of Synchronization mechanisms)

(Specific information)

(Specific information)


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Cluster- und Grid-Computing Seminar im Hauptdiplom

Blockveranstaltung nach Vereinbarung Vorbesprechung wird noch bekannt gegeben

Cluster Aufbau von Clustern Beispiele von Clustern Systemsoftware Anwendungen

The Grid Infrastruktur Beispiele


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Weitere Forschungsprojekte (1) Embedded Parallel Processors (EPP)

Kooperation mit Infineon Technologies AG, München

Weiterer Kooperationspartner: HNI/Uni-Paderborn (Prof. Rückert)

Evaluierung der Architektureigenschaften und Merkmale von eingebetteten parallelen Prozessoren

Ausgangspunkt: Standardbenchmarks: EENBC Simulationswerkzeuge


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Weitere Forschungsprojekte (2) Projekt DiME

Kooperation mit Uni Erlangen (Prof. Rüde)

Daten-Cache-Optimierungen Code-Transformationen zur Optimierung der

Datenlokalität von Mehrgitterverfahren


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Weitere Forschungsprojekte (3) Projekt Hot-Swap

Projekt mit FORCE Computers GmbH

Hochverfügbare Rechensysteme auf der Basis von CompactPCI Elektrisches Verhalten Bus-Protokolle, Fehlerdiagnose Betriebssystemaspekte für Hot-Swap Modellierung hochverfügbarer Systeme Mitarbeit an Standardisierung


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Aufbau von Arbeitsplatzrechnern

Schnittstelle

Mikro-prozessor

L2 Cache

DRAM

Prozessor/Speicherbus

Bus-Steuerung

Sys

tem

bus

SCSI-Controller

Netz-Schnittstelle

Graphic-Controller

Bus-Steuerung

Frame-Puffer

Monitor

LAN

FestplatteCD ROM

Pe

riph

erie

bus

E/A

Floppy-Disc


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Hintergrund (1) Rechnerarchitektur

Allgemeine Strukturlehre mit deren Hilfsmittel Ingenieurwissenschaftliche Disziplin, die

bestehende und zukünftige Rechenanlagen beschreibt, vergleicht, beurteilt, verbessert und entwirft.

Betrachtet den Aufbau und die Eigenschaften des Ganzen (Rechenanlage), seiner Teile (Komponenten) und seiner Verbindungen (Globalstruktur, Infrastruktur)


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Hintergrund (1) Entwurf einer Rechenanlage

Ingenieurmäßige Aufgabe der Kompromissfindung zwischen Randbedingungen (Technologie, Größe, Geld,

Umwelt,...) Gestaltungsgrundsätzen (Modularität, Sparsamkeit, ...) Zielsetzungen


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Hintergrund (1) Beispiele für Zielsetzungen und Anforderungen

Anwendungsbereich

Spezialanwendungen: Rechensysteme, die auf eine spezielle Anwendung

zugeschnitten sind;

hohe Leistungsfähigkeit für spezielle Anwendung

Allzweckanwendung: ausgewogene Leistung für ein breites Spektrum von

Anwendungen


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Hintergrund (1) Beispiele für Zielsetzungen und Anforderungen

Software-Kompatibilität (bestimmt verfügbare Software) auf Programmiersprachenebene:

ermöglicht dem Entwickler größere Flexibilität beim Entwurf;

neue Übersetzer

Binär- oder Objektcode-Kompatibilität


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Hintergrund (1) Anforderungen auf Betriebssystem-Ebene:

Virtuelle Speicherverwaltung, Schutzmechanismen, Kontextwechsel, Unterbrechungsbehandlung

Standards:

Gleitkomma-Formate: IEEE, DEC, IBM Ein-/Ausgabebus: SCSI, VME, PCI Betriebssysteme: UNIX, MS-DOS, Windows NT, Linux Netze: Ethernet, FDDI, SCI Programmiersprachen: Einfluß auf Befehlssatz Bus-Systeme: PCI, SCI, MBus, SBus


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Vorlesung Mikroprozessoren Betrachtet den Aufbau und die Eigenschaften

von:

Mikroprozessorsystemen,

deren Komponenten: Mikroprozessoren, Speicherkomponenten, Ein-/Ausgabeeinheiten

Verbindungsstrukturen


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Ziele der Vorlesung Überblick über den Aufbau und die Eigenschaften von

Mikroprozessorensystemen

Detaillierte Kenntnisse über die Struktur und Funktionsweise von Mikroprozessoren

Architektur

Implementierung und Organisation

Realisierung

Detaillierte Hardware-Kenntnisse

Hardware-nahe Software-Aspekte


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Aufbau der Vorlesung Einführung in die Mikroprozessortechnik

Mikroprozessoren Architektur und Organisation Programmiermodell und Programmierung Unterstützung von Betriebssystemfunktionen Multiprozessorunterstützung

Superskalare Mikroprozessoren

Weitergehende Konzepte EPIC, Speculation, Predikation, Binärcode-Transformation,

Multithreading


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Aufbau der Vorlesung Mikroprozessoren, die in komplexen mehrbusorientierten

Mikroprozessorsystemen (PCs, Arbeitsplatzrechnern und symmetrischen Multiprozessorsystemen mit gemeinsamen Speicher) eingesetzt werden.

Detaillierte Kenntnisse über die Architektur, Organisation und Programmierung dieser modernen Mikroprozessoren vermitteln.

Darstellen der grundlegenden Eigenschaften dieser “Allzweck’--Mikroprozessoren an konkreten Fallbeispielen

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