Grundlagen der Rechnerarchitektur
Prozessor
Übersicht• Datenpfad• Control• Pipelining• Data‐Hazards• Control‐Hazards• Multiple‐Issue
2Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor
Datenpfad einer einfachen MIPS‐CPU
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 3
Ziel
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 4
Konstruktion des Datenpfads einer einfachen MIPS‐CPU als Blockschaltbild. Die CPU hat 32 Register und soll folgende MIPS‐Instruktionen realisieren:
Instruktionen für Speicherzugriff: lw, swlw $s1, 4($s2) # $s1 = Memory[$s2+4]sw $s1, 4($s2) # Memory[$s2+4] = $s1
Arithmetisch‐logische Instruktionen: add, sub, and, or, sltadd $s0, $s1, $s2 # $s0 = $s1 + $s2slt $s0, $s1, $s2 # $s0 = ($s1<$s2)? 1 : 0
Branch‐ Instruktion: beqbeq $s1, $s2, 4096 # $pc = $pc + 4 + 4096<<2, wenn $s1=$s2
Datenpfad einer einfachen MIPS‐CPUErster Abschnitt des Datenpfades
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 5
Benötigte Bausteine
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Logik und Arithmetik 6Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012
Speicherbaustein in dem die abzuarbeitenden Instruktionen stehen. „Instruction Address“ ist 32‐Bit groß. Wenn an den Leitungen „Instruction Address“ eine Adresse anliegt, liegt im nächsten Taktzyklus eine 32‐Bit lange Instruktion auf den „Instruction“ Leitungen.
Register in dem der Programm‐Counter steht. Hier steht die Adresse der nächsten abzuarbeitenden Instruktion.
Eine ALU, die fest auf die Funktion Addieren verdrahtet ist. Mit dieser ALU wird der Program‐Counter in 4er Schritten erhöht, um auf die nächste folgende Instruktion zu zeigen.
Erster Schritt der Instruktionsausführung
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 7
Mit dem neuen Clock‐Signal passiert folgendes:
Instruction‐Fetch:Lag der Program‐Counter‐Wert seit dem letzten Clock‐Signal am Instruction‐Memory an, erscheint mit dem nächsten Clock‐Signal die nächste auszuführende Instruktion an der Instruction‐Leitung.
Program‐Counter erhöhen:Damit der Speicher schon mit dem Bereitstellen der nächsten Instruktion beginnen kann, wird der Program‐Counter direkt zu Beginn der Instruktionsabarbeitung auf die nächste abzuarbeitende Instruktion gesetzt.
Das Blockschaltbild dazu
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 8
Datenpfad einer einfachen MIPS‐CPUArithmetische‐Logische Operationen
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 9
Erinnerung, Instruktionen vom R‐Typ‐Format:
Solche Instruktionen machen immer folgendes:• Lese zwei Register (src1 und src2)• Führe eine ALU‐Operation darauf aus• Schreibe Ergebnis zurück in ein Register (dest)
Alle hier zu realisierenden arithmetisch‐logischen Instruktionen (d.h. add, sub, and, or, slt) sind R‐Typ‐Instruktionen.
Zum Speichern der Registerinhalte und zur Durchführung der Rechenoperationen benötigen wir zwei weitere Bausteine.
Betrachten zunächst R‐Typ‐Instruktionen
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 10
opcode src1 src2 dest shamt funct6 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 5 Bit 6 Bit
R‐Typ(Register‐Typ)
31 26 25 21 20 16 15 11 10 6 5 0
Register‐File und ALU
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 11
Auf den Read‐Data‐Leitungen liegen die 32‐Bit‐Inhalte der Register, die den 5‐Bit‐Read‐Register‐Inputs entsprechen. Ein Register‐File ist wesentlich schneller als der Speicher. Daten liegen in einem Instruktionszyklus unmittelbar auf den Read‐Data‐Leitungen vor. In einem Taktzyklus überschriebener Registerinhalt ist erst im darauf folgenden auf den Read‐Data‐Leitungen sichtbar.Zum Schreiben in ein Register müssen die Daten auf den Write‐Data‐Leitungen vorliegen und die RegWrite‐Leitung muss aktiv sein.
Die ALU rechnet auf 32‐Bit‐Werten. Die ALU‐Operation wird über die 4‐Bit ALU‐Operation‐Leitungen gewählt; hierzu später mehr. Die Zero‐Leitung ist 0, wenn das ALU‐Ergebnis 0 ergab.
Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012
Erweiterung des Blockschaltbilds
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 12
Datenpfad einer einfachen MIPS‐CPUDie Branch‐Instruktion beq
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 13
Betrachten nun Branch‐Instruktion beq
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 14
Erinnerung, Branch‐Instruktionen beq ist vom I‐Typ‐Format:
beq‐Instruktion macht immer folgendes:• Ziehe zwei Register voneinander ab (reg1 und reg2)• Wenn das Ergebnis ungleich 0: nächste Instruktion ist bei PC+4• Wenn das Ergebnis gleich 0 :
• Sign‐Extension von 16‐Bit‐Offset auf 32‐Bit Zahl x• x = 4*x (lässt sich durch ein Links‐Shift von 2 erreichen)• nächste Instruktion ist bei PC+4+x
Berechnung reg1 ‐ reg2 ist durch den Datenpfad schon realisiert.Für den Rest brauchen wir noch zwei neue Bausteine:
31 26 25 21 20 16 15 0opcode reg1 reg2 Offset6 Bit 5 Bit 5 Bit 16 Bit
I‐Typ(Immediate‐Typ)
Sign‐Extend und Shift‐Left 2
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Logik und Arithmetik 15
Sign‐Extend
Vorzeichenbehaftetes Ausweiten von k auf n
Leitungen (z.B. 16 auf 32).
Shift‐Left 2
Links oder Rechts‐Shift von Leitungen (z.B. Shift‐Left 2)
k n
Wir müssen außerdem eine Auswahl treffen• Wenn die aktuelle Instruktion ein beq ist, dann berechne den PC nach vorhin beschriebener Vorschrift.
• Wenn die Instruktion kein beq ist, dann bestimme den PC wie bisher gehabt; also PC=PC+4.
• Zum Treffen von Auswahlen brauchen wir eine weiteren Bausteintyp:
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 16
Multiplexer
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Logik und Arithmetik 17
0 Mux 1Select
A B
C
Für ein Bit Für n Bit(z.B. 32 Bit)
0 Mux 1Select
A B
C
3232
32
C = A, wenn Select = 0C = B, wenn Select = 1
Für n‐Bit‐Select(z.B. 2 Bit)
MuxSelect
A1 A4
C
A2 A3
C = A0, wenn Select = 00C = A1, wenn Select = 01C = A2, wenn Select = 10C = A3, wenn Select = 11
Erweiterung des Blockschaltbilds
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 18
Datenpfad einer einfachen MIPS‐CPUZugriff auf den Datenspeicher
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 19
Betrachten nun Load‐ und Store‐Word
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 20
Erinnerung, Instruktionen lw und sw sind vom I‐Typ‐Format:
Die Adresse des Speicherzugriffs berechnet sich wie folgt:• Sign‐Extension von 16‐Bit‐Offset auf 32‐Bit Zahl x• Adresse ist Inhalt von reg1 + xHierzu werden wir vorhandene ALU und Sign‐Extend mitbenutzen
Der Speicherinhalt wird dann• bei lw in Register reg2 geschrieben• bei sw mit Registerinhalt von reg2 überschrieben
Zur Vereinfachung trennen wir im Folgenden den Speicher der Instruktionen vom Speicher der Daten. Letzterer ist wie folgt:
31 26 25 21 20 16 15 0opcode reg1 reg2 Offset6 Bit 5 Bit 5 Bit 16 Bit
I‐Typ(Immediate‐Typ)
Datenspeicher
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 21
Speicherbaustein in dem die Daten liegen. „Address“, „Write‐Data“ und „Read‐Data“ sind 32‐Bit groß. In keinem Taktzyklus wird gleichzeitig gelesen und geschrieben. Schreiben oder lesen wird über Signale an MemWrite und MemRead durchgeführt. Der Grund für ein MemRead ist, dass sicher gestellt sein muss, dass die anliegende Adresse gültig ist (mehr dazu im Kapitel Speicher).
Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012
Erweiterung des Blockschaltbilds
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 22
Eine Übung zum Abschluss
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 23
Wie lässt sich das Blockschaltbild des Datenpfads erweitern, sodass auch die MIPS‐Instruktion j unterstützt wird?
Zur Erinnerung:
j 4096 # $pc = 4096<<2 + oberste vier# Bit von $pc
Control einer einfachen MIPS‐CPU
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 24
Ziel
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 25
Bisher haben wir lediglich den Datenpfad einer einfachen MIPS‐CPU entworfen.
Die Steuerleitungen der einzelnen Bausteine zeigen noch ins Leere.
Jetzt wollen wir festlegen, wann zur Abarbeitung unserer Instruktionen (d.h. lw, sw,add, sub, and, or, slt,beq ) welche Steuerleitungen an oder aus sein sollen. Den Baustein der das macht, nennt man „Control“.
Wir trennen die Control in zwei Teile:ALU‐Control: Legt für jeden Befehl die ALU‐Operation fest.Main‐Unit‐Control: Legt für jeden Befehl die übrigen Steuerleitungen fest.
Wir verwenden auf den nächsten Folien die folgende Terminologie:Steuerleitung an: assertedSteuerleitung aus: deasserted
Control einer einfachen MIPS‐CPUALU‐Control
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 26
Vorüberlegung: Die passenden ALU‐Funktionen
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 27Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012
Control‐Eingänge der betrachteten ALU
• Für Load‐ und Store‐Instruktionen lw, sw brauchen wir die ALU‐Funktion add.
• Für die arithmetisch‐logischen Instruktionen add, sub, and, or,slt brauchen wir die entsprechende passende ALU‐Funktion.
• Für die Branch‐Instruktion beq brauchen wir die ALU‐Funktion sub.
Vorüberlegung: die Instruktionsformate
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 28Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012
Wenn der Wert von Bit 31 bis 26 in der gefetchten Instruktion gleich• 0: arithmetisch‐logische Instruktion (d.h. add,sub,and,or,slt).Die Funktion ist mit dem Wert von Bit 5 bis 0 festgelegt.
• 35 oder 43: Load‐ bzw. Store‐Instruktion (d.h. lw, sw).
• 4: Branch‐Instruktion (d.h. beq).
(I-type)
(I-type)
ALU‐Control
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 29
ALU‐Control
Belegung der ALU‐Steuerleitungen, so dass die ALU die richtigen ALU‐Operation ausführt.
Ausgabe Eingabe
5‐Bit‐Funct‐Field der Instruktion
ALUOp in Abhängigkeit des Instruktionstyps
Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012
In einer Wahrheitstabelle zusammengefasst
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 30
Eingabe Ausgabe
Daraus lässt sich mechanisch eine kombinatorische Schaltung generieren, die wir im Folgenden mit dem ALU‐Control‐Symbol abstrakt darstellen.
ALU‐Control
ALUOp
Instruction[5:0]
(also das Funct‐Field der Instruktion)
ALU‐Operation
0
0
Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012
Erweiterung des Blockschaltbilds
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 31
Control einer einfachen MIPS‐CPUMain‐Unit‐Control
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 32
Opcode bestimmt Steuerleitungsbelegungen
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 33
Instruction RegDst ALUSrcMemto‐Reg
Reg‐Write
Mem‐Read
Mem‐Write Branch
ALU‐Op1
ALU‐Op0
R‐format (0)
lw (35)
sw (43)
beq (4)Bildquelle: David A. Patterson und John L. Hennessy, „Computer Organization and Design“, Fourth Edition, 2012
Eingabe:Instruction [31‐26] Ausgabe
Auch hier wieder
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 34
Aus voriger Wahrheitstabelle lässt sich mechanisch eine kombinatorische Schaltung generieren, die wir im Folgenden mit dem Control‐Symbol abstrakt darstellen.
ControlInstruction[31—26](also: das Opcode‐Field der Instruktion)
RegDstBranchMemReadMemtoRegALUOpMemWriteALUSrcRegWrite
Erweiterung des Blockschaltbilds
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 35
Beispiel für eine R‐Typ‐Instruktion
• Instruktion wird gefetched und PC um 4 erhöht.• Die Register $t2 (Instruction [25‐21]) und $t3 (Instruction [20‐16]) werden aus dem Register‐File geladen.
• Die ALU führt die in dem Function‐Field (Instruction[5‐0]) codierte Operation auf den gelesenen Register‐Daten aus.
• Das Ergebnis der ALU wird in Register $t1 (Instruction[15‐11]) zurück geschrieben.
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 36
add $t1, $t2, $t3
Beispiel für eine Load/Save‐Instruktion
• Instruktion wird gefetched und PC um 4 erhöht.• Das Register $t2 (Instruction [25‐21]) wird aus dem Register‐File geladen.
• Die ALU addiert das Register‐Datum und den 32‐Bit Sign‐exteded 16‐Bit‐Immediate‐Wert 8 (Instruction [15‐0]).
• Die Summe aus der ALU wird als Adresse für den Datenspeicher verwendet.
• Das Datum aus dem Datenspeicher wird in das Register‐File geschrieben. Das Register in das geschrieben wird ist $t1 (Instruction [20‐16]).
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 37
lw $t1, 8($t2)
Beispiel für eine Branch‐Instruktion
• Instruktion wird gefetched und PC um 4 erhöht.• Die Register $t1 (Instruction [25‐21]) und $t2 (Instruction[20‐16]) werden aus dem Register‐File geladen.
• Die Haupt‐ALU subtrahiert die ausgelesenen Register‐Daten voneinander.Die zusätzliche ALU addiert PC+4 auf den 32‐Bit Sign‐exteded und um 2 nach links geshifteten 16‐Bit‐Immediate‐Wert 42 (Instruction [15‐0]).
• Das Zero‐Ergebins der Haupt‐ALU entscheidet ob der PC auf PC+4 oder auf das Ergebnis der zusätzlichen ALU gesetzt wird.
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 38
beq $t1, $t2, 42
Eine Übung zum Abschluss
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 39
In der vorigen „Übung zum Abschluss“ wurde das Blockschaltbild des Datenpfads so erweitert, sodass auch die MIPS‐Instruktion junterstützt wird.
Wie müssen Control und Alu‐Control modifiziert werden (wenn überhaupt), damit die MIPS‐Instruktion j auch von Seiten des Control unterstützt wird?
Erinnerung:j addr # Springe pseudo-direkt nach addr
000010 addressOpcodeBits 31‐26
AdresseBits 25‐0
J‐Typ
Pipelining
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 40
PipeliningInstruktionszyklen
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 41
MIPS‐Instruktionszyklus
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 42
Ein MIPS‐Instruktionszklus besteht aus:
1. Instruktion aus dem Speicher holen(IF: Instruction‐Fetch)
2. Instruktion decodieren und Operanden aus Register lesen(ID: Instruction‐Decode/Register‐File‐Read)
3. Ausführen der Instruktion oder Adresse berechnen(EX: Execute/Address‐Calculation)
4. Datenspeicherzugriff(MEM: Memory‐Access)
5. Resultat in Register abspeichern(WB: Write‐Back)
Instruktionszyklen in unserem Blockschaltbild
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 43
Instruktionszyklen generell• Instruktionszyklen anderer moderner CPUs haben diese oder eine sehr ähnliche Form von Instruktionszyklen.
• Unterschiede sind z.B.:– Instruktion decodieren und Operanden lesen sind zwei getrennte Schritte. Dies ist z.B. notwendig,
• wenn Instruktionen sehr komplex codiert sind (z.B. x86 Instruktionen der Länge 1 bis 17 Byte)
• wenn Instruktionen Operanden im Speicher anstatt Register haben (z.B. einige Instruktionen bei x86)
Grundlagen der Rechnerarchitektur ‐ Prozessor 44
Top Related