William Stallings Organização de computadores digitais. Capítulo 11 Estrutura e função da CPU

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1 William Stallings Organização de computadores digitais Capítulo 11 Estrutura e função da CPU

2 Encruzilhada na arquitetura de computadores 2004/2005 Antiga opinião Nova visão a energia é de graça, os transistores são caros Aumento do paralelismo no nível da instrução: compiladores, inovações da Unidade de Controle (out-of-order, execução especulaticva, VLIW) Multiplicação é lenta, memória é rápida A performance dos (uni) processadores 2x / 1.5 anos a energia é cara (power wall), transistores são de graça (isto é, pode-se colocar mais deles em um chip do que é possível ligar) lei da diminuição dos retornos sobre mais HW for ILP (ILP) wall Multiplicação é rápida, a memória é lenta (memory wall) 200 ciclos de clock para a memória DRAM e 4 para multiplicar Power+ILP+Memory walls = brick wall -> (multi) processadores 2x CPU / 1,5 anos, pois CPUs simples são mais power efficient

3 Transputer announcement RISC revolution

4 Mudança de paradigma: processador é o novo transistor? o 1971 Intel 4004: 4 bit processor, 2312 transistores, 0.4 MHz, 10 micron PMOS, 11 mm^2 chip o RISC II: 32 bit, 5 stage pipeline, 40,760 transistors, 3 MHz, 3 micron NMOS, 60 mm^2 chip o 2004 Intel: 2312 RISC II + FPU + Cache micron CMOS, 125 mm^2 chip

5 History of general purpose CPUs CPU design

6 Estrutura da CPU o Organização do processador o Registradores o Ciclo de instrução e pipeline o Organização do Pentium II e PowerPC

7 Estrutura da CPU o Ações que a CPU deve executar: o Busca de instrução o Interpretação de instrução o Busca de dados na memória ou I/O o Processamento de dados: operação aritmética ou lógica sobre os dados o Escrita de dados na memória ou I/O

8 Registradores o CPU deve ter espaço de trabalho temporário o Este espaço é fornecido pelos Registradores o O número e funções dos registradores varia grandemente entre os processadores o Esta é uma das decisões determinantes de um projeto o Os registradores representam o topo da hierarquia de memória

9 CPU e o barramento do sistema Barramento do sistema ALU faz o processamento do dados CU controla não só a transferência de dados e instruções para dentro e fora da CPU, mas também a própria operação da ALU Registradores: memória de trabalho

10 Estrutura interna da CPU o Barramento interno o CPU: unidade de controle, ULA e registradores o Computador: CPU, I/O e memória

11 Organização dos registradores o Hierarquia de memória o Níveis altos: mais cara e rápida o Níveis inferiores: menos cara e lenta o Registradores: acima da memória principal e do cache o Registradores visíveis para o usuário o Registradores de controle e estado

12 Registradores visíveis ao usuário o Permitem ao programador de linguagem de montagem (assembler) ou de máquina minimizar referências à memória, pela otimização do uso dos registradores o Registradores de Propósito Geral o Registradores de Dados o Registradores de Endereços o Registradores de Códigos de Condição

13 Registradores de propósito geral o Podem ser verdadeiramente de propósito geral: o usados pelo programador; o ortogonais ao código de operação -- qualquer registrador pode conter um operando para qualquer código de operação. o Podem haver algumas restrições: o registradores dedicados para operações sobre ponto flutuante ou operações sobre a pilha. o Podem ser utilizados para dados ou cálculo de endereçamento: o registradores de segmento -- contém o endereço base de um segmento; o registradores de índice -- utilizados para endereçamento indexado; o apontador de topo de pilha -- aponta o topo da pilha.

14 Registradores de propósito geral: decisões de projeto o Fazendo eles de propósito geral: o aumenta o tamanho da instrução e sua complexidade; o aumenta a flexibilidade e as opções do programador. o Fazendo eles especializados: o permite referência implícita aos registradores; o instruções menores e mais rápidas; o menor flexibilidade na programação. o A tendência tem sido utilizar registradores especializados.

15 Registradores de propósito geral: quantos registradores? o O número de registradores afeta o projeto do conjunto de instruções: quanto maior, maior o número de bits para especificar os operandos. o O número aceito é entre 8 e 32. o Poucos registradores implica em mais referências à memória. o Mas muitos registradores não reduz necessariamente o número de referências à memória. o Algumas arquiteturas RISC podem ter centenas de registradores.

16 Registradores de propósito geral: qual o tamanho apropriado? o Grande o suficiente para conter o maior endereço do sistema. o Grande o suficiente para conter uma palavra. o É desejável que se possa combinar dois registradores de dados para conter valores de tamanho duplo: o em linguagem C o double int a; o long int a;

17 Registradores de propósito geral: códigos de condição o Conjuntos de bits individuais (flags), atualizados pelo hardware da CPU como resultado de operações: o e.g. se o resultado da última operação aritmética é positivo, negativo, zero ou se ocorreu overflow. o Podem ser lidos (implicitamente) por programas e utilizados em operações de desvio. o Não podem (em geral) ser setados por programas.

18 Registradores de controle e estado o São utilizados pela CU para controlar a operação da CPU e por programas do SO para controlar a execução de programas. o Não são visíveis ao usuário na maioria das máquinas. o Program Counter (PC): o endereço da instrução a ser buscada. o Instruction Register (IR): a última instrução buscada. o Memory Address Register (MAR): o endereço de uma posição de memória. o Memory Buffer Register (MBR):um dado a ser escrito na memória ou lido recentemente.

19 Palavra de estado de programa (Program Status Word PSW) o O PSW é um conjunto de bits que inclui os Códigos de Condição e outras informações de estado: o Sinal do último resultado; o Zero; o Carry (vai um); o Igual; o Overflow; o Habilita ou desabilita Interrupções; o Supervisor ou usuário.

20 Outros registradores o Dependendo da CPU, podem existir outros registradores de uso específico: o Blocos de controle de processo (visto em SO); o Vetores de interrupção (visto em SO); o Topo de pilha; o Controle de operações de I/O. o No projeto da organização dos registradores, as necessidades do SO são determinantes.

21 Exemplo da organização dos registradores em microprocessadores Processadores MC68000, 8086 (16 bits) e (32 bits) MC68000 (registradores separados, mas de uso misto: flexibilidade) endereços e dados separados dados (e índices) de 8, 16 ou 32 bits A7 é utilizado como apontador de pilha (para o sistema e para o usuário)

22 Exemplo da organização dos registradores em microprocessadores Processadores MC68000, 8086 (16 bits) e (32 bits) 8086 (registradores de uso especial, poucas exceções: menor flexibilidade) dados de 16 ou 8 bits apontadores e índices de 16 bits 80386: usa registradores de 32 bits que retém a organização do 8086, para compatibilidade Não existe solução sempre ideal

23 Numeração dos processadores: novas nomenclaturas Usar apenas o clock interno como indicativo de desempenho fornece uma idéia muito vaga da capacidade do processador. Modelos com o mesmo clock, só que com cache ou outros recursos são muito diferentes no desempenho, pois o que determina a eficiência de um chip é o conjunto de características e não apenas uma. AMD adotou a nomenclatura PR (Performance Reference) a partir do processador Athlon XP A Intel também adotou um modelo de nomenclatura diferente:

24 Memórias cache o Cache L1 (Nível 1 ou cache interno): é a memória cache que vem dentro do processador. o Cache L2 (Nível 2 ou cache externo): para aumentar a eficiência do cache L1, surge uma memória cache fora do processador: o cache L2. o Atualmente, os processadores trazem o cache L2 embutido na CPU, fazendo com que as terminologias "interno" e "externo" percam o sentido.

25 Performance Reference: isso já aconteceu antes o o Quando a Intel lançou o processador Pentium, a AMD e a Cyrix tentaram manter seus processadores 486 por mais tempo no mercado. Para isso, acrescentaram recursos nesses processadores e os lançaram com o nome de 586, como se estes fossem equivalentes ao Pentium. No entanto, o Pentium era superior. o Os processadores atuais da AMD têm desempenho equivalente e, em alguns casos, superior aos modelos concorrentes da Intel. o Exemplo: o Athlon XP tem clock interno de 2250 MHz, mas a AMD não usa o nome Athlon XP 2250 MHz, pois quer indicar que o processador tem desempenho equivalente a um Pentium 4 de 2800 MHz.

26 Exemplo Repare que os valores de clock interno são diferentes dos valores apontados nos nomes. Note que os últimos dois processadores possuem clock interno e externo iguais, mas a quantidade de cache L2 é diferente. Processador Clock interno Clock externo Cache L2 Sempron ,5 GHz 333 MHz Sempron ,58 GHz 333 MHz Sempron GHz 333 MHz 256 Kb Sempron GHz 333 MHz 512 Kb

27 Ciclo de Instrução o Já o vimos no capítulo 3 do Stallings

28 Ciclo Indireto o Pode ser necessário vários acessos à memória para buscar múltiplos operandos. o No endereçamento indireto também são necessários vários acessos à memória. o São como que sub ciclos de instrução.

29 Diagrama de estados para o ciclo de instrução

30 Busca de instruções: fluxo dos dados o Depende do projeto da CPU o Em geral, a busca de uma instrução (fetch): o PC contem o endereço da próxima instrução; o o endereço é carregado no MAR; o o endereço é disponibilizado no barramento de endereços; o a unidade de controle solicita uma operação de leitura da memória; o o resultado é colocado no barramento de dados, copiado no MBR e então para o IR; o o PC é incrementado do tamanho da instrução executada.

31 Busca de instruções: fluxo dos dados o O IR é examinado o Se o endereçamento é indireto, o ciclo indireto é realizado : o os N bits mais significativos do MBR é transferido para o MAR; o a unidade de controle requisita uma operação de leitura na memória; o o resultado (isto é, o endereço do operando) é movido para o MBR.

32 Busca de instruções: fluxo dos dados

33 Busca de instruções: fluxo indireto

34 Busca de instruções: execução o As instruções podem assumir várias formas. o Depende da instrução em execução. o Podem incluir: o operação de leitura ou escrita na memória; o operação de Input/Output; o transferências entre registradores; o operações com a ALU.

35 Busca de instruções: interrupção o São simples e previsíveis: o o conteúdo do PC é salvo para permitir o retorno ao ponto anterior de execução; o o conteúdo do PC é copiado para MBR; o o ponto de salvamento é carregado no MAR (e.g. stack pointer); o MBR é escrito na memória; o o PC é carregado com o endereço da rotina de manipulação de interrupções; o a próxima instrução, a primeira do manipulador de interrupções, pode ser carregado.

36 Fluxo de dados: diagrama de interrupção

37 Pré busca (prefetch) o A busca da próxima instrução acessa a memória principal. o A execução em geral não acessa a memória principal. o Portanto, pode-se buscar a próxima instrução durante a execução da instrução corrente. o Isto é chamado de instruction prefetch.

38 Aumento da performance? o Aumenta a performance, mas não a dobra: o A operação de busca (fetch) é em geral mais curta que a execução; o Em casos de jump ou branch as instruções pré buscadas (prefetched) não serão as instruções necessárias. o Pode-se adicionar mais estágios para melhorar a performance.

39 Pipelining o Fetch instruction o Decode instruction o Calculate operands o Fetch operands o Execute instructions o Write result o Overlap these operations

40 Timing of Pipeline

41 Branch in a Pipeline

42 Foreground Reading o Processor examples o Stallings Chapter 11 o Web pages etc.

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