8. Első generációs (keskeny) szuperskalár processzorok

Question 1

Szuperskalárok közös jellemzői

Answer 1

 Kibocsátási párhuzamosság: a CPU a dekódoló
egységből képes órajelciklusonként több
utasítást kibocsátani (max. 2-6 utasítás /
órajelciklus [kibocsátási ráta]). Vagyis ez már
nem csak időbeli, hanem térbeli
párhuzamosság is. (’90-től)
 Utasításablak használata
 Függőségkezelés (extra HW)
 Evolúciós fejlődési stratégia követése > a korábbi CPU-kra írt utasításokat ezen us le lehetett futtatni.
kép17

Question 2

Kibocsátás

Answer 2

 RISC: max. 3 utasítás / órajelciklus
 CISC: max. 2 utasítás / órajelciklus
o 1 db. CISC utasítás = 1-3 db. RISC utasítás

Question 3

Utasítás ablak

Answer 3

Ez egy része az első és második generációs szuperskalároknak is.
Lényege: olyan puffer, amely az adott ciklusban kibocsátandó
utasításokat tartalmazza. Itt történik a dekódolás és a
függőségek ellenőrzése is. Ha független egy utasítás, akkor az
egy szabad VE-hez kerül tovább.
kép18

Question 4

Utasítás ablak működési alternatívák

Answer 4

 Az utasítás ablak feltöltése történhet:
o utasításonként
o egyszerre az összes, amikor kiürült a teljes utasítás ablak
 Utasítások feldolgozása történhet:
o sorrendben
o sorrenden kívül

Question 5

Utasítás ablak első generációs szuperskalároknál

Answer 5

Egyszerre való feltöltés, sorrendben történő feldolgozás

Question 6

Harvard architektúra lényege

Answer 6

A programkód és az adatok fizikailag elkülönített útvonalon mozognak és külön tárolódnak.

Question 7

Harvard architektúra jellemzők

Answer 7

 Párhuzamos adatutak vannak, amelyek teljesítménynövekedést eredményeznek
 Párhuzamos végrehajtás szempontjából kedvező kialakítás
 Képes programot adatként betölteni és adatot programként
 Különálló kód- és adat-címtartományokkal rendelkezik
 A bithossz eltérő lehet
 Manapság módosított módon használják
kép19

Question 8

Neumann architektúra

Answer 8

Lényege (a fentihez képest): a programkód és az adatok együttes kezelése, tárolása.

Question 9

Első generációs szuperskalárok tulajdonságai

Answer 9

Jellemzők:
 Nem pufferelt vagyis közvetlen utasítás kibocsátás: dekódolás után rögtön küldi tovább a VE- nek az utasítást.
 Statikus elágazáselőrejelzés amint a lehívási (FETCH) alrendszer végez. A programkód bizonyos tulajdonságai alapján dönt az ugrásról. Jól ismeri fel a ciklusokat.
 2 szintű gyorsítótár
o L1: a CPU lapkán
 adatgyorsítótár
 utasításgyorsítótár 
o L2: külön lapkán
 2-3 végrehajtó egység

Question 10

Példa: első generációs szuperskalárok kibocsátása

Answer 10

Kibocsátjuk a független i1 utasítást.
Utasítás feldolgozás sorrendben történik. Ezért mivel a második utasítás nem hajtható végre, valamilyen függőségre vár, ezért a harmadik utasítás sem fog végrehajtódni.
A következő óraciklusban az i2 utasítás függősége már feloldódott, ezért kibocsátható mind az i2, mind pedig az i3.
Ezzel az utasításablak kiürült.
Feltöltjük a kiürült utasításablakot 3 további utasítással. Közülük az i4 és az i5 független, ezért kibocsátjuk, míg az i6 a függőségek feloldásáig vár a kibocsátásra.
I6 utasítás kibocsátásra kerül.
Utasításablakot feltöltjük. I7 feloldása után nincs függőség. 0 db kibocsátott utasítás
Összes kibocsátása (nincs függőség)
kép20

Question 11

Végrehajtási modell

Answer 11

Ez egy egyszerűsített működési modell, RISC architektúra.
3 fő részből áll:
1. Első rész: utasítás lehívás (F), utasítás ablak feltöltés
2. Utasítás ablak
3. Hátsó rész: utasítás ablakkiürítés, dekódolás (D), függőség ellenőrzés, kibocsátás, végrehajtás
(E), visszaírás (W/B).

Question 12

Végrehajtási modell jellemzők

Answer 12

 Alrendszerek: F, D, E, W/B
 Az alrendszerek pufferekkel vannak elválasztva
 A rendszer szélessége: hány utasítást képes feldolgozni ciklusonként. Ezt a legkisebb
kibocsátási képességgel rendelkező alrendszer határozza meg. (Pl PC-nél a HDD.) Ez az egész
rendszer átbocsátási tényezője
 Kibocsátási szűk keresztmetszet (D)
 Az operandusok az architektúrális regiszterből kerülnek betöltésre
 Az eredményeket az architektúrális regiszterbe vagy az operatív tárba írja ki
 A feldolgozási ráta közelít az 1-hez! (max. 2 db. utasítás / ciklus)
o < 1 db. utasítás / ciklus a kibocsátásnál o < 1 db. utasítás / ciklus a feldolgozásnál

Question 13

Függőségek kiküszöbölve, csökkentve a végrehajtási modellben

Answer 13

 Memória függőségek csökkentve
 Előrejelzés késleltetése csökkentve
 Erőforrásfüggőségek csökkentve
 Adatfüggőségek NEM csökkentve. A valós és az ál-adatfüggőség is blokkol!

Question 14

Keskenység

Answer 14

 nyilvánvalóan a memória, illetve elágazásfeldolgozás miatt:
o legnagyobb akadály: kibocsátási szűk keresztmetszet
 Oka: közvetlen kibocsátás
o a memória problémát a gyorsítótárakkal (L1, L2) kezeljük, csökkentve a szűk
keresztmetszetet
o az elágazásfeldolgozást statikus becsléssel javítjuk.

Question 15

Példa: Intel Pentium I (első generációs szuperskalár) alaptulajdonságai

Answer 15

• 2 db futószalag, 2 db VE
• 1 db V futószalag
• dedikált
• egyszerű fx, L/S, branch utasítások
• 1 db U futószalag
• univerzális/mester
• minden más művelet elvégzésére
• 5 fokozat
• F lehívás
• D dekódolás
• AG - címszámítás
• E végrehajtás
• W/B visszaírás

Question 16

Példa: Intel Pentium I (első generációs szuperskalár) újdonságai

Answer 16

-bármely x86 utasítás végrehajtása
-belül 64 bites busz
-kívül 32 bites, vagyis 2 ciklus kell a belső busz feltöltéséhez
-ugrás előrejelzés, ehhez 2 db prefetch puffer
-2 db, egyenként 8 kB-os belső cache:
o egy a programkódnak
o egy az operandusoknak

Question 17

Példa: Intel Pentium I (első generációs szuperskalár) végrehajtási modellje

Answer 17

kép22