Folien Kap. 6a - Ra.informatik.tu-darmstadt.de

R. Hoffmann – TUD – FG Rechnerarchitektur – RMP SS 09
6. Rechnerentwurf
6.1 Einige Entwurfsaspekte
Sicht des Anwenders auf das Computersystem
Forderungen an das System (eine Auswahl)
• Intuitive Bedienbarkeit
• Angemessene Funktionalität
– Nicht zu viele, nicht zu wenige Operationen;
– Nicht nur Bereitstellung "intelligenter" Operationen sondern auch die erzeugenden Elementar-
Operationen
– Möglichkeit der Bildung von zusammengesetzten komplexeren Operationen
• Ausführungszeit < Schranke
• Kompatibilität
• Kosten
• Zuverlässigkeit
• Für den Anwender ist die Art und Weise der Software- und Hardware-
Implementierung unwichtig, solange wie die Leistungsmerkmale erfüllt werden!
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6.1 Einige Entwurfsaspekte (2)
Anwendungsprogrammierer und Systemprogrammierer
Forderungen und Kenntnisse des Anwendungsprogrammierers
Forderungen an die Programmentwicklungsumgebung
• geeignete Progammiersprache, Bibliotheken
• schnelle Entwicklung
• schnelle Änderbarkeit
• Unterstützung bei der Dokumentation
• Bedienfreundlich
Bei bestimmten Anwendungsprogrammen (z.B. Spielprogramme) muß der
Anwendungsprogrammierer die Maschinenmerkmale (Adreßraum,
Zahlendarstellung, Graphik-Resourcen, EA-Schnittstellen) berücksichtigen.
Der Systemprogrammierer
benötigt Kenntnisse über BS und Hardware-Eigenschaften
entwickelt Systemprogramme (Betriebssystem, Laufzeitsystem, Compiler,
Debugger, Editor, Browser, Kommunikationsprogramme)
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6.1 Einige Entwurfsaspekte (3)
Rechnerarchitekt
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Entwerfer des Rechnersystems (Rechnerarchitekt im weiteren Sinne)
Festlegung der Rechnerstruktur und Rechnerorganisation (Gliederung in
Funktionseinheiten und Zusammenspiel)
• Schnittstelle zum Betriebssystem
• Prozessoren, Busse, Hauptspeicher, Cachspeicher, Plattenspeicher,
Grafikinterface, EA-Schnittstellen, ...
• Zuverlässigkeit, Durchsatz, Zugriffszeiten, Bandbreiten, maximale Kapazitäten,
Erweiterbarkeit, ...
Entwerfer der Rechnerarchitektur (Rechnerarchitekt im engeren Sinne)
Festlegung und Implementierung des Maschinenbefehlssatzes und die
durch ihn angesprochenen Objekte (Register, Speicher, EA-Schnittstelle,
Interruptsystem)
• ISA=Instruction Set Architecture
– Sicht des Maschinenprogrammierers auf die Maschine
• Mikroarchitektur
– Implementierung der ISA durch die logischen Bausteine (Register, Speicher, Logik,
Verbindungen) auf der Register-Transfer-Ebene
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6.1 Einige Entwurfsaspekte (4)
Logik-Entwerfer und Rechnerbauer
Logik-Entwerfer
entwickelt die integrierte Schaltung
• Ausgangspunkt: Funktionale und Register-Transfer-Beschreibung
• Berücksichtigung des Zeitverhalten, elektrischen Verhaltens
• mit Hilfe von Simulation, Design- und Synthese-Tool
• Erforderliche Kenntnisse: Digitaltechnik, Elektrotechnik, Physik,
Materialeigenschaften, Herstellungsprozesse
Rechnerbauer
Entwicklung der gesamten Schaltung
Benutzer von Bausteinen
Berücksichtigung des physikalischen und elektrischen Verhaltens
Layout und Platinenentwurf
Zusammenbau
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Formulierung der Entwurfsaufgabe
1. Formulierung der Implementierungsaufgabe (s. nächste Folien)
2. Aufstellung eines Lösungsplans, der den Implementierungsweg aufzeigt
Teilziele festlegen
Arbeitsschritte und Meilensteine
Darstellungsmittel
• Tabellen
• Blockschaltbilder
• Graphen
• Ablaufpläne
• Relationen
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Gesucht
zu 1. Formulierung der Entwurfsaufgabe
Beispiel: Software-Implementierungsaufgabe
Implementierung eines Programms, das die Forderungen erfüllt
Benutzerhandbuch
Dokumentation über die Planung und Implementierung
Forderungen/Nebenbedingungen
Erfüllung der expliziten Forderungen des Anwenders (gegeben)
Erfüllung der impliziten Forderungen/Erwartungen des Anwender (zu
erfragen oder zu vermuten)
Die Laufzeit für bestimmte Funktionen muß unterhalb einer bestimmten
Schranke liegen (gegeben oder vorzugeben).
Es soll die Entwicklungsumgebung für die Programmiersprache X auf dem
Rechner Y mit dem Betriebssystem Z verwendet werden (gegeben).
Das Produkt soll möglichst gut wartbar sein (präzisieren).
Die Kosten sollen kleiner als K sein (Kosten präzisieren: Entwicklungs-,
Herstellungs-, Wartungs-, Betriebs-, Änderungskosten).
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zu 1. Formulierung der Entwurfsaufgabe
Beispiel: Hardware-Implementierungsaufgabe
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Gesucht
Integrierte Schaltung
Datenblatt
Entwurfsunterlagen
Forderungen/Nebenbedingungen
Applikationen für den Einsatz der Integrierten Schaltung in Umgebungen
Funktionsweise
Zeitverhalten
Anzahl der Anschlüsse
Stromverbrauch
Kosten
Die zu verwendende Logik-Technologie
Die benutzbaren bzw. zu benutzenden Entwicklungswerkzeuge.
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Unterscheidung zwischen Entwurf und Optimierung
Entwurfsaufgabe
Es wird eine Lösung für das Entwurfsziel gefunden, die den
Nebenbedingungen genügt. Es wird keine optimale Qualität verlangt.
Optimierungsaufgabe
Es wird versucht, eine optimale Lösung zu finden
• optimal: Minimierung oder Maximierung einer Zielfunktion (Gütekriterium, Fitness)
• typische Zielfunktionen
– Aufwand minimal, Ausführungszeit < Schranke
– Ausführungszeit minimal, Aufwand < Schranke
Zur Ermittlung eines Optimums müssen viele Lösungen entworfen/berechnet
und durch die Zielfunktion bewertet werden!
Verfahren: Genetische Algorithmen, Simulated Annealing, Heuristische Suche
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Vorgehensweisen beim Rechnerentwurf
Top-Down
Spezifikation
Gestaltungsraum
Bausteine
- Orientiert an der Spezifikation
- Testbarkeit erst zum Schluß,
(oder Emulation der virtuellen Komponenten)
- verlangt größeres Abstraktionsvermögen
- Gefahr der Ineffizienz, weil die Fähigkeiten der Bausteine
überschätzt oder unterschätzt werden
Bottom-Up
- Orientiert an den Möglichkeiten der Bausteine
- Besser testbar
- Besser vorstellbar
- Gefahr der Konstruktion unzweckmäßiger Bausteine
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Zum Entwurf eines Steueroperationssystems
Entwürfe des STW und des OPW sind voneinander abhängig!
1. Möglichkeit: Zuerst das Operationswerk festlegen
2. Möglichkeit: Zuerst das Steuerwerk festlegen
wenn das System zu langsam ist
OPW mächtiger machen
wenn das System zu teuer ist
Eliminieren von aufwendiger Hardware
Mehrfachnutzung von Hardware
Versuch, das OPW möglichst übersichtlich und homogen zu gestalten
dann werden das STW und die Steuerbefehle auch klarer strukturiert sein!
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Zum Entwurf eines Prozessors
Top-Down
zuerst Steuerablauf (Zustandsdiagramm zur Interpretation der Befehle) festlegen,
ohne besondere Einschränkungen in Bezug auf die Realisierbarkeit
Mikrooperationen herausziehen und Operationswerk entwerfen
anschließend Steuerwerk anpassen und Aufwandsminimierung
Bottom-Up
zuerst Definition des Operationswerks, im Hinblick auf die zu implementierenden
Befehle
ALU- und Vergleichsfunktion, Adreßberechnungen, Speicheransteuerung,
Verbindungen definieren Mikrooperationen definieren
anschließend Steuerablauf implementieren, Mikrooperationen anpassen und
optimieren
Möglichkeiten der Aufwandsminimierung
Ersetzen von direkten Verbindungen durch indirekte Verbindungen
Mehrfachnutzung von Bussen und Funktionseinheiten
Zerlegung aufwendiger Funktionen in eine Folge einfacherer Operationen
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Zum Entwurf eines Mikroprogramm-Steuerwerks
1. Größe des MP-Speichers festlegen.
insbesondere die maximale Länge des Mikroprogramms
2. Entwurf der Mikrobefehle
vom horizontalen zu vertikalen Mikrobefehl
man beginnt mit einer klaren, übersichtlichen Struktur mit minimaler
Ausführungszeit
falls erforderlich, Speicherplatz minimieren und Mikrooperationen
sequentialisieren
vom vertikalen zum horizontalen Mikrobefehl
man beginnt mit minimalem Aufwand
falls erforderlich, kann der Entwurf schrittweise mächtiger gemacht werden
pragmatischer Ansatz
Mikrobefehl ist doppelt so breit wie die Register (Daten)
Vorteil: Direktoperand kann dann in seiner vollen Breite direkt im Mikrobefehl
stehen
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Zum Entwurf der Maschinenbefehle
Informationsanteile, die im
Maschinenbefehl codiert werden
müssen:
Datenadressen
(Speicheradressen,
Registeradressen)
Rechenkonstanten
Programmadressen (zur
Beeinflussung des Ablaufs)
Operationen
(Rechenoperationen,
Statusoperationen,
Programmablaufoperat.)
Einteilung in Befehlstypen,
gegliedert nach Operationen
Transport- , Rechen-,
Statusoperationen
• benötigen Speicher/Register-
Adressen, Konstanten
Programmablaufoperationen
• benötigen Sprungadresse
(Konstante), Speicher/Register-
Adressen (indirekte Sprungadresse)
• Bedingungsauswahl-Index (kann als
Teil des OPC angesehen werden)
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Typische Einteilung in Befehlstypen
Speicher
Transport-Befehle
Speicher/Register Speicher/Register
Speicher Register (LOAD, STORE)
LOAD
STORE
Rechen- und Statusoperationen
Register
Sprungbefehle
unbedingt
bedingt
Unterprogrammsprung
Software-Interrupt (Supervisor-Call)
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Anzahl der Register
Wahl der Anzahl der Register
möglichst klein
• Einsparung von Bits für die Registeradressen
• Beim Prozesswechsel müssen nur wenige Register-Inhalte ausgetauscht werden
möglichst groß
• schneller Zugriff auf viele Zwischenergebnisse und Parameter
Wahl der Anzahl n der Registersätze
entweder n=1
• gemeinsamer Registersatz
• universelles Rechenwerk oder spezielle Rechenwerke ggf. mit parallelem Zugriff
auf die Register
oder n>1
• für jeden Datentyp einen separaten Registersatz und ein spezielles Rechenwerk
oder n>1
• Vervielfachung der Registersätze zur Unterstützung von Multithreading
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Adresse im Befehl und Länge des Befehls
Länge der Speicheradresse
Befehlswortlänge variabel
physikalische (sollte aus Gründen
des Aufwands klein sein)
virtuelle (sollte aus Sicht des
Programmierers groß sein)
Befehlswortlänge fest
hardwareorientiert
softwareorientiert
flexibles Konzept
• Befehle mit großer
Auftretungswahrscheinlichkeit (Häufigkeit)
werden kurz codiert
• lange, komplexe Befehle können
dargestellt werden
starres Konzept
• Informationsanteile müssen aufgrund der
begrenzten Wortlänge auf ein Minimum
reduziert werden.
• Komplexe Operationen müssen
zusammengesetzt werden.
Nachteile: Erhöhter
Decodieraufwand, Komplexe
Hardware, Hoher
Optimierungsaufwand
Vorteile: Einfache und übersichtliche
Hardware, einfach decodierbar, gut
optimierbar (z.B. durch Pipelining)
Vorteile: Potiential für höheres Maß
an Parallelverarbeitung
Nachteile: Parallelität beschränkt
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Anzahl der Befehle
Kleiner Befehlssatz
übersichtlich, leicht zu merken
Großer Befehlssatz
komplex, schwer zu merken
Auswirkung auf die Hardware
• Einfache Decodierung, kurzer
OPC
Grund: Minimierung der
Gesamtrechenzeit durch
Bereitstellung von speziellen
Befehlen
• Benutzung eines Hardware-
Steuerwerkes zur Interpretation
• Optimierung einfacher (Pipelining)
Design-Regel: Nur Befehle
hinzufügen, die einen signifikanten
Leistungsgewinn erzielen!
• Komplexe Befehle mit geringer
Häufigkeit belasten nicht die
Architektur
Zur Berechnung des
Leistungsgewinns eines Befehls i
muß sein Zeitanteil bestimmt
werden:
Zeitanteil = Häufigkeit h i mal
Befehlsausführungszeit t i
Gesamtrechenzeit T = ∑ h i (Bef i ) * t i
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Charakterisierung von Entwurfsaufgaben
Entwurf einer speziellen Hardware-Funktionseinheit
[Funktionsweise] Verdrahtung* Hardwarekomponenten
* Gesucht ist eine Verdrahtung (+ Steuerung) von Hardwarekomponenten, die die
Funktionsweise implementiert.
Festlegung einer Funktionsweise durch ein Programm
[Funktionsweise] Programm* Prozessor
* Gesucht ist ein Programm auf einem Prozessor, das die Funktionsweise
implementiert.
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Entwurf eines "festverdrahteten" Rechners
Maschinenprogramm var [Maschinenbefehle#] Verdrahtung* Hardwarekomponenten
- ladbarer
Programmspeicher
- Programm soll
interpretierbar sein
# sind vorgegeben
oder sind zu
entwerfen
* gesucht gegeben
Gesucht ist hier eine Verdrahtung von Hardwarekomponenten, die die
Maschinenbefehle interpretiert.
Das Maschinenprogramm
soll in einem ladbaren Maschinenprogrammspeicher stehen (variabel sein)
aus Maschinenbefehlen bestehen
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Entwurf eines mikroprogrammierbaren Rechners
Maschinenprogramm var
[Maschinenbefehle#]
Mikroprogramm*
[Mikrobefehle#]
Mikromaschine*
- soll interpretierbar und variabel sein
- vorgegeben oder zu entwerfen
- soll die Maschinenbefehle interpretieren, zu programm.
- zu entwerfen oder vorgegeben
- zu entwerfen
Ein mikroprogr. Rechner besitzt eine Maschinenprogrammspeicher und eine
Mikroprogrammspeicher sowie zwei Sprachebenen. Dadurch kompliziert sich
der Entwurf.
Die Mikromaschine interpretiert Mikrobefehle.
Das Mikroprogramm interpretiert die Maschinenbefehle.
Durch das Laden eines anderen Mikroprogramms können andere
Maschinenbefehle interpretiert werden
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Emulation einer vorgegebenen Rechnerarchitektur durch
ein Mikroprogramm
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Maschinenprogramm var
[Maschinenbefehle]
Mikroprogramm*
[Mikrobefehle]
Mikromaschine
- soll interpretierbar und variabel sein
- vorgegeben (ISA instruction set architecture)
- zu programmieren
- vorgegeben
- vorgegeben
Gesucht ist ein Mikroprogramm, das die vorgegebenen
Maschinenbefehle interpretiert.
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Entwurf eines mikroprogrammierten Rechners für einen
vorgegebenen Befehlssatz
R. Hoffmann – TUD – FG Rechnerarchitektur – RMP SS 09
Maschinenprogramm var
[Maschinenbefehle]
Mikroprogramm*
[Mikrobefehle#]
Mikromaschine*
- soll interpretierbar und variabel sein
- vorgegeben (ISA instruction set architecture)
- zu programmieren
- zu entwerfen oder vorgegeben
- zu entwerfen
Gesucht sind eine Mikromaschine und ein Mikroprogramm, das die
vorgegebenen Maschinenbefehle interpretiert.
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Rechnertypen
Maschinensprache konstant
Klassisch programmierbar
Maschinensprache variabel
wird festgelegt durch: Mikroprogramm, PLA-Code oder konfigurierbare
Logikbausteine (FPGA)
Mikrooperationen variabel, Adaptierbarer Rechner (teilw.
konfigurierbarer Rechner)
Die Mikrooperationen und damit die Operationen sind programmierbar,
anpassbar an die Anwendung.
Techniken: Speichertabellen (ALU-RAM/ROM), PLA, FPGA
Struktur variabel, Konfigurierbarer Rechner
Operationen, Verbindungswege und Speicherstruktur sind programmierbar
Techniken: FPGA + Speicher
Softcores, die in ein FPGA geladen werden.
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Beispiel: Teilweise konfigurierbarer Prozessor S5000
(c) Bilder aus
Elektronik
18.5.2004
Stretch S5-Engine enthält zusätzlich zu
einem normalen Prozessorkern 32
Register, die 128 Bit breit sind.
Es können 3 Quellregister und 2
Zielregister ausgewählt werden.
Das Rechenwerk ISEF (Extenxion Set
Extension Fabric) ist konfigurierbar
(Ladezeit ca 100 µs).
Per Profiling werden die Hot-Spots (am
häufigsten durchlaufenen
Programmteile) automatisch ermittelt
und in mächtigere Befehle übersetzt,
die danach im Rechenwerk konfiguriert
werden.
Anwendungen:
Data Streaming
Video Compression
Data Encryption
www.stretchinc.com
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Software Configurable Processors
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ISEF
Array of 64 Bit ALUs
4-bit and 1-bit boundaries
Array of 4x8 Multipliers, cascadable
to 32x32
Programmierbares Pipelining
up to 30 pipeline stages
Programmierbare Verbindungen
Bis zu 16 Befehle pro Konfiguration
Rekonfigurierbarkeit:
User directed or on demand
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Stretch, Video Compression
Video-Kamera
http://www.stretchinc.com/applications/video.php
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R. Hoffmann – TUD – FG Rechnerarchitektur – RMP SS 09
Software Configurable Processor S6000
Four 10-bit data
ports are included.
Each is designed to
interface directly to
common video
devices as well as
sensors and video
encoders or
decoders
Serial Interfaces
10/100/1000 Ethernet
http://www.stretchinc.com/_files/s6ArchitectureOverview.pdf
eGIB/GPIO Enhanced
Generic Interface Bus
(eGIB) for
communication with
memory-mapped
devices (flash, display,
key pads)
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R. Hoffmann – TUD – FG Rechnerarchitektur – RMP SS 09
Ergänzung: Formalismus zum Entwurf
H+ Vorrat von Hardwarekomponenten h1, h2, ...
f+ Menge der verfügbaren Verbindungsnetze (Verdrahtungen,
Verbindungsstrukturen)
H = (h1, h2, ..) ausgewählte Hardwarekomponenten
f
ausgewähltes Verbindungsnetz
P+ Programmspeicher, ladbar mit irgend einem aus allen möglichen
Programmen pi є {p1, p2, ...}
P
f{H}
Programmspeicher mit einem ausgewählten Programm pi
Funktionseinheit, basierend auf H
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R. Hoffmann – TUD – FG Rechnerarchitektur – RMP SS 09
Ergänzung: Anderer Formalismus, Beispiele
Entwurf einer Funktionseinheit
{f+, H+} f{H}
Entwurf u. Progr. eines Prozessors
{f+, P+, H+} f{P+, H} f{P, H}
Entwurf u. Progr. eines mikroprogrammierbaren Prozessors
{f+, P1+, P0+, H+} f1{P1+, f0{P0+, H}}
f1{P1+, f0{P0, H}} f1{P1, f0{P0, H}}
• Konfigurierung eines FPGAs
f{NET+}{LUTS+,H} f{NET}{LUTS, H}
Look-Up-Tables sind programmierbar
Verbindungsnetz ist programmierbar
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