Hva er datamaskinarkitektur?

Transkript

1 Hva er datamaskinarkitektur? Datamaskinarkitektur forholder seg til informatikk som motorlære forholder seg til samferdsel! Motorlære: bil buss motorsykkel generator bremse akselerere... Datamaskinarkitektur: PC arbeidsstasjon symaskin ur leker operativsystemer databaser kompilatorer... Hva kan justeres og hvordan virker ting sammen? in 147, våren 1998 Innledning 1

2 To utfordringer: 1) Hvorfor forandrer rekkefølgen på instruksjoner seg på veien fra assemblykode til maskinkode? 2) Hvorfor tar ikke lese/skriveoperasjoner like lang tid hele tiden? in 147, våren 1998 Innledning 2

3 Et programeksempel #include <stdio.h> int kombiner( int antall, int* x, int* y, int* z ) { int i; int a, b, c; for ( i = 0; i < antall; i ++ ) { a = *x; if ( a < 0 ) a = a; x++; b = *y; if ( b < 0 ) b = b; y++; if ( a > b ) c = a + b; else c = a b; *z = c; z++; } } main( int argc, char** argv ) { int i; int a[5] = { 1, 2, 3, 4, 7}; int b[5] = { 5, 6, 1, 7, 4}; int c[5] = {1, 2, 2, 1, 1}; if ( argc > 5 ) i = 5; else i = argc; if ( argc & 0x01 ) kombiner( i, &a[0], &b[0], &c[0] ); else kombiner( i, &c[0], &b[0], &a[0] ); for ( i = 0; i < 5; i ++ ) { printf(" %d %d %d\n", a[i], b[i], c[i] ); } } nori> program nori> in 147, våren 1998 Innledning 3

4 Assemblykode første forsøk #include <regdef.h>.text.globl kombiner kombiner: move t1,zero # i = 0; bgez t0,a_ok # if ( a < 0 ) goto a_ok subu t0,zero,t0 # a = a; addiu a1,a1,4 # x++; lw v1,0(a2) # b = *y; bgez v1,b_ok # if ( b < 0 ) goto b_ok subu v1,zero,v1 # b = b; b_ok: addiu a2,a2,4 # y++; slt v0,v1,t0 # bne v0,zero,adder # if ( a <= b ) goto adder subu v0,t0,v1 # c = a b; b skriv # adder: addu v0,t0,v1 # c = a + b; skriv: sw v0,0(a3) # *z = c; addiu a3,a3,4 # z++; addiu t1,t1,1 # i ++ slt v0,t1,a0 # bne v0,zero,igjen # if ( i < antall ) goto igjen jr ra # in 147, våren 1998 Innledning 4

5 Assemblykode første forsøk #include <regdef.h>.text.globl kombiner.set noreorder # < NB: rekkefølgen ligger fast kombiner: move t1,zero # i = 0; bgez t0,a_ok # if ( a < 0 ) goto a_ok subu t0,zero,t0 # a = a; addiu a1,a1,4 # x++; lw v1,0(a2) # b = *y; bgez v1,b_ok # if ( b < 0 ) goto b_ok subu v1,zero,v1 # b = b; b_ok: addiu a2,a2,4 # y++; slt v0,v1,t0 # bne v0,zero,adder # if ( a <= b ) goto adder subu v0,t0,v1 # c = a b; b skriv # adder: addu v0,t0,v1 # c = a + b; skriv: sw v0,0(a3) # *z = c; nori> eksempel «faller» gjennom koden, bare første element i c forandrer verdi nori> addiu a3,a3,4 # z++; addiu t1,t1,1 # i ++ slt v0,t1,a0 # bne v0,zero,igjen # if ( i < antall ) goto igjen jr ra #.set reorder # < NB: assembleren gjør som den vil nori> as o kombiner. kombiner.s as1: Warning: kombiner.s, line 31: NOP required 0x8ca80000 lw $8,0($5) 0x bgez $8,0 as1: Warning: kombiner.s, line 37: NOP required 0x8cc30000 lw $3,0($6) 0x bgez $3,0 in 147, våren 1998 Innledning 5

6 Assemblykode andre forsøk #include <regdef.h>.text.globl kombiner.set noreorder # kombiner: move t1,zero # i = 0; bgez t0,a_ok # if ( a < 0 ) goto a_ok subu t0,zero,t0 # a = a; addiu a1,a1,4 # x++; lw v1,0(a2) # b = *y; bgez v1,b_ok # if ( b < 0 ) goto b_ok subu v1,zero,v1 # b = b; b_ok: addiu a2,a2,4 # y++; slt v0,v1,t0 # bne v0,zero,adder # if ( a <= b ) goto adder subu v0,t0,v1 # c = a b; b skriv # adder: addu v0,t0,v1 # c = a + b; skriv: sw v0,0(a3) # *z = c; nori> eksempel nori> addiu a3,a3,4 # z++; addiu t1,t1,1 # i ++ slt v0,t1,a0 # bne v0,zero,igjen # if ( i < antall ) goto igjen jr ra #.set reorder # Problemet er at instruksjonen etter en forgrening alltid blir utført! in 147, våren 1998 Innledning 6

7 Assemblykode tredje forsøk #include <regdef.h>.text.globl kombiner.set noreorder # kombiner: move t1,zero # i = 0; bgez t0,a_ok subu t0,zero,t0 # if ( a < 0 ) goto a_ok # a = a; Legger er bak forgreningene addiu a1,a1,4 # x++; lw v1,0(a2) # b = *y; bgez v1,b_ok # if ( b < 0 ) goto b_ok subu v1,zero,v1 # b = b; b_ok: addiu a2,a2,4 # y++; slt v0,v1,t0 # bne v0,zero,adder # if ( a <= b ) goto adder subu v0,t0,v1 # c = a b; b skriv # adder: addu v0,t0,v1 # c = a + b; skriv: sw v0,0(a3) # *z = c; nori> eksempel nori> addiu a3,a3,4 # z++; addiu t1,t1,1 # i ++ slt v0,t1,a0 # bne v0,zero,igjen # if ( i < antall ) goto igjen jr ra #.set reorder # in 147, våren 1998 Innledning 7

8 Opprør mot ene etter lw fordi det tar tid å lese fra hukommelsen (én ekstra klokkesykel) (dette var visst en maskin som håndterte load hasarder) etter forgreninger fordi instruksjonen etter en forgrening alltid blir utført # mens memory[0 + [a1]] blir lest inn bgez t0,a_ok # if ( a < 0 ) goto a_ok # for at "subu t0,zero,t0" ikke skal bli utført i utide subu t0,zero,t0 # a = a; addiu a1,a1,4 # x++; in 147, våren 1998 Innledning 8

9 Assemblykode eliminere er #include <regdef.h>.text Kan man finne noe annet.globl kombiner å gjøre enn å kaste bort.set noreorder # CPU sykler? kombiner: move t1,zero # i = 0; # delayed load bgez t0,a_ok # if ( a < 0 ) goto a_ok # delayed branch subu t0,zero,t0 # a = a; addiu a1,a1,4 # x++; lw v1,0(a2) # b = *y; # delayed load bgez v1,b_ok # if ( b < 0 ) goto b_ok # delayed branch subu v1,zero,v1 # b = b; b_ok: addiu a2,a2,4 # y++; slt v0,v1,t0 # bne v0,zero,adder # if ( a <= b ) goto adder # delayed branch subu v0,t0,v1 # c = a b; b skriv # # delayed branch adder: addu v0,t0,v1 # c = a + b; skriv: sw v0,0(a3) # *z = c; addiu a3,a3,4 # z++; addiu t1,t1,1 # i ++ slt v0,t1,a0 # bne v0,zero,igjen # if ( i < antall ) goto igjen # delayed branch jr ra # # delayed branch.set reorder # in 147, våren 1998 Innledning 9

10 Alle ene i løkken eliminert! #include <regdef.h>.text.globl kombiner.set noreorder kombiner: move t1,zero # i = 0; lw v1,0(a2) # b = *y; bgez t0,a_ok # if ( a < 0 ) goto a_ok addiu a1,a1,4 # x++; subu t0,zero,t0 # a = a; bgez v1,b_ok # if ( b < 0 ) goto b_ok addiu a2,a2,4 # y++; subu v1,zero,v1 # b = b; b_ok: slt v0,v1,t0 # bne v0,zero,adder # if ( a <= b ) goto skriv addu v0,t0,v1 # c = a + b; subu v0,t0,v1 # c = a b; skriv: sw v0,0(a3) # *z = c; addiu t1,t1,1 # i ++ slt v0,t1,a0 # bne v0,zero,igjen # if ( i < antall ) goto igjen addiu a3,a3,4 # z++; jr ra # # men denne overlevde!.set reorder in 147, våren 1998 Innledning 10

11 Program som leser og skriver: [Hvorfor tar ikke lese/skriveoperasjoner like lang tid hele tiden?] for ( index = 0; index < limit; index = index + stride ) x[index] = x[index] + 1; start stride limit x: in 147, våren 1998 Innledning 11

12 13x 10x access time 8x 4x 2x 1x Gjennomsnittlige aksesstider pr. element ved fast datasett på 2M byte, mens stride varierer fra 4 byte til 1M byte K 4K 16K 64K 256K 1M stride 22x 20x Gjennomsnittlige aksesstider pr. element når stride er fast på 128 byte, mens datasettet varierer fra 1K til 4M byte access time 10x 8x 4x 2x 1x 1K 4K 16K 64K 256K 1M 4M set size in 147, våren 1998 Innledning 12