EKSAMENSOPPGAVE, INF-2200

Transkript

1 EKSAMENSOPPGAVE, INF-2200 Eksamen i : INF-2200 Datamaskinarkitektur og organisering Eksamensdato : Mandag 20. februar 2012 Tid : 09:00 13:00 Sted Tillatte hjelpemidler : Aud. max. : Ingen Oppgavesettet er på 5 sider inkl. forside Kontaktperson under eksamen: Tore Larsen, ,

2 Side 2 av 5 sider Oppgave 1 (~10 %) A) Hvilke er de fem klassiske komponentene i en datamaskin? B) Gi en kortfattet beskrivelse av funksjonen til hver av de fem komponentene. Oppgave 2 (~40 %) Ta utgangspunkt i følgende MIPS-instruksjoner: Lagerinstruksjonene load word (lw), store word (sw) De aritmetisk-logiske instruksjonene add, sub, and, or, og slt Branch Equal Instruksjonen (beq), og hoppinstruksjonen (j) A) Lag en illustrasjon som viser en én-sykel implementasjon av datastien («datapath») for instruksjonene over. Illustrasjonen skal vise blokker/bokser for de funksjonelle enhetene og datastien mellom enhetene. Du skal ikke vise hvordan enhetene kan realiseres med logiske porter. B) Identifiser de viktigste kontrollpunktene i dataveien. Marker kontrollpunktene i illustrasjonen din, og sett navn på kontroll-linjene. Du skal ikke utvikle kontrollseksjonen. C) Hva bestemmer sykeltiden for én-sykel implementasjonen? D) Gi en kort overordnet beskrivelse av hvordan du kan konstruere en prosessor med pipeline («pipelined processor»). Hva oppnår vi ved å lage en prosessor med pipeline? Hvor mange trinn foreslår du å ha? Hva bestemmer sykeltiden? Hvor lang tid tar hver instruksjon? E) Lag en illustrasjon (tilsvarende oppgave A) som viser dataveiene med pipeline («pipelined datapath») for det samme instruksjonssettet som i oppgave A. F) Anta at du har konstruert en kontrollseksjon for prosessoren med pipeline, og at kontrollseksjonen blant mye annet også detekterer følgende tilstander. (1) ulovlig instruksjon (opkode), (2) ulovlig dataadresse, (3) ulovlig instruksjonsadresse, og (4) aritmetisk overflyt («overflow»). Angi på hvilket trinn i pipelinen hver av tilstandene detekteres. G) Beskriv kort hva vi mener med «data hazards» (også kalt pipeline data hazards). H) Hva mener vi med «forwarding»? I) Beskriv kort hva vi mener med «control hazards».

3 Side 3 av 5 sider Oppgave 3 (~20 %) A. Hva er felles og hva er ulikt for prosessorer som er hhv. superskalare eller Very Long Instruction Word (VLIW)? B. I 2004 (omtrent) opplevde vi et fenomen som senere er blitt omtalt som å treffe The powerwall, og som medførte viktige endringer i utviklingstrekkene for høy-ytelse mikroprosessorer. Beskriv kort hva som skjedde og hvordan fenomenet har påvirket viktige utviklingstrekk for den grunnleggende prosessorteknologien. C. Michael Flynn etablerte på sekstitallet en taxonomi hvor han med utgangspunkt i instruksjonog datastrømmer definerte arkitekturklassene SISD, SIMD og MIMD. Angi eksempler (et for hver av de tre arkitekturklassene) på prosessor eller utvidede instruksjonssett som passer med klassen. D. Læreboka opererer med tre varianter av maskinavare (hardware) multithreading: Finkornet (fine grained) multithreading, grovkornet (coarse-grained) multithreading, og simultan (simultaneous) multithreading. Forklar forskjellene på de tre teknikkene, gjerne ved å beskrive hvordan flere samtidige tråder kan kombineres for effektiv utførelse på superskalare prosessorer som understøtter hhv. grovkorna, finkorna eller simultan multithreading. E. Hva menes med at prosessorbrikker er hhv. single-core eller multicore? F. Hva er hovedforskjellen på multithreading og multi core? Likheter? Oppgave 4 (~30 %) A) Læreboka introduserer «Roofline» modellen for å modellere ytelsen til prosessorbrikker med flere kjerner (multicore). Modellen kan være til hjelp for å avgjøre om oppnåelig ytelse for bestemte programmer begrenses av beregningskapasiteten på brikken [GFlops/sek.] eller av båndbredden [GB/sek.] ut av brikken og til minne (main memory). Basert på disse observasjonene kan man sammenligne ulike brikker, og man kan identifisere mulige tiltak for å forbedre oppnådd ytelse for koden. Begrepet «aritmetisk intensitet» (egentlig flyttallsaritmetisk intensitet) introduseres for å karakterisere hvor mange regneoperasjoner et program utfører i forhold til antall byte som må overføres fra prosessorbrikken til minne. Figuren under illustrerer hvordan ulike program grovt plasseres innafor et spektrum av aritmetisk intensitet. Oppgi en mulig måleenhet for aritmetisk intensitet.

4 Side 4 av 5 sider B) Sett opp et matematisk uttrykk for en kjørings aritmetiske intensitet, gitt at du kjenner antall flyttallsoperasjoner utført og antall byte overført til minne.

5 Side 5 av 5 sider C) Figuren under illustrerer «roofline» modellen. Den horisontale aksen viser aritmetisk intensitet (måleenhet ikke angitt), og den vertikale aksen viser oppnåelig flyttalskapasitet i GFLOPs/sekund. «Taket» har to deler, en flat del som er merket «peak floating point performance», og en skrå del som er merket «peak memory BW». De to stiplede linjene karakteriserer to ulike program, hhv. «Kernel 1» til venstre og «Kernel 2» til høyre. Hva er det som begrenser ytelsen til Kernel 1? D) Hva er det som begrenser ytelsen til Kernel 2? E) Anta at du skal bruke denne modellen for en konkret datamaskin hvor du har tilgang til normale spesifikasjoner og dessuten programvare som du trenger. Hvordan kan du fastsette «høyden» på den flate delen av taket? F) Hvordan kan du fastsette maksimal båndbredde til minne (peak memory performance)?