Archi 1 Elmélet

A számításra vonatkozó alapelvek absztrakciója

Min hajtjuk végre a számítást?

Hogyan képezzük le a számítási feladatot?

Mi vezérli a végrehajtás sorrendjét?

Számítási modell

Ennek megfelelő programnyelv

Ennek megfelelő architektúra

Változók deklarálása

Adatmanipulációs utasítások deklarálása

Vezérlésátadó utasítások deklarálása

A változókat a memória meghatározott helyén tárolja úgy, hogy biztosítja a változók értékének korlátlan számú változtathatóságát

Az architektúra rendelkezik egy speciális regiszterrel (programszámláló), ami tárolja a következő utasítás címét.

szekvenciális vagy párhuzamos

vezérlés szerint meghajtott, adat szerint meghajtott, igény szerint meghajtott

procedurális vagy deklaratív

Neumann modell

Adatfolyam modell

Applikatív modell

Adat alapú, objektum alapú, predikátum logika, tudás alapú, hibrid

Az adatokat tipikusan változó képviseli. Az adatok típussal rendelkeznek/típust rendelünk hozzá

-értelmezési tartomány

-érték készlet

-műveletek halmaza-Például egy 16 bites előjeles int esetén:

Értelmezési tartomány: -32768 → 32768 Érték készlet: egész számok halmazaMűveletek halmaza: +, −, ∗, /

A számítást adatokon hajtjuk végre

Az adatokat tipikusan változók jelentik

Az adat végtelen értékmódosítási lehetőséggel rendelkezik (többszörös értékadás)

Az adatok és utasítások közös memóriaterületen helyezkednek el

A számítási műveleteket az adatokon végrehajtott adatmanipulációs műveletek

sorozatának segítségével végezzük el

Szekvenciálisan

Az adatmanipuláló utasítások szekvenciája vezérli. (Vezérlés meghajtott modell)

Vezérlés meghajtott modell:

az adatmanipulálások szekvenciája (implicit: természetes sorrend; add, mul, sub...)

az explicit vezérlésátadó utasítások (pl. goto, if, for...)

Előzmény érzékeny (változó értéke menet közben változik)

Alapvetően szekvenciális végrehajtás

Mellékhatások (rossz címzés, 0-val való osztás)

Egyszerű implementáció

A számítást itt is adatokon hajtjuk végre, de csak egyszeres értékadás van, és a bemeneti adatokat egy adathalmaz formájában adjuk meg (nincsenek változók). A számítási feladatot egy adatfolyam gráffal képezzük le, amelyhez felhasználjuk az input adatok halmazát.→ input adatok halmaza + adatfolyam gráf = megoldott feladat. A gráf tartalmaz csomópontokat (szakosodott műveletvégző egységek) és éleket (I/O adatok).

Adatokon

Egyszeri értékadás

Közös operatív tár

Regiszter

Adatmanipulációs utasítás vezérelt

Adatfolyam gráf

Szekvenciális

Párhuzamos (sok műveletvégző egység, azonnali műveletvégzés)

Procedurális jellegű

Procedurális jellegű

Előzmény érzékeny

Nincs előzmény érzékenység

Igen magas kommunikációs és szinkronizációs igény

Adatokon

Deklaratív (előre meghatározott kapcsolatok a bemenetek között)

Egy komplex matematikai függvény formájában adjuk meg

igény meghajtottAkkor hajtódik végre, ha kell egy folyamathoz egy másik folyamat eredménye. (Lusta modell)

Az az ismerethalmaz, amivel a gépi kódú programozóknak rendelkezniük kell, hogy hatékony programot tudjanak írni

1. Globális P.M.S. (Processzor, Memória, Switch)

2. Programozási szint (magas, alacsony)3. Logikai/tervezési szint4. Áramköri szint

Absztrakciós szint (layer) (L): Külső jellemzők, belső felépítés, és a működés együttes leírása

Számítási modell (M)

Specifikáció (S)

Implementáció (I)

adott absztrakciós szinten a fizikai architektúra elvonatkoztatása

logikai architektúra az adott absztrakciós szinten = {M, S}L

adott absztrakciós szinten a fekete doboz külseje

adattér

adatmanipulációs fa

állapottér

állapot műveletek

adott absztrakciós szinten a logikai architektúra megvalósítása

fizikai architektúra az adott absztrakciós szinten = {M, I}L

(nem vagyunk kíváncsiak a specifikációra)

adott absztrakciós szinten a fekete doboz belseje

műveletvégző egység (ALU)

vezérlő

I/O rendszer

Megszakítási rendszer

• Memória

• Busz- / Sínrendszer

Olyan tér, ami biztosítja az adattárolást olyan formában, hogy az adattérben található adatok a CPU által közvetlenül manipulálhatók legyenek (címezhető)

memóriatér, regisztertér

modell címtere: címbusz szélessége határozza meg a kapacitást pld. 32 bitesnél 4 GB

az adott implementáció címtere: amennyi ténylegesen, fizikailag van

fizikai (CPU által látható, kisebb így gyorsabb + alaplapi lapkán helyezkedik el)

virtuális (programozó által látható, nagyobb + a háttértáron helyezkedik el)

Az adattér egy nagyteljesítményű része

Egyszerű regisztertér

Különféle adattípusokhoz különálló regiszterek

Többszörös regiszterkészlet

-AC (akkumulátor) regiszter

-AC + Data regiszterek

-Univerzális regiszter készlet

-Stack Architektúra (regiszter)

Fixpontos és logikai műveletekhez -> univerzális regiszterkészlet

Lebegőpontos (FP) műveletekhez

-SIMD (Single Instruction, Multiple Data stream)

-SSE (Single Stream Extension)

Intel Pentium III (1998)

- 8db FX (32 bit)-

- 8 db FP (80 bit)

- 8 db SSE (128 bit)

a program végrehajtás során a regiszterek állapotát az állapot információkkal (PC (ez a program counter), flag) együtt kontextusnak nevezzük

Ciklusok, megszakítások, egymásba ágyazott folyamatok gyorsítása

Le kell mentenünk az éppen futó program kontextusát, hogy később onnan lehessen folytatni

egyszerű

gyors, olcsó

független folyamatok esetén kiváló (pl.: Megszakítások)

paraméter átadásos eljárásnál nem gyorsít, mivel a paraméterátadás a memórián keresztül történik

Az eljárások már nem ugyanazon regiszterkészletet használják, viszont a regiszterkészletek közti kommunikáció még nem volt megoldott, ahhoz a háttértárat kellett használni -> ilyenek pl az egymásba ágyazott eljárások, amik használják a másik készletében lévő adatokat

Három részre bontották a regisztereket, ezek az INS, LOCALS, OUTS

Az INS és OUTS részek a különböző regiszterekkészletek között átfedésben vannak, így az adatátvitel megoldott

- Merev, hiszen fix a regiszterek száma

- A regiszterkészletek száma is fix

6-8 regiszterkészlet esetén már csak 4-5%-ban fordul elő túlcsordulás

Nem is javasolt 8 egymásba ágyazott folyamatnál többet írni, hiszen a lassú működés mellett átláthatatlan is lesz a program

A Compiler kezeli a regisztereket és nem a programozó

Minden eljáráshoz saját regiszterkészletet hoz létre, ami akkora, amekkorát a program igényel, tehát nem fix számú regiszterrel dolgozik

Ezeket a tartományokat hívjuk aktiválási rekordoknak

A rekordra stack pointer mutat, de az egyes memóriacímek közvetlenül is elérhetőek, így bármelyik adatot lehet használni

Vannak átfedő területek a tartományok között, pont annyi van, amennyi paramétert át kell adnia az egyik folyamat részéről a másiknak

Megmutatja a potenciális adatmanipulációs lehetőségeket, formákat, valamint egy konkrét implementáció adatmanipulációs lehetőségeit

Adattípusok: FX1(byte), FX2, FX4, BCD, FP4, FP8,

boolean (FX = fix pontos, FP = lebegő pontos, BCD = binárisan ábrázolt decimális)

Műveletek: például fix számoknál: +, -, *, /

Operandusok típusai: rrr, rmr, ..., mmm (r = regiszter, m = memória) pl: rrr -> mindhárom regiszter

Címzési módok: memória típusú operandusoknál R+D, PC+D, RI+D (D = displacement, R = register, PC = program counter, RI index register)

Gépi kódok (utasítások): Pl.: 10011110

Elemi, összetett

numerikus, karakteres, logikai, pixel stb

fixpontos, lebegőpontos, BCD

Elemi adattípusokból épülnek fel -> adatszerkezetnek is hívjuk

Különböző adattípusokból épül fel -> rekordnak hívjuk

Tömb -> ha 1D, akkor vektor

szöveg

verem

sor

lista

fa

halmaz

Az adatmanipulációs fa minden művelet esetén megállapítja, hogy milyen utasítás típusok, és operandus típusok választhatók.

Az értelmezett műveletek halmaza mindig architektúra függő. Pontosan deklarálni kell nem csak a műveleteket, hanem a kivételek kezelésére szolgáló műveleteket is.

MK (műveleti kód), Címrész

Az MK határozza meg, hogy milyen műveletet végzünk el, a címrész pedig azt, hogy min végezzük el (hány darab adaton, hol vannak ezek)

MAR - Memory Address Register

MDR - Memory Data Register

PC - Program Counter

IR - Instruction Register

DEC - Decoder

ALU - Aricmetical-Logical Unit

AC - Accumulator Register

Minden utasítás esetén ugyan úgy néz ki. A PC a következő végrehajtandó utasítás címét tartalmazza. A program counter-ből átkerül a következő utasítás címe a memória cím regiszterbe. A memória cím regiszterben található memóriacím adat tartalma bekerül a memória adat regiszterbe. Innen az utasítás átkerül az utasítás regiszterbe. Program counter tartalmát megnövelni egy egységgel.

MAR <- PC

MDR <- [MAR]

IR <- MDR

PC <- PC + 1

(A cél, hogy a IR-be belekerüljön az utasítás)

Lehívjuk az utasítást. Az utasítás regiszterből átkerül az utasítás a dekóderbe. A dekóder címrésze átkerül a memória címregiszterbe. Betöltődik az adat a memória adat regiszterbe. A memória adat regiszter tartalma átkerül az akkumulátorba.

DEC <- IR

MAR <- DECcímrész

MDR <- [MAR]

AC <- MDR

(A cél, hogy az AC-ba bekerüljön az adat, hogy utána fel lehessen dolgozni)

DEC <- IRMAR <- DECcímrész

MDR <- [MAR]

AC <- AC + MDR

DEC <- IR

MAR <- DECcímrész

MDR <- AC

[MAR] <- MDR

DEC <-IR

PC <- DECcímrész

Legyen op – operandus, s – source, d - destination, @ - tetszőleges művelet

opd = opS1 @ opS2, op4 = következő utasítás címe

Hátrányok:

-memóriapazarlás

-további adatrögzítési hibák

-merev program-struktúra→helyette PC használata (+ auto increment)

Legyen op – operandus, s – source, d - destination, @ - tetszőleges művelet

opd = ops1 @ ops2

PC tárolja a következő utasítás címét

Előnye: lehetséges a párhuzamos végrehajtás

Hátránya: hosszú utasítások, nagy mennyiségű adat, sok memóriát igényel, lassú, kevés/nincs elágazás

Ilyenek a RISC processzorok

rrrd minimum 32 regiszter

Az előző utasítás eredményének mentésével párhuzamosan tölthetjük az aktuális utasítás két bemenő operandusát.Olyan helyeken használják, ahol nagy mennyiségű adat van és nincs elágazás.

Legyen op – operandus, s – source, d - destination, @ - tetszőleges művelet

ops1 = ops1 @ ops2

Az első operandus általában csak regiszter lehet, a kettes operandus lehet memóriacím is.

Pl.: ADD [100][102], 100-as és 102-es címet adja össze, az eredmény a 100-as címre megy.→kevesebb tárhelyet igényel, de az egyiket felülírjuk.Mai CISC processzorok általában ezt használják (x86)

Legyen op – operandus, s – source, d - destination, @ - tetszőleges művelet, AC - akkumulátor regiszter

AC = AC @ op

AC LOAD [100]

ADD [102]STORE [100]

Akkumulátorba betölti a 100-as címet, majd hozzáadja a 102-es címet. végül kiírjuk az akkumulátor tartalmát. Az utasítások halmozhatók. Az utasítások rövidebbek, de több utasításra van szükség.

STACK (push, pop) - verem műveletekNOP – no operationA műveleti kód tartalmazza az eredményt is. (CLEAR D’) Előny: rövid, Hátrány: utasításkezelő műveletek

Akkumulátor (AC), Memória típus (m), Regiszter (r), Verem (s), Immediate (i)

• Akkumulátor (AC)- Gyors, csak 1 db van

• Memória típus (m)- Nagy, hosszú a cím, lassú

• Regiszter (r)- Gyors, kevés van belőle

• Verem (s)- Gyors, egyszerre csak egy elem érhető el

• Immediate (i)- magában a programban adunk értéket a változónak

(pl. ADD R1, 3)

Szabályos

---

Akkumulátor

-akkumulátor-regiszter (aar vagy ara)

-akkumulátor-memória (aam vagy ama)

Memória

-2 címes (mm)

-3 címes (mmm)

Regiszter

-2 címes (rr)

-3 címes (rrr) (legjobb teljesítmény)

Stack

- sss (kontextus adatok tárolására)

Kombinált / kompozit: vegyesen helyezkednek el az operandusok

--

Címszámítás, cím módosítás, tényleges (deklarált) cím interpretálása

Abszolút címzés

-hosszú címek (akár több terrabájtnyi cím is lehet), ezért nem használjuk

Relatív címzés

Y (cím) = S (bázis) + D (eltolás)

Deklarálni kell egy Bázis címet és a Címszámítási algoritmust

Bázis cím lehet: PC, Top of Stack, Index Regiszter stb.

Auto inkrementálás • Indexelés

Legyen YR (relatív cím), S (bázis), Ri (indexregiszter értéke / eltolás)

-  1 dimenziós adatblokk: YR = S + Ri

-  2 dimenziós adatblokk: YR = S + Ri1 + Ri2

Lehet direkt vagy indirekt

Felfoghatjuk valós vagy virtuális címként is

Architechtúránként változik

Olyan, programból látható, és programtranszparens tárolókból áll, amelyek az adott programra vonatkozó állapot információkat hordozzák

Olyan rendszerfunkciókhoz szükséges információk, mint pl.

Virtuális memória kezelés

Megszakítás kezelés

Olyan kivételes események kezelésére vannak, amelyek a végrehajtás során általánosan bekövetkeznek (pl.: FP-nél denormalizált szám jelzése).Minden regiszterkészlethez definiálva vannak flag-ek, pl.:

• ZERO• NEG• OVERFLOW • CARRYÁllapotműveletek

Pl.

• Program Counter (PC) esetén: - Inkrementálás

- Dekrementálás- Felülírás (egy utasításból átvett címmel)

• Flag-ek esetén:

-  Beállítás (set)→1

-  Törlés (clear)→0

-  Kezdeti értékre állítás (reset)

-  Mentés (save)

-  Visszatöltés (load)

Műveletvégző egység (ALU)

Vezérlő egység

I/O rendszer

Megszakítási rendszer

Utasítás lehívás (fetch)

Utasítás végrehajtás (execute)

Szinkron CPU:

-  Órajel generátorral működik

-  Hátránya: késleltetés, a következő órajelet mindig meg kell várni, így holtidő

keletkezhet

-  Előnye: egyszerű, gyors

Aszinkron CPU:- Nincs órajel → Egyik utasítás vége jelzi a következő utasítás kezdetét

- Hátránya:

extra áramkör kell az utasítás befejezésének érzékeléséhez

drága

az utasítás befejezésének érzékelése is időbe telik

- Előnye: nincs holt idő