KOMPIUTERIŲ ARCHITEKTŪRA ir OPERACINĖS SISTEMOS

1

KOMPIUTERIŲ ARCHITEKTŪRA ir OPERACINĖS SISTEMOS

Doc. Stasys MaciulevičiusKompiuterių [email protected]

2013 S.Maciulevičius 2

Ankstesnės paskaitos santrauka

Procesoriai Intel procesorių raida 64 bitai ir keli branduoliai Naujieji Intel procesoriai

Sandy Bridge Ivy Bridge Haswell Atom


Šios paskaitos turinys

AMD procesoriaiAMD K10 architektūraAMD Bulldozer

AMD - paspartinti skaičiavimai IdėjaAMD Fusion AMD Llano ir Trinity

x86 analogai ARM procesoriai


AMD procesoriai

AMD sąsajos su x86 architektūra siekia 1982 metus, kai su Intel buvo pasirašyta licencijavimo sutartis. Tad pradžioje AMD gaminami procesoriai buvo Intel procesorių analogai, tačiau mažesnės kainos dėka sėkmingai konkuravo rinkoje.

Pirmuoju AMD suprojektuotu visiškai originalios architektūros procesoriumi buvo K5 (1996) – penktosios kartos procesorius, turėjęs x86 komandų sistemą, našumu prilygęs Intel Pentium, tačiau techniniais sprendimais artimesnis Pentium Pro, kadangi jis x86 komandas jau perkodavo į RISC86 operacijas


AMD procesoriai

Vėliau sekė procesoriai K6 (1997), Athlon (K7, 1999), Athlon XP (2001)

Aštuntajai kartai (K8) priklausę procesoriai Opteron buvo pirmieji, palaikę 64 bitų aritmetiką, turėję integruotą atminties kontrolerį ir didelės spartos sąsają HyperTransport (2003)

2005 m. buvo išleisti pirmieji dviejų branduolių procesoriai Opteron (serveriams) ir Athlon 64 X2 (stalo kompiuteriams).


AMD K10 architektūra

AMD K10 architektūra remiasi K8 architektūra, tačiau joje buvo padaryti patobulinimai: viename procesoriuje gali būti iki 12 branduolių

iš karto (viename sinchronizavimo cikle) išrenkami 32 baitai (256 bitų) iš L1 komandų kešo

naudojama 128 bitų vidinė duomenų magistralė; ankstesniuose K8 architektūros procesoriuose ji buvo 64 bitų (tai kiek trukdė SSE komandoms, nes SSE registrai (XMM) yra 128 bitų)



kristale kiekvienas branduolys turi savus L1 ir L2 kešus, be to, visi branduoliai naudojasi bendru L3 kešu

panaudotas išmanesnis atminties kontroleris (tiksliau – du nepriklausomi), įgalinantis vienu metu kreiptis į skirtingus (nebūtinai gretimus) 64 bitų žodžius

kiekvienas branduolys gali dirbti skirtingu dažniu (Independent Dynamic Core Technology), be to, nenaudojamos dalys automatiškai gali būti išjungtos



Šios architektūros procesoriuose realizuota didelio pralaidumo magistralė HyperTransport 3.0, kuri gali užtikrinti 41,6 GB/s abiem kryptimis 32 bitų režimu arba iki 10,4 GB/s viena kryptimi 16 bitų režimu, o dažnis siekia 2,6 GHz

Tai buvo Sempron, Athlon II, Phenom X3/X4, Turion II Dual-Core Mobile, 6 branduolių ir 6100 serijos Opteron procesoriai


AMD Bulldozer

AMD naujos kartos (15h) mikroarchitektūros kodiniu pavadinimu „Bulldozer" procesorius pristatė parodoje „CeBIT 2011“

Bulldozer procesoriai gaminami pagal 32 nm technologiją, jie naudoja patobulintas energijos vartojimo priemones, palaiko naująsias x86 komandas, turi specialias srautinių skaičiavimų našumo didinimo priemones

Bulldozer platforma išnaudoja dinaminio procesorių našumo didinimo technologijos (Turbo Core Dynamic Acceleration) galimybes, o tai prireikus leis padidinti visų branduolių taktinį dažnį 500 MHz.

Slankaus kablelio skaičių įtaisas turi du 128 bitų konvejerius; kartu jie gali vykdyti AVX 256 bitų komandas


AMD Bulldozer


AMD Bulldozer

Šioje struktūroje matome Bulldozer branduolį, kuriame yra dvi sveikųjų skaičių dalys, todėl sakoma, kad šis branduolys tarsi gali vykdyti dvi gijas (atitinka Intel hipergijų mechanizmą)

Perkoduotos komandos nukreipiamos vykdymui į du sveikųjų skaičių ir vieną slankaus kablelio skaičių dispečerius

Slankaus kablelio skaičių įtaisas turi du konvejerius, apdorojančius 128 bitų žodžius; kartu jie gali vykdyti AVX 256 bitų komandas


AMD Bulldozer

Aktyvių schemų dalis įvairiuose režimuose Bulldozer procesoriuje kur kas mažesnė nei ankstesniuose AMD CPU modeliuose:

Tai padeda taupyti energiją


AMD Interlagos

2011 m. tarptautinėje superkompiuterių konferencijoje AMD pristatė naujausią procesorių Interlagos (Bulldozer architektūros pagrindu)

Interlagos turi net 16 branduolių ir palaiko 4 kanalų DDR3 atmintį; jis skirtas labai našiems serveriams

Gaminami ir 8 branduolių, 2 kanalų procesoriai “Valencia” (Opteron 4000 serija), kurie skirti mažesniems HPC klasteriams


AMD posūkis

Nuo Nehalem mikroarchitektūros įvedimo AMD ėmė gerokai atsilikti našių procesorių srityje

Nors AMD inžinieriai pirmieji yra sumanę ir panaudoję tokius dalykus, kaip 64 bitų x86 mikroarchitektūra, kelių branduolių procesoriai, atminties kontrolerio integravimas procesoriuje

Manoma, kad AMD išgelbės naujoji idėja – kurti specialius įtaisus skaičiavimams spartinti, kuriuos jie pavadino APU (Accelerated Processing Units), kai viename kristale apjungiami tradiciniai x86 branduoliai su našiu grafikos branduoliu


AMD paspartinti skaičiavimai

Paspartinti skaičiavimai (Accelerated Computing) yra karkasas, kuriame naujos techninės ir programinės įrangos sąveika įgalins įgyvendinti efektyviai naudojančių energiją, labai našių ir pigių skaičiavimų įdėją

Paspartinti skaičiavimai reiškia, kad ateityje: kompiuteriuose bus naudojami bendrosios paskirties ir

specializuoti procesoriai; uždaviniui spręsti bus pasirenkamas procesorius, kuris

tai atliks optimaliai našumo, įvairialypės informacijos apdorojimo, energetinio efektyvumo ir kainos požiūriu;

programinė įranga išnaudos geriausiai tinkančios tai užduočiai techninės įrangos privalumus;

kūrėjai bus aprūpinti aukšto lygio priemonėmis lygiagrečiosioms taikomosioms programoms rašyti.


Lygiagretieji skaičiavimai ir Amdahl dėsnis

Branduolių skaičius

Pag

reit

ėjim

as

Nuoseklioji dalis:

Amdahl dėsnis apibrėžia bendrojo sistemos našumo padidėjimą:

SN = 1/(Dn+(1-Dn)/N);

SN – bendrasis sistemos našumas, N – procesorių skaičius sistemoje, Dn – nuosekliųjų skaičiavimų dalis



Tradiciniai CPU sukurti bendrosios paskirties užduotims apdoroti, populiarioms taikomosioms programoms vykdyti. Pagal prigimtį jie skirti nuosekliam (skaliariniam) duomenų apdorojimui

Tuo tarpu GPU sukurti specializuotoms užduotims (grafika, video), daugumai taikymų, susijusių su vaizdų apdorojimu, tai yra, lygiagrečiam duomenų apdorojimui

APU apjungia šiuos skirtingo tipo skaičiavimus į vieną įtaisą


CPU ir GPU funkcijų apjungimas

Bendro

pobūdžio

užduotis

Bendro

pobūdžio

užduotis

CPU

Nuoseklus

duomenų

apdorojimas

Lygiagretus

duomenų

apdorojimas

APU GPU

Video

Displėjus

Grafika

ATI

Stream



1985 1990 2000 2008

Pirmoji karta:dažnis ir architektūra

Antroji karta:Homogeniškos daugelio branduolių sistemos

Trečioji karta:heterogeniškos daugelio branduolių sistemos

Didesnis dažnis = didesnis našumas

Didesnis pralaidumas = didesnis našumas

Geriausiai tinkanti techninė įranga = didesnis našumas, energetinis efektyvumas ir mažesnė kaina


x86: paspartinti skaičiavimai

Pirmajai kartai būdingas vieno komandų srauto procesorių kūrėjų siekis didinti darbo dažnį

Kartu buvo tobulinama ir procesorių mikroarchitektūra, tačiau tie patobulinimai buvo nukreipti tiek našumo didinimui, tiek ir darbo dažnio didinimui

Tačiau pastangų sutelkimas dažnio didinimui sąlygojo procesoriaus struktūros sudėtingumo, tuo pačiu ir suvartojamos energijos, augimą



Todėl šio amžiaus pradžioje didesnis dėmesys buvo atkreiptas į lygiagretumo panaudojimą, viename procesoriaus kristale realizuojant kelis vienodus branduolius ir taip sudarant sąlygas užduočių pralaidumui didinti. Technologijos laimėjimai leido didinti tokių branduolių skaičių

Tačiau nuolat didėjant lygiagrečiųjų skaičiavimų poreikiams tokios sistemos nebepajėgė tenkinti vartotojų norų dėl dviejų priežasčių: x86 branduolių skaičiaus didinimą riboja energijos

sąnaudos ir kaina; lygiagrečiųjų skaičiavimų panaudojimas tokiose sistemose

nėra efektyvus dėl nuosekliųjų skaičiavimų dalies.


AMD Fusion

Pirmasis žingsnis – Fusion, kuriame apjungti centrinis ir grafikos procesoriai

CPU GPU

L2 kešas

Kryžminis komutatorius

Atminties kontroleris

Hyper Transport

DIM

MD

IMM

Šiaurinis tiltas

Procesoriaus kristalas

Buferiai


AMD Fusion

Matome, kad x86 branduoliai (CPU) turi bendrą L2 kešą (po 512 KB/branduoliui; be to, kiekvienas branduolys turi L1 duomenų ir komandų kešus), GPU – buferinę atmintį apdorojamai informacijai laikyti

Abi šios dalys per kryžminį komutatorių pasiekia bendrai naudojamą pagrindinę atmintį (atminties kontroleris integruotas procesoriaus kristale) ir likusią sistemos dalį, tam naudojant sparčiąją HyperTransport



Pirmajai kartai būdingas vieno komandų srauto procesorių kūrėjų siekis didinti darbo dažnį

Kartu buvo tobulinama ir procesorių mikroarchitektūra, tačiau tie patobulinimai buvo nukreipti tiek našumo didinimui, tiek ir darbo dažnio didinimui

Tačiau pastangų sutelkimas dažnio didinimui sąlygojo procesoriaus struktūros sudėtingumo, tuo pačiu ir suvartojamos energijos, augimą



AMD nori sukurti komandų sistemos architektūrą, kuri nukreiptų užduoties vykdymą turimai CPU ir GPU aparatinei įrangai Jei užduotį geriausiai tinka vykdyti

bendrosios paskirties x86 branduoliuose, tai ji ten ir bus vykdoma

Jei užduotį geriausiai tinka vykdyti dideliame skaičiuje lygiagrečių GPU branduolių, ji ten ir bus vykdoma



Šią idėją gerai iliustruoja toks pavyzdys Buvo sprendžiamas veido aptikimo uždavinys.

Algoritmą sudaro nemažas žingsnių skaičius, kuriuose įvairaus mastelio vaizde analizuojamos tokios veido detalės, kaip akys, ausys, nosis ir pan.

Pirmasis žingsnis gerai išlygiagretinamas, ir tam puikiai tinka GPU (žr. pav.). GPU gerai pasireiškia ir dar keliuose kituose pradiniuose žingsniuose. Tačiau vėliau GPU našumas krinta ir jis dirba lėčiau, nei paprastas CPU




AMD Llano

2011 m. vasarą AMD pristatė A-Series procesorius, gaminamus naudojant 32 nm technologiją; jų maks. galia (TDP) – 35 arba 45 W

Kristaluose integruoti DDR3 atminties ir grafikos kontroleriai, palaikantys DirectX 11 (srautinių procesorių skaičius nuo 240 iki 400)

Llano pavadinti procesoriai turi 2 arba 4 branduolius su 4 arba 2 МB L2 kešo, dirba nuo 1,4 iki 2,1 GHz dažniu

Procesoriai palaiko našumo didinimo technologiją Turbo Core


AMD Llano

Turbo Core efektyvumas APU Llano procesoriuje:


AMD Llano

AMD didesnį dėmesį skiria grafikai:


AMD Trinity

2011 m. vasarą AMD pristatė antrąją Llano kartą - Trinity procesorius, gaminamus naudojant tą pačią 32 nm technologiją

Padidėjo kristalo plotas (iki 246 mm2) ir tranzistorių skaičius (iki 1,3 mlrd)

Procesoriaus x86 branduoliai atitinka Bulldozer branduolius ir dirba iki 3,8 GHz dažniu

Visiškai perdirbtas grafikos įtaisas, turintis 384 blokus (srautiniu procesorius), dirbantis 800 MHz dažniu; jis palaiko DirectX 11 ir API OpenCL 1.1


AMD Trinity


Analogai

X86 komandų sistemą turinčius procesorius gamina ir kitos firmos

VIA gamina procesorius, skirtus nešiojamiems kompiuteriams. Naujausias procesorius – Nano (7 FĮ, 1-2 GHz, 32 KB L1 ir 1 MB L2)

Transmeta – VLIW tipo procesorius, taip pat skirtus nešiojamiems kompiuteriams


Transmetos Crusoe

Skirtas mobilioms sistemoms Sava VLIW komandų sistema (4 komandos) 1 FPU, 2 ALU, 1 LSU, 1 BU 64 registrai x86 komandų perkodavimas Code Morphing Software Patobulinta maitinimo valdymo metodika


Transmetos Crusoe

FPU

(Float Point Unit)

ALU

(Integer ALU)

LSU

(Load- Store

Unit)

BU

(Branch

Unit)

FADD ADD LD BRCC

128 bitų komandų grupė (molekulė)


Transmetos Crusoe

Komandų skirstymas


Transmetos Crusoe 6000


ARM procesoriai

ARM architektūros pradžia siekia praėjusio amžiaus 9 dešimtmetį; ją sukūrė Acorn Computers Ltd., tad santrumpa ARM kilo iš Acorn RISC Machine

Dabar ARM procesorius kuria ir gamina Advanced RISC Machines, Ltd.

ARM procesoriai priklauso 32 bitų RISC mikroprocesorių šeimai

Jie plačiai naudojami buitinėje elektronikoje - mobiliuosiuose telefonuose, multimedia grotuvuose, skaičiuotuvuose ir asmeniniuose pagalbikliuose (PDA - personal digital assistants)


ARM procesoriai

ARM architektūra susiformavo stalo kompiuteriams skirtuose procesoriuose, po to ji persikėlė į buitinės technikos ir pramonės įrenginių mikroschemas, o šiandien vėl išeina į kompiuterių rinką, kur ji naudojama planšetiniuose ir internetiniuose kompiuteriuose


ARM procesorių šeimos


Taikomieji ARM procesoriai

Taikomieji (Application) procesoriai – tai procesoriai, galintys vykdyti sudėtingas operacines sistemas, pavyzdžiui, Linux, Android/ Chrome, Microsoft Windows (CE/Embedded) ir Symbian, naudoti sudėtingas grafines vartotojo sąsajas

Šios klasės procesoriai turi integruotą atminties dispečerį (MMU - Memory Management Unit), kad būtų galima tenkinti sudėtingų OS atminties poreikius, naudoti įvairią trečiųjų šalių PĮ


ARM procesoriai

Procesorių tarpe yra ir kelių branduolių procesoriai, pvz., Cortex-A9 MPCore™, Cortex-A5 MPCore ir ARM11MPCore procesoriai, pasižymintys geru našumu

Tokie procesoriai gali būti naudojami išmaniuosiuose mobiliuosiose telefonuose, kompaktiškuose skaičiavimo įtaisuose, namų multimedijos įtaisuose ir net nedideliuose mažai energijos naudojančiuose serveriuose


ARM procesoriai

Čia matome keturių branduolių Cortex procesorių, skirtą plačiam įtaisų spektrui – nuo mobiliųjų įtaisų iki serverių


ARM A15 MPCore

Pagrindiniais Cortex-A15 MPCore elementais yra: slankiojo kablelio įtaisas, atliekantis operacijas

su įprasto ir dvigubo tikslumo skaičiais; čia realizuota ir NEON išplėsta komandų sistema su medijos ir signalų apdorojimo funkcijomis, pridėti 64 ir 128 bitų registrai, atliekamos SIMD operacijos su 8, 16 ir 32 bitų sveikaisiais skaičiais bei 32 bitų slankiojo kablelio skaičiais;

sveikųjų skaičių ALU, kuriame formuojami 40 bitų fiziniai adresai, įgalinantys adresuoti iki 1 TB atminties (tačiau atskira gija naudoja 32 bitų adresą);


ARM A15 MPCore

32 kB duomenų ir 32 kB komandų L1 kešai kiekviename branduolyje, sukonstruoti minimaliam vėlinimui ir energijos suvartojimui; juose realizuotos duomenų skaidrumo palaikymo priemonės kelių branduolių aplinkoje, taip pat klaidų kontrolė ir korekcija (ECC);

suderinamumo valdymo įtaisas (SCU – Snoop Control Unit) atsakingas už sujungimų valdymą ir arbitražą, mainus su L2 kešu ir pagrindine atmintimi, kešo suderinamumą;


ARM A15 MPCore

128 bitų AMBA 4 CoreLink CCI-400 sąsaja užtikrina kelių Cortex-A15 MPCore procesorių bendrą darbą, geriau išnaudojant kešus ir supaprastinant taikomąją programinę įrangą (įskaitant kompiuterinius žaidimus, serverius ir tinklo programas), skirtą klasteriams, sudarytiems iš vieno arba kelių branduolių procesorių.


ARM procesoriai

ARM procesoriaus Cortex-A15 MPCore pagrindu yra išleidžiamos arba bus išleistos SoC sistemos Samsung Exynos 5 5250, Texas Instruments OMAP5430 ir OMAP5432, Nvidia Tegra 4 T40 ir T43 ir kt.

2010 metais buvo parduota net 6 mlrd. ARM architektūros procesorių


ARM procesoriai

Iki šiol ARM procesoriai buvo 32 bitų, tačiau 2012 m. pristatyta visiškai nauja ARMv8 architektūros procesorių serija Cortex-A50, kurią sudarys 64 bitų Cortex-A53 bei Cortex-A57 procesoriai, skirti išmaniesiems telefonams bei planšetiniams kompiuteriams


ARM procesoriai

64 bitų palaikymas svarbus tuo, kad ARM galės pretenduoti ir į stalo kompiuterių bei serverių rinkas

Žinoma, varžytis su Intel našių serverių rinkose, kur naudojami Xeon procesoriai, ARM negalės, tačiau į mažo galingumo ir mikroserverių rinką, kur Xeon galia nereikalinga, ji pretenduos. Čia jų varžovu bus Atom S serijos procesoriai


ARM procesoriai serveryje

Serverių gamintojai, aišku, tik eksperimentuodami, jau siūlo sprendimus su ARM procesoriais, kurie tam tikrose veiklos sferose leidžia žymiai sumažinti elektros energijos išlaidas

„Calxeda“ atstovai teigia, jog šis ARM sprendimų gamintojas nemato problemų, kurios neleistų naudoti ARM procesorių serveriuose kartu su x86



Hibridiniuose serveriuose pagrindinis krūvis teks x86 procesoriams, tuo tarpu ARM procesoriams teks atlikti specifines užduotis, kurios nereikalauja itin didelės galios

Kol kas tokios sistemos tik bandomos, tačiau tikimasi, kad jau 2013 m. panašūs serveriai pasirodys rinkoje

Žinoma, ARM procesorių plėtrą labai stabdo suderinamos programinės įrangos trūkumas, be to, ne visi ARM procesoriai palaiko 64 bitų komandas



Savo ruožtu, kompanija Calxeda mano, jog operacinė sistema Linux gana lengvai galėtų padėti „susidraugauti“ ARM ir x86 architektūros procesoriams

2012 metų pabaigoje ARM pristatė ARMv8 architektūrą su 64 bitų komandų palaikymu, tuo tarpu masinė tokių sprendimų gamyba prasidėjo vėliau

Taigi iki to laiko vargu, ar galima kalbėti apie platų ARM procesorių naudojimą serverių segmente



Ką tik pasirodė informacija apie tai, kad Calxeda sukonstravo serverio plokštę, kurioje yra 4 Cortex-A9 SoC (ARM architektūros), 4 DIMM, 16 SATA prievadų

Sistema iš 6 tokių plokščių turi 24 CPU (96 Cortex-A9 branduolius), dirbančius 1.4 GHz dažniu

Testai parodė puikius rezultatus


ARM procesoriai

Atsižvelgiant į tai, kad kompiuterių rinka gan sparčiai juda atsisakymo nuo stalo kompiuterių ir pakeitimo juos mobilesniais įtaisais link, ARM procesorių ateitis regisi kur kas geresne, kadangi mobiliesiems įtaisams kritiniu faktoriumi yra labai mažos energijos sąnaudos, sąlygojančios ilgą baterijų darbo laiką

Be to, šiems įtaisams svarbus ir kompaktiškumas, o ARM procesoriai, tampantys sistemomis viename kristale (SoC), čia irgi turi pranašumą

Documents

KOMPIUTERIŲ ARCHITEKTŪRA ir OPERACINĖS SISTEMOS