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Welche Schreibstrategien für Caches gibt es?

* Write-Back
* Write-Through
* Write-Allocate
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liegenden Index. Ist eine der Tags gleich dem Index, ist dies ein Cache-Hit. Diese Technik reduziert die hohe Anfälligkeit von Direct-Mapped-Caches für Konflikte, benötigt aber mehr Chipfläche. <span>Welche Schreibstrategien für Caches gibt es? Write-Back,Write-Throug und Write-Allocate. Write-Back-Strategie? Ein zu lesendes Datum wird entweder bei einem Hit aus dem Cache gelesen oder im Falle eines Misses, aus dem Hauptspeicher geholt und parallel in den Cache eingetra

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
aubt : ) Preemptives Multitasking ist echtes Multitasking. Ein externer Timer steuert die Umschaltung der Tasks. Die Tasks können somit keinen Einfluss auf die Betriebsmittelumschaltung nehmen. <span>Kapitel 4 - Speicherhierarchie und Caches Was bedeutet die Eigenschaft Lokalität? Aus programmtechnischer Sicht wiederholen sich oft Befehle und ganze Programmteile. Somit werden Daten oft wiederholt angefordert. Es gibt nun zwei Arten von Lokalität: Was ist Zeitliche Lokalität? Auf ein gerade zugegriffenes Datum wird sicher bald wieder zugegriffen. Was ist Räumliche Lokalität? Auf Daten, deren Adressen benachbart sind, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zugegriffen. Anzumerken ist, daß Datenzugriffe eine geringere Lokalität zeigen als Befehlszugriffe. Nach welchen Merkmalen lassen sich Caches klassifizieren? Cache-Größe (damit verbundener Hardware-Aufwand) Größe einer Cachezeile (Verschmutzungseffekt) Cache-Organisation (Vollassoziativ/Direct Mapped/Satz-Assoziativ) Schreibstrategie (Write-Through /-Allocate oder -Back) Split-Cache-Design (Transfer-Bandbreiten) Multi-level Cache-Hierarchien (Workingssetgrößen) Effective Working Set (Overflow-, Victim-, Trace Cache) Innere Cache-Parallelität (Streaming) Kohärenz-Verfahren (Snooping, MESI) Wie ist ein Cache aufgebaut? Zeile 1 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 2 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 3 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) ... Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile n Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Control-Bits sind z.B. Valid-Bits, Dirty-Bits und Prozess-ID. Das Adress-Tag ist nichts weiter als ein Teil der Adresse, welche bei einem Zugriff als Index gilt. Ein Datenblock ist in der Praxis meistens zwischen 16 und 64 KByte groß. Welche Cache-Arten kennen Sie? Ein Cache-Eintrag besteht aus einem Tag (Identifikator) und den Daten. Die Implementierung unterscheidet sich. Es gibt voll-, einfach assoziative und Satzassoziative Caches . Wie arbeitet ein vollassoziativer Cache? Das Tag Feld ist hier die assoziierende Adresse des Datums im Speicher. Die Hardware ist bei vollassoziativen Caches aufwendig, da diese bei einem Cache Zugriff alle Tags gleichzeitig mit der anliegenden Adresse vergleicht. Dies ist zwar extrem schnell, aber sehr teuer. Außerdem wird er sehr langsam wenn die Anzahl der Cachezeilen hinreichend groß wird. Da bei vollassoziativen Cachen ein Datum an jede Stelle des Caches platziert werden kann, muss eine Logik her, welche eine Entscheidung trifft. Als Plazierungsstrategie wird oft LRU verwendet. Dies ist seht aufwendig! Wie arbeitet ein Direct-Mapped-Cache (einfach assoziativer Cache)? Beim Direct-Mapped-Cache entscheidet eine Map-Funktion, welche Zeile im Cache mit der anliegenden Adresse referenziert wird (somit ist kein LRU o.ä. notwendig). Dabei wird einem Hauptspeicherblock genau ein Cache-Block zugeordnet (n:1 Beziehung). Oft wird eine Funktion wie (A mod Cachesize / Zeilengröße) zur Berechnung der Cachezeile aus der anliegenden Adresse benutzt, da bei diesem Verfahren dann nur (A / Cachesize) als Tag in jeder Cachezeile gespeichert werden muss. Vorteil dieser Variante ist die einfache, kostengünstige Integration (nur Komperator notwendig) und die hohe Geschwindigkeit. Leider neigt ein Direct-Mapped-Cache zu vielen Konflikten (ähnlich den Kollisionen bei Hash-Tables), welche zusätzliche Cache-Misses bildet, da mehrere Adressen auf die gleiche Cachezeile verweisen. Wie arbeitet ein n-Wege-Satz Cache (Satzassoziativer Cache)? Diese Variante ist nichts anderes als eine Implementation mehrerer parallel verknüpfter Direct-Mapped-Caches. Sie stellt quasi einen Kompromiss zwischen Cache-Effizienz und Aufwand dar. Die Arbeitsweise ist die gleiche, nur das die Map-Funktion nicht nur auf eine Zeile im Speicher zeigt, sondern auf n. Die Hardware des Caches vergleicht alle n Tags gleichzeitig, mit dem anliegenden Index. Ist eine der Tags gleich dem Index, ist dies ein Cache-Hit. Diese Technik reduziert die hohe Anfälligkeit von Direct-Mapped-Caches für Konflikte, benötigt aber mehr Chipfläche. Welche Schreibstrategien für Caches gibt es? Write-Back,Write-Throug und Write-Allocate. Write-Back-Strategie? Ein zu lesendes Datum wird entweder bei einem Hit aus dem Cache gelesen oder im Falle eines Misses, aus dem Hauptspeicher geholt und parallel in den Cache eingetragen. Im Falle der Aktualisierung, muss erst das Dirty-Bit der zu überschreibenden Cache-Line geprüft werden, um diese gegebenenfalls in den Hauptspeicher zurückzuschreiben. (Write-Back) Vorteil dieser Strategie ist das bei Hits kein Hauptspeicherverkehr oder Busbelastung auftritt. Alle Operationen können schnell innerhalb der Working-Sets mit Cache-Speed erfolgen. Somit arbeitet die CPU ungebremst. Problematisch wird dies, wenn mehrere Bus-Master am Bus hängen. Um Inkonsistenzen zu vermeiden sind dann spezielle Synchronisationsprotololle wie MESI notwendig. Concurrent Write-Back? Bei einfachen Write-Back-Caches muss die CPU im Falle eines Cache-Misses warten, bis die neue Cache-Line aus dem Speicher geholt wurde. Um diese Wartezeit im Mittel zu eliminieren, wird die alte Zeile zunächst in einen Writebuffer zwischengespeichert und später, parallel zu nachfolgenden Cache-Referenzen in den Hauptspeicher übernommen. (Sonderform: Buffered Line Refill) Wenn auch beim Lesen ein Line-(Read)-Buffer verwendet wird, spricht man von einem Streaming Cache. Write-Through-Strategie? Write-Through schreibt immer in den Hauptspeicher und falls sich eine Kopie auch im Cache befindet, so wird diese aktualisiert. Genau aus diesem Grund ist kein Rückschreiben eines Dirty-Datums notwendig, da es zu keinen Inkonsistenzen zwischen RAM und Cache kommen kann. Nachteil ist aber, dass nur bei Leseoperationen ein Geschwindigkeitsvorteil erzielt werden kann Buffered Write-Through Im Mittel erfolgen nach jeder Write-Operation zwei Read-Operationen. Deshalb kann ein Geschwindigkeitsgewinn erzielt werden, wenn ein schneller Zwischenbuffer (FiFo) vor dem Speicher plaziert wird, welcher einige Write-Operationen aufnehmen kann. Wird nun eine Leseoperation ausgeführt, so kann das Datum falls es noch in dem schnellen Buffer steht, direkt aus diesem gelesen werden. Write Allocate Hier wird immer in den Hauptspeicher und in den Cache geschrieben - auch wenn das Datum sich noch nicht im Cache befand. Zusammenspiel bei Cache-Misses Write-Allocate wird meistens mit Write-Back Strategie gemeinsam verwendet. Write-Allocate bedeutet dabei nichts weiter, als das der Hauptspeicher-Block in den Cache geladen wird. Beim No-write-Allocate (Write-Around) wird das Datum direkt im Hauptspeicher modifiziert, weshalb Write Around meist mit Write-Through verbunden wird. Zusammenfassung Caches Write-Back wird üblicherweise mit Write-Allocate kombiniert. Beim Write Allocate (fetch-on-write) wird ein Block gelesen und in Cache gespeichert. Beim No-write-allocate (write-around) wird der Block in der unteren Ebene der Speicherhierarchie modifiziert und nicht nicht im Cache geladen. No-write-allocate wird deshalb meist bei Write-through verwendet. Was ist der Unterschied zwischen einen logischen und einen physischen Cache? Physische Caches liegen vor der MMU und speichern somit nur physikalische Adressen. Ein logischer Cache liegt zwischen CPU und MMU und speichert logische Adressen. Vorteil von logischen Caches ist daher, dass die Adressumrechnung bei einem Hit entfällt. Ein großer Nachteil sind aber die Synonym-Probleme bei Multiprozessorsystemen. Des weiteren wird bei Taskwechsel ein Cache-Flush notwendig. Multi-Level-Caches und Split-Caches Durch Hintereinanderlegen von verschiedenen Caches kann ein gleitender Übergang zu immer größeren und langsameren Speichern erreicht werden. First Level Caches sind meist n-Wege-Satzassoziativ und folgende Direct-Mapped. Split-Caches trennen Code und Daten und sind somit viel flexibler und besser an das Zugriffsverhalten in Bezug auf Strategie oder Assoziativität zu optimieren. Dabei unterscheidet man eine Havard-Architektur von der multiplexed Havard-Architektur (von Neumann Prinzip). Die reine Harvard trennt nicht nur Cache sondern auch den Hauptspeicher in Daten und Codebereich. Bei von Neumann liegen Daten und Code zusammen im Hauptspeicher und werden nur im Cache getrennt. Durch Trennung von Code und Daten verdoppelt sich die Bandbreite, da zeitgleich zugegriffen werden kann. Was geschieht wenn kein Platz mehr im Cache vorhanden ist? Es muss eine Cache-Line ausgewählt werden, die mit den neuen benötigten Daten überschrieben werden kann. Die Auswahl erfolgt meistens mit LRU - Last Recently Used. D.h. die am längsten nicht genutzte Cache-Line fliegt raus. Was ist ein Burst-Cache? Burst Caches schreiben nicht nur eine Zeile in den Speicher zurück, sondern gleich mehrere, um die Bandbreite auszunutzen und somit Zeit zu sparen. Zusammenhänge zwischen Caches, TLB's und Page Tables Folgende vier Fragen stellen sich bei Caches, TLB's und auch bei Page Tables: Wo kann ein Block eingelagert werden? (Direct Mapped also nur an einem Ort, Set Assoziativ an mehreren Orten oder Voll Assoziativ, also überall) Wie kann ein Block gefunden werden? (indexiert, limitierte Suche, komplette Suche oder lookup table wie Page Tables) Wie wird ein Block bei einem Miss aktualisiert? (normalerweise über LRU oder random Methoden) Wie wird mit Schreiboperationen umgegangen? (Write Through oder Write Back) Ein TLB ist ein Translation Lookaside Buffer und ist ein kleiner Cache für die Page Table, um Seitenzugriffe zu beschleunigen. Was ist ein Trace-Cache Ein Trace Cache ist ein spezieller Befehlscache, der "Traces" des aktuellen Programmlauf protokolliert. Dabei speichert jede Zeile einen Trace, welcher typisch mehrere taken branches enthalten kann. Befehlsfolgen, die aufgrund von taken branches (weit) auseinander liegen, werden in kontinuierlicher Folge abgespeichert. Gepaart mit multiple branch prediction können mehrere zusammenhängende Basisblöcke parallel gefetched werden. (ergibt hohe issue rate) Kapitel 5 - Risc Wie berechnet sich die Prozessorleistung? Die Prozessorleistung ist umgekehrt proportional zur Ausführungszeit eines Algorithmus und wird aus folgenden drei Parametern



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Asynchrone Interrupts werden durch externe Geräte ausgelöst und können nach dem laufenden Befehl ausgeführt werden.
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d verschiedenster Fehler oder Anforderungen, wie Softwareinterrupts, Page Faults oder anderen Verletzungen. Bei synchronen Exeptions treten die Fehler stehts an der gleichen Programmstelle auf. <span>Asynchrone werden durch externe Geräte ausgelöst und können nach dem laufenden Befehl ausgeführt werden. Was sind Precice Exeptions? Sind Exeptions, welche garantieren, dass die Exeptions direkt nach oder während des Befehles ausgeführt werden und kein Folgebefehl vorher abgearbeitet wird.

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
und das selbe Register schreiben. Hier muss sichergestellt werden, daß die Schreibreihenfolge der der Befehle entspricht. Beide Abhängigkeiten können durch Register Renaming vermindert werden! <span>Kapitel 7 - Branch Prediction Control Hazards (Jump / Branch Problematik) Sprungbefehle stellen einen Dorn im Auge einer jeden Pipeline dar, da diese besondere Vorkehrungen erfordern. Da das Ziel eines Sprungbefehles oft erst festgestellt werden muss, liegt diese Adresse erst ab der MEM ACCESS Phase bereit. Somit kann das erneute Laden des Programmcounters auch erst in dieser Phase geschehen. So verzögert sich das Holen des nächsten Befehles um einige Takte. Durch eine Optimierung der Pipeline kann zwar die stall-Phase verkleinert, aber nicht ausgeschlossen werden. (durch Verlegung des Sprungbedingungstests in die Decode-Phase) Welche Methoden gibt es zur Reduzierung von Sprungverlusten? Predict Not Taken / Predict-Taken (fixed prediction) Objektcode basiert (statisch) dynamisch Brach-Prediction mit History Buffern (correlating / non-correlating) Delayed-Branch Wie funktioniert die Predict-Not-Taken bzw. Predict-Taken Methodik? Hier wird nichts weiter gemacht als entweder alle Sprünge voreingestellt abzulehnen oder alle Sprünge ersteinmal ohne Gewähr duchzuführen. Allgemeine Programmstatistiken sagen aus, dass mehr bedingte Sprünge ausgeführt als abgewiesen werden. Wie funktioniert die Delayed-Branch Methode? Hier wird ein sprungunabhängiger Befehl in den Delay Slot eingeschleust. Dies muss somit schon von den Compilerbauern berücksichtigt werden. Um diese Bedingung zu Umgehen wird die "Cancelling Branches"-Technik eingesetzt. Im Mittel werden dann trotzdem die Branch-Verluste verringert. Durch ein zusätzliches Bit im Befehlscode gibt der Compiler die wahrscheinlichste Sprungrichtung an. Nun kann entsprechend dieser Annahme ein Befehl in den Delay Slot eingefügt werden, der nur gültig ist, wenn der Sprung richtig vorhergesagt war. Falls nicht wird der Delay-Slot-Befehl abgebrochen (gecancelt). Dynamische Branch-Prediction Um Wartezeiten durch bedingte Sprünge zu vermeiden, sollte das Sprungziel schon mit dem Ende der Fetch-Phase zur Verfügung stehen. Es gibt zwei Ansätze Sprungzielspeicher (branch-target-buffer = BTB) Sprungvorhersage-Puffer (Branch History Table = BHT) Wie arbeitet eine Branch History Table? In dieser Tabelle wird im Grunde nur durch ein Bit (oder mehr) vermerkt, ob ein Sprung durchgeführt wurde oder nicht. Als Index der Tabelle dient der niederwertige Teil der Adresse des dazugehörigen Sprungbefehls. Nun kann die Pipeline in der Fetchphase nach einem eventuell vorhandenen Eintrag schauen und diesen als Entscheidungsgrundlage nehmen. Welchen Nachteil hat die 1-Bit Sprungvorhersage? Es wird nicht nur bei einem Schleifenaustritt der Sprung falsch vorhergesagt, sondern auch die erste Vorhersage bei erneuter Verwendung der Schleife. Wie arbeitet die 2-Bit-Sprungvorhersage mit BHT? Durch einen einfachen Zähler kann man den Nachteil der 1-Bit-Vorhersage minimieren. Hier wird die Vorhersage erst geändert, wenn sie zweimal falsch war. Es hat sich gezeigt, daß durch Zähler mit mehr als 2 Bit sich die Performance nicht weiter signifikant erhöhen läßt. Abb.: 2-Bit-Sprungvorhersagenautomat Wie arbeitet der Branch-Target-Buffer? Hier wird die Zieladresse eines gemachten Sprungs direkt gespeichert, um diese gegebenfalls ohne Verzögerung wiederzuverwenden. So kann bei einem Hit (Index stimmt mit Befehlsadresse überein) sofort der Instruction Counter mit der dazugehörigen Sprungadresse geladen werden). Exeptions Exeptions unterbrechen den Programmablauf Aufgrund verschiedenster Fehler oder Anforderungen, wie Softwareinterrupts, Page Faults oder anderen Verletzungen. Bei synchronen Exeptions treten die Fehler stehts an der gleichen Programmstelle auf. Asynchrone werden durch externe Geräte ausgelöst und können nach dem laufenden Befehl ausgeführt werden. Was sind Precice Exeptions? Sind Exeptions, welche garantieren, dass die Exeptions direkt nach oder während des Befehles ausgeführt werden und kein Folgebefehl vorher abgearbeitet wird. Zusammenfassung der Sprungvorhersage Sprungvorhersage ist extrem wichtig für Pipelining und Superskalarität, um stalls und Verzögerungen zu minimieren. Bei statischer Vorhersage werden Rückwärtssprünge meist erst durchgeführt und Vorwärtssprünge nicht. Wurde ein Sprung falsch vorhergesagt, muss die angefangene Instruktion rückgängig gemacht werden, was aufwendig ist. Deshalb gibt es ausgeklügelte Verfahren für die Branch Prediction. Statische Sprungvorhersage Es werden Compiler benutzt, die spezielle Sprungbefehle mitführen, welche ein Bit für die Sprungvorhersage enthalten. Da der Compiler ja weiß, wie oft eine Schleife durchlaufen wird, ist das sehr effizient. Dies muss aber architektonisch von der Hardware unterstützt werden. Des Weiteren ist kein Speicher für die History Table notwendig, was es kostengünstiger macht. Statische Verfahren erreichen eine Trefferrate von 65 bis 85%, was für moderne CPU's mit Superpipelines zu wenig ist. Dynamische Verfahren erreichen Trefferraten bei der Vorhersage von 98% und mehr! Dynamische Sprungvorhersage Es gibt zwei grundlegende Methoden. BHT und BTB. Die Branch History Table (Branch Predicion Buffer) ist ein Cache, in der alle bedingten Sprünge protokolliert werden. ( bis zu mehereren Tausend) Einfachste Version enthält ein Valid-Bit (Branch taken oder nicht), welches durch den niederwertigen Teil der Sprungadresse adressiert wird. Kompliziere Implementationen arbeiten nach dem n-Wege Prinzip. Durch Second Chance kann dieses Verfahren noch verbessert werden. Der Branch Target Buffer speichert nicht nur die taken-Bits, sondern auch die Sprungzieladresse, um null Verluste bei wiederholtem Aufruf zu haben. Das setzt voraus, dass nur taken branches aufgenommen werden. Bei einem Hit in der BTB kann somit während der Fetch Phase der Program Counter überschrieben werden. Werden keine History Bits mitgeführt spricht man vom BTAB. Wie arbeitet Second Chance? Nach Beenden einer Schleife wird ein Sprung logischerweise falsch vorhergesagt. Um zu vermeiden, dass nun fälschlicherweise das Sprungbit falsch gesetzt wird (da ja die gleiche Schleife noch mal durchlaufen werden kann), ändert man dieses erst nach der zweiten falschen Vorhersage. Leicht zu implementieren als Finite State Machine mit vier Zuständen. Nachteil der dynamischen Vorhersage ist die notwendige teuere und komplexere Hardware. Was ist der Vorteil von BHT gegenüber BTB? Branch Target Buffer loggen nur, ob ein Sprung genommen wurde oder nicht. Daher gibt es bei MIPS-Architekturen die BTB verwenden immernoch die sogenannten Branch Delay Slots, da die Sprungadresse trotzdem neu ermittelt werden muss. BHT beseitigen diesen Nachteil, da sie die Sprungadresse mit abspeichern und diese dann sofort in den IP geladen werden kann. Was sind Correlating Predictors? Betrachten wir folgendes Codefragment, fällt uns auf, daß ein Branch Predictor, der nur einen Sprung als Entscheidungsgrundlage einbezieht, den Zusammenhang der drei Sprünge nicht erkennen kann. if (a==10) //1. Sprung a=0; if (b=0) //2. Sprung b=0; if (a!=b){ //3. Sprung ... //abhängig von 1. und 2. Sprung } Um diese Abhängigkeiten in eine Sprungvorhersage einbeziehen zu können, sind Correlating Predictors notwendig. Solche Einheiten werden oft als (m,n)-Predictors bezeichnet. protokolliert wird das Verhalten der letzten m Sprünge je mit einem n-Bit Predictor (z.B. 2-Bit Second Chance) somit wird aus 2^m*n-Bit Preticors ausgewählt, um Vorhersage für den jeweiligen Sprung zu treffen Wie werden Correlating Predictors hardwaremäßig implementiert? Das Implementieren dieser Predictors ist weitaus einfacher, als man es annehmen würde. Es wird einfach für die History-Bits ein m-Bit-Shift Register verwendet, um die letzten m Sprünge zu speichern. Welche Performancesteigerung ist durch Correlating Predictors erreichbar? Eqntott ist ein Benchmark, welches speziell mehrere voneinander abhängige Sprünge simuliert. Hier sinkt die Fehlvorhersage von 20% auf unter 8%! Beim GCC-Compiler sind dagegen keine Unterschiede zwischen Correlating Predictors und normaler 2-Bit Sprungvorhersage erkennbar. Kapitel 8 - Superskalarität Was bedeutet superskalar? Mit normalen Pipelines (Überlappen von Instruktionen) ist nur eine maximale Performance von einem Befehl / Takt technisch und theor



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Die 1-bit Sprungvorhersage verfehlt die erste Vorhersage bei erneuter Verwendung der Schleife.
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Welchen Nachteil hat die 1-Bit Sprungvorhersage? Es wird nicht nur bei einem Schleifenaustritt der Sprung falsch vorhergesagt Welchen Nachteil hat die 1-Bit Sprungvorhersage? sondern auch die erste Vorhersage bei erneuter Verwendung der Schleife.

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
und das selbe Register schreiben. Hier muss sichergestellt werden, daß die Schreibreihenfolge der der Befehle entspricht. Beide Abhängigkeiten können durch Register Renaming vermindert werden! <span>Kapitel 7 - Branch Prediction Control Hazards (Jump / Branch Problematik) Sprungbefehle stellen einen Dorn im Auge einer jeden Pipeline dar, da diese besondere Vorkehrungen erfordern. Da das Ziel eines Sprungbefehles oft erst festgestellt werden muss, liegt diese Adresse erst ab der MEM ACCESS Phase bereit. Somit kann das erneute Laden des Programmcounters auch erst in dieser Phase geschehen. So verzögert sich das Holen des nächsten Befehles um einige Takte. Durch eine Optimierung der Pipeline kann zwar die stall-Phase verkleinert, aber nicht ausgeschlossen werden. (durch Verlegung des Sprungbedingungstests in die Decode-Phase) Welche Methoden gibt es zur Reduzierung von Sprungverlusten? Predict Not Taken / Predict-Taken (fixed prediction) Objektcode basiert (statisch) dynamisch Brach-Prediction mit History Buffern (correlating / non-correlating) Delayed-Branch Wie funktioniert die Predict-Not-Taken bzw. Predict-Taken Methodik? Hier wird nichts weiter gemacht als entweder alle Sprünge voreingestellt abzulehnen oder alle Sprünge ersteinmal ohne Gewähr duchzuführen. Allgemeine Programmstatistiken sagen aus, dass mehr bedingte Sprünge ausgeführt als abgewiesen werden. Wie funktioniert die Delayed-Branch Methode? Hier wird ein sprungunabhängiger Befehl in den Delay Slot eingeschleust. Dies muss somit schon von den Compilerbauern berücksichtigt werden. Um diese Bedingung zu Umgehen wird die "Cancelling Branches"-Technik eingesetzt. Im Mittel werden dann trotzdem die Branch-Verluste verringert. Durch ein zusätzliches Bit im Befehlscode gibt der Compiler die wahrscheinlichste Sprungrichtung an. Nun kann entsprechend dieser Annahme ein Befehl in den Delay Slot eingefügt werden, der nur gültig ist, wenn der Sprung richtig vorhergesagt war. Falls nicht wird der Delay-Slot-Befehl abgebrochen (gecancelt). Dynamische Branch-Prediction Um Wartezeiten durch bedingte Sprünge zu vermeiden, sollte das Sprungziel schon mit dem Ende der Fetch-Phase zur Verfügung stehen. Es gibt zwei Ansätze Sprungzielspeicher (branch-target-buffer = BTB) Sprungvorhersage-Puffer (Branch History Table = BHT) Wie arbeitet eine Branch History Table? In dieser Tabelle wird im Grunde nur durch ein Bit (oder mehr) vermerkt, ob ein Sprung durchgeführt wurde oder nicht. Als Index der Tabelle dient der niederwertige Teil der Adresse des dazugehörigen Sprungbefehls. Nun kann die Pipeline in der Fetchphase nach einem eventuell vorhandenen Eintrag schauen und diesen als Entscheidungsgrundlage nehmen. Welchen Nachteil hat die 1-Bit Sprungvorhersage? Es wird nicht nur bei einem Schleifenaustritt der Sprung falsch vorhergesagt, sondern auch die erste Vorhersage bei erneuter Verwendung der Schleife. Wie arbeitet die 2-Bit-Sprungvorhersage mit BHT? Durch einen einfachen Zähler kann man den Nachteil der 1-Bit-Vorhersage minimieren. Hier wird die Vorhersage erst geändert, wenn sie zweimal falsch war. Es hat sich gezeigt, daß durch Zähler mit mehr als 2 Bit sich die Performance nicht weiter signifikant erhöhen läßt. Abb.: 2-Bit-Sprungvorhersagenautomat Wie arbeitet der Branch-Target-Buffer? Hier wird die Zieladresse eines gemachten Sprungs direkt gespeichert, um diese gegebenfalls ohne Verzögerung wiederzuverwenden. So kann bei einem Hit (Index stimmt mit Befehlsadresse überein) sofort der Instruction Counter mit der dazugehörigen Sprungadresse geladen werden). Exeptions Exeptions unterbrechen den Programmablauf Aufgrund verschiedenster Fehler oder Anforderungen, wie Softwareinterrupts, Page Faults oder anderen Verletzungen. Bei synchronen Exeptions treten die Fehler stehts an der gleichen Programmstelle auf. Asynchrone werden durch externe Geräte ausgelöst und können nach dem laufenden Befehl ausgeführt werden. Was sind Precice Exeptions? Sind Exeptions, welche garantieren, dass die Exeptions direkt nach oder während des Befehles ausgeführt werden und kein Folgebefehl vorher abgearbeitet wird. Zusammenfassung der Sprungvorhersage Sprungvorhersage ist extrem wichtig für Pipelining und Superskalarität, um stalls und Verzögerungen zu minimieren. Bei statischer Vorhersage werden Rückwärtssprünge meist erst durchgeführt und Vorwärtssprünge nicht. Wurde ein Sprung falsch vorhergesagt, muss die angefangene Instruktion rückgängig gemacht werden, was aufwendig ist. Deshalb gibt es ausgeklügelte Verfahren für die Branch Prediction. Statische Sprungvorhersage Es werden Compiler benutzt, die spezielle Sprungbefehle mitführen, welche ein Bit für die Sprungvorhersage enthalten. Da der Compiler ja weiß, wie oft eine Schleife durchlaufen wird, ist das sehr effizient. Dies muss aber architektonisch von der Hardware unterstützt werden. Des Weiteren ist kein Speicher für die History Table notwendig, was es kostengünstiger macht. Statische Verfahren erreichen eine Trefferrate von 65 bis 85%, was für moderne CPU's mit Superpipelines zu wenig ist. Dynamische Verfahren erreichen Trefferraten bei der Vorhersage von 98% und mehr! Dynamische Sprungvorhersage Es gibt zwei grundlegende Methoden. BHT und BTB. Die Branch History Table (Branch Predicion Buffer) ist ein Cache, in der alle bedingten Sprünge protokolliert werden. ( bis zu mehereren Tausend) Einfachste Version enthält ein Valid-Bit (Branch taken oder nicht), welches durch den niederwertigen Teil der Sprungadresse adressiert wird. Kompliziere Implementationen arbeiten nach dem n-Wege Prinzip. Durch Second Chance kann dieses Verfahren noch verbessert werden. Der Branch Target Buffer speichert nicht nur die taken-Bits, sondern auch die Sprungzieladresse, um null Verluste bei wiederholtem Aufruf zu haben. Das setzt voraus, dass nur taken branches aufgenommen werden. Bei einem Hit in der BTB kann somit während der Fetch Phase der Program Counter überschrieben werden. Werden keine History Bits mitgeführt spricht man vom BTAB. Wie arbeitet Second Chance? Nach Beenden einer Schleife wird ein Sprung logischerweise falsch vorhergesagt. Um zu vermeiden, dass nun fälschlicherweise das Sprungbit falsch gesetzt wird (da ja die gleiche Schleife noch mal durchlaufen werden kann), ändert man dieses erst nach der zweiten falschen Vorhersage. Leicht zu implementieren als Finite State Machine mit vier Zuständen. Nachteil der dynamischen Vorhersage ist die notwendige teuere und komplexere Hardware. Was ist der Vorteil von BHT gegenüber BTB? Branch Target Buffer loggen nur, ob ein Sprung genommen wurde oder nicht. Daher gibt es bei MIPS-Architekturen die BTB verwenden immernoch die sogenannten Branch Delay Slots, da die Sprungadresse trotzdem neu ermittelt werden muss. BHT beseitigen diesen Nachteil, da sie die Sprungadresse mit abspeichern und diese dann sofort in den IP geladen werden kann. Was sind Correlating Predictors? Betrachten wir folgendes Codefragment, fällt uns auf, daß ein Branch Predictor, der nur einen Sprung als Entscheidungsgrundlage einbezieht, den Zusammenhang der drei Sprünge nicht erkennen kann. if (a==10) //1. Sprung a=0; if (b=0) //2. Sprung b=0; if (a!=b){ //3. Sprung ... //abhängig von 1. und 2. Sprung } Um diese Abhängigkeiten in eine Sprungvorhersage einbeziehen zu können, sind Correlating Predictors notwendig. Solche Einheiten werden oft als (m,n)-Predictors bezeichnet. protokolliert wird das Verhalten der letzten m Sprünge je mit einem n-Bit Predictor (z.B. 2-Bit Second Chance) somit wird aus 2^m*n-Bit Preticors ausgewählt, um Vorhersage für den jeweiligen Sprung zu treffen Wie werden Correlating Predictors hardwaremäßig implementiert? Das Implementieren dieser Predictors ist weitaus einfacher, als man es annehmen würde. Es wird einfach für die History-Bits ein m-Bit-Shift Register verwendet, um die letzten m Sprünge zu speichern. Welche Performancesteigerung ist durch Correlating Predictors erreichbar? Eqntott ist ein Benchmark, welches speziell mehrere voneinander abhängige Sprünge simuliert. Hier sinkt die Fehlvorhersage von 20% auf unter 8%! Beim GCC-Compiler sind dagegen keine Unterschiede zwischen Correlating Predictors und normaler 2-Bit Sprungvorhersage erkennbar. Kapitel 8 - Superskalarität Was bedeutet superskalar? 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Bei einem Taskwechsel werden alle Informationen eines Tasks in seinem TSS gespeichert
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Was ist eine Task? Ein Task ist ein eigenständiges Programm / Prozess von vielen im Multitasksystem. Was ist eine Task? Es wird von einem TSS (Task State Segment) beschrieben. Was ist eine Task? Bei einem Taskwechsel werden alle Informationen in diesem TSS gespeichert. Was ist eine Task? Jeder TSS-Deskriptor steht in der GDT. Was ist eine Task? Die GDT hat beim i486 8192 Einträge, jedoch ist der 0. Eintrag immer leer. Somit sind maximal 8191 verschie

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
auf. Ein DMA-Controller wirkt wie ein weiterer Prozessor am Bus. Um Inkonsistenzen im Speicher zu vermeiden, muss ein DMA-Controller eng mit dem Speichermanagment des Systems zusammenarbeiten. <span>Was ist Memory-Mapped I/O? Ein I/O Controller besteht aus einer Vielzahl von Registern, welche auf zwei Varianten adressiert werden können: Memory-Mapped I/O, um den konventionellen Adressraum verschiedenen I/O-Devices zuzuordnen oder Getrennten I/O Adressraum, bei dem auf einer speziellen Adressleitung die E/A-Adresse auf den Bus gelegt wird. (veraltete Variante) Was ist eine Task? Ein Task ist ein eigenständiges Programm / Prozess von vielen im Multitasksystem. Es wird von einem TSS (Task State Segment) beschrieben. Bei einem Taskwechsel werden alle Informationen in diesem TSS gespeichert. Jeder TSS-Deskriptor steht in der GDT. Die GDT hat beim i486 8192 Einträge, jedoch ist der 0. Eintrag immer leer. Somit sind maximal 8191 verschiedene Prozesse möglich (inclusive des Betriebssystems). Wie werden Task-Wechsel realisiert? Ein Taskwechsel geschieht durch Auswahl eines Task-Gates aus Globaler Deskriptor Tabelle (Task State Segment = TSS). Ein TSS Enthält alle Informationen, die einen Task ausmachen: verwendete Prozessor-Register LDT-Selektor (einer Pro Task) welche die Segment-Deskriptoren des Prozesses enthält Stack-Segment-Pointer Verwaltungsinformation Adresse der Paging-Tabellen I/O-Map Base Adresse Busy-Bit, definiert den aktuell rechnenden Task (genau einer im System) TR (Task Register) enthält den aktuellen TSS (Selektor des Descriptors des aktuellen TSS) TSS-Descriptoren nur in GDT! Bsp: Scheduler als Task ( Umschalter ) Umschalten durch jeweiligen Austausch des Back-Link, IRETD zum anderen Task, z.B. Timer-Interrupt-Task. Welche Möglichkeiten für Privilegwechsel gibt es? CALL in eine Prozedur mit anderen Privilegde-Level (CALL-Gate) JMP in eine Prozedur mit anderen Privi legde-Level (TASK-Gate) INT (TRAP-Gate) TASK-Gate durch erzwungenen Prozeßwechsel IRET Rücksprung aus INT-Handler Was ist der Unterschied zwischen einem Selektor und einem Deskriptor? Ein Selektor Segment-Register wählt einen Deskriptor in (GLI)DT aus, ein Deskriptor Eintrag in (GLI)DT, beschreibt das Segment. Weshalb ist es sinnvoll, dass ein TSS-Descriptor nur in der GDT stehen darf? Es soll verhindert werden, daß ein USER-Programm in einen anderen Task springt. Da Taskwechsel nur über TASK-Gates erfolgen (dieses zeigt auf einen TSS-Deskriptor) muß der CurrentPrivilegdeLevel (CPL vom CS:) numerisch kleiner sein, als das des geforderten TSS-Deskriptor (DPL) bzw. kleiner als der (RPL) des Segments wo sich der TSS-Deskriptor aufhält. Damit wird sichergestellt, daß der Taskwechsel nur von "höherem" Code (OS) aus ausgeführt werden kann. Würde ein TSS-Deskriptor in der LDT stehen, könnte es dort mit einem höheren RPL versehen werden, und der USER-Code könnte sich zum OS-CODE etablieren! Welche Grundtypen von Deskriptoren gibt es? IDT LDT GDT CODE-Segment DATA-Segment STACK-Segment CODE-Segment DATA-Segment STACK-Segment INT-Gate TRAP-Gate TASK-Gate TASK-Gate TASK-Gate CALL-Gate Welche grundlegenden Adressierungsarten gibt es? Unmittelbare Adressierung Direktadressierung (Direct Adressing) Registeradressierung Indirekte Registeradressierung Indizierte Adressierung Basisindizierte Adressierung Stapeladressierung Unmittelbare Adressierung Der Adressteil der Instruktion enthält den Operanden selbst, anstatt eines Verweises. Solche Operanden werden als Direktoperanden (Immediate) bezeichnet Bsp: MOV R4, 5H (5H wird direkt in R4 gespeichert) Direktadressierung (Direct Adressing) Es wird eine volle Adresse des Operanden angegeben Deshalb nur für globale Variablen anwendbar, da Instruktion immer auf gleiche Speicehrzeile zugreift Registeradressierung Das gleiche Prinzip wie Direct Adressing, nur das Register anstelle von Speicherzellen verwendet werden In Registern sollten die am häufigsten verwendeten Variablen abgelegt werden, da Register vielfach schneller als Hauptspeicher sind Load/Store-Architekturen nutzen fast nur diesen Registermode (außer es muss vom oder zum Speicher transferiert werden) Indirekte Registeradressierung Die Adresse wird nicht direkt angegeben, sondern indirekt über ein Register Das Register enthält somit einen Pointer auf eine Speicherzelle Vorteil ist, daß auf Speicher referenziert werden kann, aber keine volle Speicheradresse notwendig wird Indizierte Adressierung Der Speicher wird durch Angabe eines Registers und eines konstanten Offsets adressiert Häufig benutzt bei Arrayzugriffen, wie A = B[i] (MOV R1, B[R2]) Basisindizierte Adressierung Speicheradresse wird hier durch Addition zweier Register und einen optionalen Offset berechnet Eines der Register stellt die Basis dar und ein anderes den Index Stapeladressierung Hier ist gar keine Adressangabe notwendig Somit sind die Instruktionen sehr kurz Die Stapeladressierung arbeitet mit der umgekehrten polnischen Notation (Postfix) Kapitel 3 - Speicherschutz und Multitasking Um unberechtigte Zugriffe, Datenaufrufe oder Systemprozedurecalls zu vermeiden und Task-Isolation zu gewährleisten, ist ein ausgeklügeltes Sp



Annotation 7643804077324

Jeder TSS-Deskriptor steht in der GDT
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elen im Multitasksystem. Was ist eine Task? Es wird von einem TSS (Task State Segment) beschrieben. Was ist eine Task? Bei einem Taskwechsel werden alle Informationen in diesem TSS gespeichert. <span>Was ist eine Task? Jeder TSS-Deskriptor steht in der GDT. Was ist eine Task? Die GDT hat beim i486 8192 Einträge, jedoch ist der 0. Eintrag immer leer. Somit sind maximal 8191 verschiedene Prozesse möglich (inclusive des Betriebssystems). </s

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auf. Ein DMA-Controller wirkt wie ein weiterer Prozessor am Bus. Um Inkonsistenzen im Speicher zu vermeiden, muss ein DMA-Controller eng mit dem Speichermanagment des Systems zusammenarbeiten. <span>Was ist Memory-Mapped I/O? Ein I/O Controller besteht aus einer Vielzahl von Registern, welche auf zwei Varianten adressiert werden können: Memory-Mapped I/O, um den konventionellen Adressraum verschiedenen I/O-Devices zuzuordnen oder Getrennten I/O Adressraum, bei dem auf einer speziellen Adressleitung die E/A-Adresse auf den Bus gelegt wird. (veraltete Variante) Was ist eine Task? Ein Task ist ein eigenständiges Programm / Prozess von vielen im Multitasksystem. Es wird von einem TSS (Task State Segment) beschrieben. Bei einem Taskwechsel werden alle Informationen in diesem TSS gespeichert. Jeder TSS-Deskriptor steht in der GDT. Die GDT hat beim i486 8192 Einträge, jedoch ist der 0. Eintrag immer leer. Somit sind maximal 8191 verschiedene Prozesse möglich (inclusive des Betriebssystems). Wie werden Task-Wechsel realisiert? Ein Taskwechsel geschieht durch Auswahl eines Task-Gates aus Globaler Deskriptor Tabelle (Task State Segment = TSS). Ein TSS Enthält alle Informationen, die einen Task ausmachen: verwendete Prozessor-Register LDT-Selektor (einer Pro Task) welche die Segment-Deskriptoren des Prozesses enthält Stack-Segment-Pointer Verwaltungsinformation Adresse der Paging-Tabellen I/O-Map Base Adresse Busy-Bit, definiert den aktuell rechnenden Task (genau einer im System) TR (Task Register) enthält den aktuellen TSS (Selektor des Descriptors des aktuellen TSS) TSS-Descriptoren nur in GDT! Bsp: Scheduler als Task ( Umschalter ) Umschalten durch jeweiligen Austausch des Back-Link, IRETD zum anderen Task, z.B. Timer-Interrupt-Task. Welche Möglichkeiten für Privilegwechsel gibt es? CALL in eine Prozedur mit anderen Privilegde-Level (CALL-Gate) JMP in eine Prozedur mit anderen Privi legde-Level (TASK-Gate) INT (TRAP-Gate) TASK-Gate durch erzwungenen Prozeßwechsel IRET Rücksprung aus INT-Handler Was ist der Unterschied zwischen einem Selektor und einem Deskriptor? Ein Selektor Segment-Register wählt einen Deskriptor in (GLI)DT aus, ein Deskriptor Eintrag in (GLI)DT, beschreibt das Segment. Weshalb ist es sinnvoll, dass ein TSS-Descriptor nur in der GDT stehen darf? Es soll verhindert werden, daß ein USER-Programm in einen anderen Task springt. Da Taskwechsel nur über TASK-Gates erfolgen (dieses zeigt auf einen TSS-Deskriptor) muß der CurrentPrivilegdeLevel (CPL vom CS:) numerisch kleiner sein, als das des geforderten TSS-Deskriptor (DPL) bzw. kleiner als der (RPL) des Segments wo sich der TSS-Deskriptor aufhält. Damit wird sichergestellt, daß der Taskwechsel nur von "höherem" Code (OS) aus ausgeführt werden kann. Würde ein TSS-Deskriptor in der LDT stehen, könnte es dort mit einem höheren RPL versehen werden, und der USER-Code könnte sich zum OS-CODE etablieren! Welche Grundtypen von Deskriptoren gibt es? IDT LDT GDT CODE-Segment DATA-Segment STACK-Segment CODE-Segment DATA-Segment STACK-Segment INT-Gate TRAP-Gate TASK-Gate TASK-Gate TASK-Gate CALL-Gate Welche grundlegenden Adressierungsarten gibt es? Unmittelbare Adressierung Direktadressierung (Direct Adressing) Registeradressierung Indirekte Registeradressierung Indizierte Adressierung Basisindizierte Adressierung Stapeladressierung Unmittelbare Adressierung Der Adressteil der Instruktion enthält den Operanden selbst, anstatt eines Verweises. Solche Operanden werden als Direktoperanden (Immediate) bezeichnet Bsp: MOV R4, 5H (5H wird direkt in R4 gespeichert) Direktadressierung (Direct Adressing) Es wird eine volle Adresse des Operanden angegeben Deshalb nur für globale Variablen anwendbar, da Instruktion immer auf gleiche Speicehrzeile zugreift Registeradressierung Das gleiche Prinzip wie Direct Adressing, nur das Register anstelle von Speicherzellen verwendet werden In Registern sollten die am häufigsten verwendeten Variablen abgelegt werden, da Register vielfach schneller als Hauptspeicher sind Load/Store-Architekturen nutzen fast nur diesen Registermode (außer es muss vom oder zum Speicher transferiert werden) Indirekte Registeradressierung Die Adresse wird nicht direkt angegeben, sondern indirekt über ein Register Das Register enthält somit einen Pointer auf eine Speicherzelle Vorteil ist, daß auf Speicher referenziert werden kann, aber keine volle Speicheradresse notwendig wird Indizierte Adressierung Der Speicher wird durch Angabe eines Registers und eines konstanten Offsets adressiert Häufig benutzt bei Arrayzugriffen, wie A = B[i] (MOV R1, B[R2]) Basisindizierte Adressierung Speicheradresse wird hier durch Addition zweier Register und einen optionalen Offset berechnet Eines der Register stellt die Basis dar und ein anderes den Index Stapeladressierung Hier ist gar keine Adressangabe notwendig Somit sind die Instruktionen sehr kurz Die Stapeladressierung arbeitet mit der umgekehrten polnischen Notation (Postfix) Kapitel 3 - Speicherschutz und Multitasking Um unberechtigte Zugriffe, Datenaufrufe oder Systemprozedurecalls zu vermeiden und Task-Isolation zu gewährleisten, ist ein ausgeklügeltes Sp



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Ein Segmentselektor zeigt auf einen Eintrag in einer Deskriptortabelle
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Aus welchen beiden Teilen besteht eine Virtuelle Adresse? Eine virtuelle Adresse beinhaltet den Segmentselektor, welcher auf einen Eintrag in der Deskriptortabelle zeigt. Das Segment-Offset zeigt auf die dazugehörige Adresse in dem selektierten Segment.

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s den Index Stapeladressierung Hier ist gar keine Adressangabe notwendig Somit sind die Instruktionen sehr kurz Die Stapeladressierung arbeitet mit der umgekehrten polnischen Notation (Postfix) <span>Kapitel 3 - Speicherschutz und Multitasking Um unberechtigte Zugriffe, Datenaufrufe oder Systemprozedurecalls zu vermeiden und Task-Isolation zu gewährleisten, ist ein ausgeklügeltes Speicherschutzsystem notwendig. Segmente zum schützen von Speicherbereichen Segmente sind logische Speicherbereiche variabler Länge (Pages sind normalerweise gleich groß und ergeben zusammengesetzt ein Segment). In einem Segment ist wiederum eine Aufteilung in Code-, Daten- und Speichersegment zu finden. Jedes Segment definiert ein Objekt, welches eindeutig über einen Deskriptor mit Basisadresse, Zugriffsrechten und Limit beschieben wird. Auf Basis dieser Segmente arbeitet die komplette Speicherverwaltung eines Rechners. Wie wird auf Segmente zugegriffen? Segmente werden über eine Deskriptortabelle indiziert. Die Tabellen enthalten Pointer auf die Speicherbereiche der jeweiligen Segmente. Was ist das besondere am segmentierten Adreßraum? Adressen auf Basis von Segmenten sind im unterschied zu linearen Adressen zweidimensional. Sie bestehen aus Segment und Offset. Berechnet werden sie durch einfache Addition von Segment und Offset. Vor der Addition ist das Segment um 4 Stellen nach links zu verschieben. 0002 : 000F berechnet sich also aus 0020 + 000F = 0001F Was sind die Nachteile des Realmodes? Begrenzung eines Segments auf maximal 64 KB, da Offsetadresse nur 16 Bit groß ist Es nur das erste MByte durch das Betriebssystem adressierbar kein Schutz des Speichers vor anderen Programmen Einträge aus der Interruptvektor-Tabelle sind leicht veränderbar nur ein Programm kann ausgeführt werden Was hat Multitasking mit Protected Mode zu tun? Multitasking kann nur durch Protected Mode arbeiten. Er ist sozusagen Grundlage für alle multitaskingfähigen Betriebssysteme. nsbesondere geht es um gegenseitigen Schutz der laufenden Tasks Taskwechselunterstützung durch das Betriebssystem Privilegierungsmechanismen Betriebssystemfunktionen zur Verwaltung von virtuellen Speicher Getrennte Stacks für Parameterübergabe Lösung des "Trojanischen Pferd" Problems Privilegebenen Im Protected Mode werden Anwendungen und Betriebssystem strikt getrennt. Es gibt vier Privilegstufen (null bis drei), welche über die Ausführung verschiedener Maschinensprachebefehle entscheiden. Befehle der Ebene Null sind z.B. das Laden der globalen Deskriptorentabelle oder des Maschinenstatuswortes. Aus welchen beiden Teilen besteht eine Virtuelle Adresse? Eine virtuelle Adresse beinhaltet den Segmentselektor, welcher auf einen Eintrag in der Deskriptortabelle zeigt. Das Segment-Offset zeigt auf die dazugehörige Adresse in dem selektierten Segment. Aus welchen drei Teilen setzt sich ein Segmentselektor zusammen? Aus dem Index, der den Eintrag in der Deskriptortabelle referenziert, dem Table Indicator, welcher über globalem oder lokalem Adressraum entscheidet und den Privelege Level. TI - Table Indicator 0 = GDT (Global Deskriptor Table für den globalen Adreßraum) 1 = LDT (Local Deskriptor Table für den lokalen Adreßraum) RPL Requestor's Privilege Level Privilegstufe des Segments, auf welches der Selektor verweist Was ist ein Deskriptor? Deskriptoren sind Abbildungen zwischen der virtuellen bzw. logischen Adresse (Segmentselektor:Offset) und der linearen Adresse (Basisadresse und Offset). Aus der linearen Adresse wird dann die physikalische Adresse berechnet. (bei i286 war die lineare Adresse noch gleich der physikalischen Adresse, da es noch keine Paging-Einheit gab) Was steht alles in so einem Eintrag in der Deskriptortabelle? Die "normalen" Deskriptoren, welche einen normalen Adressraum (Daten-, Code- oder Stacksegment) beschreiben, enthalten die Basisadresse des Segmentes im Speicher die Zugriffsrechte die Länge des Segmentes Eine andere Klasse von Deskriptoren sind System-Segment-Deskriptoren und zur Ablaufsteuerung notwendige Deskriptoren. Erstere definieren Einsprungpunkte in spezielle System-Unterroutinen oder Gates. Letztere sind Deskriptoren für Task-State-Segmente oder Local-Deskriptor-Tables. Aktiv sind aber immer nur eine globale, eine lokale Interrupt-Beschreibertabelle und eine Interrupt-Beschreibertabelle. Was ist ein Gate? Gates sind spezielle Eintritts-Deskriptoren in Segmente höherer Privilegstufe. (Interrupt- oder Trap-Gate-Deskriptoren) Worin unterscheiden sich GDT und LDT? Die Global Descriptor Table einhält Segmente des globalen Adressraums, welcher für alle Tasks zur Verfügung steht. Dagegen sind mit Local Descriptor Table allokierte Segmente nur von den Host-Tasks selbst adressierbar. (privater Adressraum) Lokale Deskriptortabellen sind Grundlage für die Task-Isolation und daher extrem wichtig für Sicherheit und Segmentschutz. Beschreiben Sie den Aufbau einer Globalen Deskriptortabelle ... ... Globale C/D2 Globale Code-/Daten-Deskriptoren Globale C/D1 Globale Code-/Daten-Deskriptoren ... ... System D2 Gates bzw. TSS-Deskriptoren System D1 Gates bzw. TSS-Deskriptoren ... ... ... ... LDT 2 Lokale Deskriptoren für individuellen Task LDT 1 Lokale Deskriptoren für individuellen Task ... ... ... ... IDT 2 Interrupt/Exeption Gates bzw. Deskriptoren IDT 1 Interrupt/Exeption Gates bzw. Deskriptoren GTD_alias ermöglicht dynamischen Zugriff auf die GDT 0-Selektor Zugriff auf 0-Selektor führt zu Exeption Was unterscheidet Real-Mode und Protected-Mode? Im Real-Mode gibt es keine Deskriptoren und somit ist auch kein Segmentschutz möglich. Die Basisadresse berechnet sich einfach aus dem Segment-Register, welches maximal 1 MByte adressieren kann, da es nur 20 Bit breit ist. Im Protected-Mode werden die Basisadressen mittels Deskriptoren bestimmt. Auf Grund dieser Unterschiede sind folgende Merkmale für den Protected-Mode signifikant: Virtuelle Speicherverwaltung Speicherschutzmechanismen durch Segmentation (über Deskriptoren) Paging möglich echtes Multitasking möglich I/O-Privilegierung und privilegierte Befehle Was ist Paging und wie funktioniert es? Paging wird ab i386 vom Prozessor unterstützt und ist nichts weiter als eine Einteilung des Speichers in gleich große Seiten. Vorteil des virtuellen Speichers, welcher durch Mapping oder Paging erst möglich ist, sind für Anwendungen theoretisch unendlich großen Arbeitsspeicher. Grund dafür ist, dass der Tertiärspeicher als Zwischenspeicher für schlafende oder temporär nicht notwendige Seiten ausgenutzt wird. Es gibt ausgeklügelte Seitenerstetzungsalgorithmen, welche das Austauschen von Seiten übernehmen. Ein weiteres Problem was beim Paging gelöst werden muss, ist die eventuell entstehende Inkonsistenz. D ieses Problem wird wie bekanntermaßen üblich durch Dirty-Bits in den Pages gelöst. Verwirrend ist anfangs der Zusammenhang von Segmentierung und Paging. Letztendlich laufen beide Technologien gleichzeitig auf einem modernen System und ergänzen sich gegenseitig. Paging ist hinter den Segmentierungsvorgang geschalten, um Transparenz zu gewährleisten. Die durch die Segmentierung berechnete bzw. übergebene lineare Adresse entspricht ohne Paging der physikalischen. Falls Paging aktiv ist, muss noch etwas mehr getan werden. Die Umsetzung von Linearer in Physikalischer Adresse hängt vom verwendeten Paging ab. Normalerweise wird über die ersten Bits die Page-Table referenziert und über die folgenden der Pagetable-Eintrag, aus dem die Basisadresse geholt wird. Der Offset wird normalerweise beibehalten. Beschreiben Sie was bei einem Page-Fault intern alles abläuft? Während Abarbeitung einer Befehlssequenz erfolgen mehrere Seitenzugriffe Es erfolgt ein Zugriff auf eine Seite. Prozessor prüft die Seite (ist sie im Speicher?). Seite gibt Page Not Present State zurück (d.h. Seite nicht im Speicher) CPU löst Page Fault Exception aus (Siehe System-Aufruf-Deskriptoren) Betriebssystem gibt in Auftrag die Seite von Platte zu holen Prozessor aktiviert Festplattenhardware und positioniert Leseköpfe Seite wird über DMA-Transfer von Disk-To-free Memory übertragen Betriebssystem aktualisiert Pagetable einschließlich des TLB (flush TLB) Betriebssystem startet den unterbrochenen Befehl neu Nennen Sie Vorteile und Nachteile des Pagings gegenüber Segmentation-Only! Performanceerhöhung eines Multitasking-Betriebssystems Verwaltung der Swap-Datei wird durch die Verwendung konstanter Speicherblöcke einfacher nur die 4-KByte werden eingelagert, die tatsächlich benötigt werden und nicht das gesamte Segment Nachteile: Ausführung verzögert sich, weil die Adresse erst dekodiert werden muß bei Zugriff auf eine Seite/Page evtl. erst Einlagerung dieser vom Sekundärspeicher notwendig (Present-Bit) Wie kann man die Adressdekodierung beim Paging umgehen? Durch Translation Lookaside Buffer. Ein TLB ist ein assoziativer Vierwege-Cache, welcher die 32 Page-Table-Einträge aufnimmt, auf die der Prozessor zuletzt zugegriffen hat (LRU-Strategie). Ein TLB Eintrag besteht aus drei logischen Blöcken: Datenblock mit Page-Attributen und physikalische Basisadresse einer Page Tagblock enthält die oberen 17 Bit einer linearen Adresse und Schutz-Bits LRU-Block (Least Recently Used) zeigt letzten Zugriff an Page- und Segmentschutz Zuerst wirkt der Segmentschutz und danach Pageschutz. Pageschutz ist nur 2-stufig. Die inneren drei Privilegebenen sind beim Paging als Supervisor-Code geschützt. Die äußere Ebene ist User-Code. Ein Zugriffsversuch einer User-Page auf eine Supervisor-Page löst eine Exception aus. Was unterscheidet kooperatives und preemtives Multitasking? Beim kooperativen Multitasking entscheiden die Tasks selbst über die Umschaltung der Prozessorleistung. (Naives und Gutgläubiges Verfahren, daß an die Vernunft aller Tasks und somit aller Programmierer glaubt : ) Preemptives Multitasking ist echtes Multitasking. Ein externer Timer steuert die Umschaltung der Tasks. Die Tasks können somit keinen Einfluss auf die Betriebsmittelumschaltung nehmen. Kapitel 4 - Speicherhierarchie und Caches Was bedeutet die Eigenschaft Lokalität? Aus programmtechnischer Sicht wiederholen sich oft Befehle und ganze Programmteile. Somit werden Daten



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Wo ist bei CISC der Mikrocode zum größten Teil?
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im Speicher

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[CISC][Befehlssteuerung] Mikrocode im Speicher, aber auch hartverdrahtet

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
on Kapitel 8 - Superskalarität Kapitel 9 - Parallelrechner Zurück zur Übersicht Rechnerarchitektur Grundprinzipien der Rechnerarchitektur. D.h. Themen wie RISC, Branch Prediction oder Tomasulo. <span>Kapitel 1 - Prinzipien und Architekturen In welche sieben Ebenen kann man ein Rechnersystem einteilen? Anwendungsebene (Anwendersoftware) Assemblerebene (Beschreibung von Algorithmen, Link & Bind) Betriebssystem (Speichermanagment, Prozesskommunikation) Instruction Set Architecture (ISA,Adressierungsarten) Microarchitektur (Risc,Cisc,Branch Prediction..) Logische Ebene (Register,Schieber, Latches..) Transistorebene (Transistoren, MOS ) nach Tanenbaum Computerarchitektur Wie lassen sich Architekturen klassifizieren? Nach ihrem Rechenprinzip Von Neumann (Steuerfluss) Datenfluß (Zündregel) Reduktion (Funktionsaufruf) Objektorientiert (Methodenaufruf) Nach dem Architektur-Grundkonzept Vektorrechner (Pipeline) Array-Computer (Data-Array) Assoziativ-Rechner (Assoziativ-Speicher) Wie kann die Leistung erhöht werden? Über die Architektur Pipelines, Superskalarität, Spekulative Ausführung, Caches, Busbreite Über Optimierung von Software Compileroptimierung Über die Siliziumbasis Transistordichte und Taktraten Was sind die vier Hauptbestandteile eines typischen Rechners? Was unterscheidet eine Schnittstelle von einem Bus? Ein Bus verbindet mehr als zwei Teilnehmer. John von Neumann mit ENIAC Welche Bestandteile definieren einen von Neumann-Rechner? Der von Neumann-Rechner arbeitet sequentiell, Befehl für Befehl wird abgeholt, interpretiert, ausgeführt und das Resultat abgespeichert. Steuerwerk (Taktgeber und Befehlszähler) Speicher Rechenwerk (CPU) I/O-Einheit Datenbreite, Adressierungsbreite, Registeranzahl und Befehlssatz können als Parameter verstanden werden. Wie arbeitet die zentrale Befehlsschleife eines Von-Neumann-Rechners? Was heißt Havard-Architektur? Daten- und Befehlsspeicher sind getrennt. So ist es möglich Daten und Befehle Zeitgleich aus dem Speicher zu holen. Da dies aber einen extrem hohen Aufwand bedeutet, wird dies nur bei Echtzeitanwendungen implementiert. Was ist ein Taktzyklus? Die Interpretation und Ausführung eines Befehles erfolgt in vier Phasen. Holen Dekodieren (inklusive Operandenadressen berechnen) Daten holen (bzw. Operanden) Ausführen Jede der vier Phasen wird in eine Anzahl von Schnittstellen bzw. Zyklen eingeteilt. Ein Taktzyklus ist die kleinstmöglich verarbeitbare Einheit. Somit benötigt ein Befehl zur Ausführung im Allgemeinen mehr als einen Taktzyklus. Was ist Mikroprogrammierung? Durch Einsatz von Matrix-Speichertechnologie ist es möglich Steuersignalkombinationen in je einer Zeile dieser Speichermatrix abzulegen. Somit können Zeile für Zeile Maschinenzustande auf dem Prozessor hinterlegt werden. Das sogenannte Mikroprogramm. Die interne Logik ist eher zufällig optimiert. Daher der Begriff "Random Logic". Was sind Complex Instruction Set Computer (CISC)? Durch Einführung von mnemonischen Kodierungen von Mikrobefehlen, welche von Mikrobefehls-Assemblern verarbeitet werden, sind weitaus komplexere Befehle möglich. CISC bietet einen sehr großen Befehlssatz mit sich start unterscheidenden Befehlen in Ausführungszeit und Parameterliste. Gegenüberstellung der Architektur von CISC und RISC Worin unterscheiden sich RISC und CISC besonders? Eigenschaften CISC RISC Register Wenige Register( ca. 20) Viele Register (bis zu 200) und Registerfenster Befehlssatz ca. 300 Befehle und mehr als 50 Befehlstypen Nur rund 100 meist registerorientierte Befehle (außer LOAD / STORE) Adressierungsarten ca. 12 verschiedene Nur 3 bis 5 Arten und nur LOAD/STORE zum Speicher Caches Gemeinsame Caches, aber später auch Getrennte Getrennte Daten- und Befehlscaches nach Harvard CPI 1 bis 20 - Durchschnittlich 4 1 bei Basisoperationen - im Schnitt 1,5 Befehlssteuerung Mikrocode im Speicher, aber auch hartverdrahtet Meistens hartverdrahtete Mikroprogramme ohne Mikroprogrammspeicher Beispielprozessoren Intel x86, AMD, Cyrix Sun UltraSparc, PowerPC Welche Befehlssatz-Architekturen kennen Sie? Stack-Architektur? Diese Form benötigt keine Adressen für Operanden und ist somit eine Nulladressmaschine. Quell und Ergebnisoperanden liegen auf einem Operanden-Stack. Vorteil dieser Architektur ist daher die Speicherplatzeinsparung durch die nicht notwendigen Adressen. Akkumulator-Architektur? Um Verknüpfungsoperationen durchzuführen, liegt ein Operand in einem Register und ein Operand typischerweise im Hauptspeicher (Einadressmaschine) . Vorteil ist die einfache Implementierung, da nur ein internes Register benötigt wird. Nachteil ist aber die hohe Speicherlast. Universalregister-Architektur? Ein Satz von gleichberechtigten Registern kann zum Ablegen von Daten genutzt werden. Deshalb sind im Op-Code mehrere Operanden anzugeben (Zwei-, Dreiadressmaschine etc.) Vorteil ist die freie Benutzbarkeit durch Compiler. Ausdrucksberechnungen können somit in beliebiger Reihenfolge erfolgen, was Pipelining möglich macht. Dazu kommt, daß die Speichertransferlast sinkt, die Geschwindigkeit steigt und Superskalartechniken sind effizient einsetzbar. Der Nachteil dieser Architektur sind die teilweise großen Registersets, welche bei jedem Kontextwechsel auszutauschen sind. Außerdem müssen die Operanden Adressiert werden, was zu langen Befehlen führt. Welche Register-Architekturen gibt es? Register-Register ohne Speicheradressen (Sparc,Mips) Verknüpfungsoperationen verwenden nur Register. Nur in Lade- und Speicherbefehlen werden Adressen verwendet. (Load / Store - Architektur). Vorteil ist, dass die Verknüpfungen immer mit Registern geschehen und somit eine Befehlsdekodierung mit fester Länge möglich ist. Vorteile Einheitliche Taktzyklen pro Befehl Pipeline-Prinzip wird dadurch unterstützt Nachteile Code wird größer, da Speichertransfers nur durch zusätzliche Befehle Register-Speicher mit der Möglichkeit von Speicheradressen (Motorola 68000) Vorteile Daten können auch im Speicher referenziert werden, ohne diese vorher Explizit laden zu müssen. Nachteile Durch die variierenden Adressierungen variieren Befehlslänge und Taktzyklen pro Befehl, was äußerst negativ für Verfahren wie Pipelining ist. Speicher-Speicher mit nur Speicheradressen (DEC-VAX) Vorteile Der Programmierer braucht sich nicht um Register kümmern. Deshalb wird die Programmierung transparenter. Nachteile Es entsteht ein hoher Speicherverkehr, was sich Nachteilig auf die Performance auswirkt. Falls doch Register erlaubt werden (Orthogonaler Befehlssatz / CISC), variieren auch hier Befehlslänge und Taktanzahl pro Befehl. Orthogonale Befehlssätze sind solche, welche eine beliebige Kombination von Befehlscode, Adressierungsart und Datentyp zulassen. Was ist Byte-Ordering und Word-Alignment? Alle konventionellen Rechner sind Byte-Adressiert. D.h. das Worte (egal ob 8, 16 oder mehr Bit) bestehen aus einer Folge (aufsteigender) Bytes. Dabei gilt das erste Byte als die Adresse des Wortes. Nimmt die Wertigkeit mit aufsteigender Adresse zu, ist es das Litte-Endian-Format, umgekehrt das Big-Endian-Format. Falls Worte so in den Speicher passen, das keine Verschiebungen auftreten, heißt der Speicher aligned. Prüfen kann man dies durch die Formel Adresse mod Wortlänge = 0? Kapitel 2 - Interrupts und DMA Klassifizieren Sie die verschiedenen Unterbrechungen! Wenn in der Literatur von Interrupts gesprochen wird, so werden oft externe, asynchrone Interrupts g






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Bei welcher Architektur ist der Mikrocode größtenteils im Speicher?
Answer
CISC

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[CISC][Befehlssteuerung] Mikrocode im Speicher, aber auch hartverdrahtet

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
on Kapitel 8 - Superskalarität Kapitel 9 - Parallelrechner Zurück zur Übersicht Rechnerarchitektur Grundprinzipien der Rechnerarchitektur. D.h. Themen wie RISC, Branch Prediction oder Tomasulo. <span>Kapitel 1 - Prinzipien und Architekturen In welche sieben Ebenen kann man ein Rechnersystem einteilen? Anwendungsebene (Anwendersoftware) Assemblerebene (Beschreibung von Algorithmen, Link & Bind) Betriebssystem (Speichermanagment, Prozesskommunikation) Instruction Set Architecture (ISA,Adressierungsarten) Microarchitektur (Risc,Cisc,Branch Prediction..) Logische Ebene (Register,Schieber, Latches..) Transistorebene (Transistoren, MOS ) nach Tanenbaum Computerarchitektur Wie lassen sich Architekturen klassifizieren? Nach ihrem Rechenprinzip Von Neumann (Steuerfluss) Datenfluß (Zündregel) Reduktion (Funktionsaufruf) Objektorientiert (Methodenaufruf) Nach dem Architektur-Grundkonzept Vektorrechner (Pipeline) Array-Computer (Data-Array) Assoziativ-Rechner (Assoziativ-Speicher) Wie kann die Leistung erhöht werden? Über die Architektur Pipelines, Superskalarität, Spekulative Ausführung, Caches, Busbreite Über Optimierung von Software Compileroptimierung Über die Siliziumbasis Transistordichte und Taktraten Was sind die vier Hauptbestandteile eines typischen Rechners? Was unterscheidet eine Schnittstelle von einem Bus? Ein Bus verbindet mehr als zwei Teilnehmer. John von Neumann mit ENIAC Welche Bestandteile definieren einen von Neumann-Rechner? Der von Neumann-Rechner arbeitet sequentiell, Befehl für Befehl wird abgeholt, interpretiert, ausgeführt und das Resultat abgespeichert. Steuerwerk (Taktgeber und Befehlszähler) Speicher Rechenwerk (CPU) I/O-Einheit Datenbreite, Adressierungsbreite, Registeranzahl und Befehlssatz können als Parameter verstanden werden. Wie arbeitet die zentrale Befehlsschleife eines Von-Neumann-Rechners? Was heißt Havard-Architektur? Daten- und Befehlsspeicher sind getrennt. So ist es möglich Daten und Befehle Zeitgleich aus dem Speicher zu holen. Da dies aber einen extrem hohen Aufwand bedeutet, wird dies nur bei Echtzeitanwendungen implementiert. Was ist ein Taktzyklus? Die Interpretation und Ausführung eines Befehles erfolgt in vier Phasen. Holen Dekodieren (inklusive Operandenadressen berechnen) Daten holen (bzw. Operanden) Ausführen Jede der vier Phasen wird in eine Anzahl von Schnittstellen bzw. Zyklen eingeteilt. Ein Taktzyklus ist die kleinstmöglich verarbeitbare Einheit. Somit benötigt ein Befehl zur Ausführung im Allgemeinen mehr als einen Taktzyklus. Was ist Mikroprogrammierung? Durch Einsatz von Matrix-Speichertechnologie ist es möglich Steuersignalkombinationen in je einer Zeile dieser Speichermatrix abzulegen. Somit können Zeile für Zeile Maschinenzustande auf dem Prozessor hinterlegt werden. Das sogenannte Mikroprogramm. Die interne Logik ist eher zufällig optimiert. Daher der Begriff "Random Logic". Was sind Complex Instruction Set Computer (CISC)? Durch Einführung von mnemonischen Kodierungen von Mikrobefehlen, welche von Mikrobefehls-Assemblern verarbeitet werden, sind weitaus komplexere Befehle möglich. CISC bietet einen sehr großen Befehlssatz mit sich start unterscheidenden Befehlen in Ausführungszeit und Parameterliste. Gegenüberstellung der Architektur von CISC und RISC Worin unterscheiden sich RISC und CISC besonders? Eigenschaften CISC RISC Register Wenige Register( ca. 20) Viele Register (bis zu 200) und Registerfenster Befehlssatz ca. 300 Befehle und mehr als 50 Befehlstypen Nur rund 100 meist registerorientierte Befehle (außer LOAD / STORE) Adressierungsarten ca. 12 verschiedene Nur 3 bis 5 Arten und nur LOAD/STORE zum Speicher Caches Gemeinsame Caches, aber später auch Getrennte Getrennte Daten- und Befehlscaches nach Harvard CPI 1 bis 20 - Durchschnittlich 4 1 bei Basisoperationen - im Schnitt 1,5 Befehlssteuerung Mikrocode im Speicher, aber auch hartverdrahtet Meistens hartverdrahtete Mikroprogramme ohne Mikroprogrammspeicher Beispielprozessoren Intel x86, AMD, Cyrix Sun UltraSparc, PowerPC Welche Befehlssatz-Architekturen kennen Sie? Stack-Architektur? Diese Form benötigt keine Adressen für Operanden und ist somit eine Nulladressmaschine. Quell und Ergebnisoperanden liegen auf einem Operanden-Stack. Vorteil dieser Architektur ist daher die Speicherplatzeinsparung durch die nicht notwendigen Adressen. Akkumulator-Architektur? Um Verknüpfungsoperationen durchzuführen, liegt ein Operand in einem Register und ein Operand typischerweise im Hauptspeicher (Einadressmaschine) . Vorteil ist die einfache Implementierung, da nur ein internes Register benötigt wird. Nachteil ist aber die hohe Speicherlast. Universalregister-Architektur? Ein Satz von gleichberechtigten Registern kann zum Ablegen von Daten genutzt werden. Deshalb sind im Op-Code mehrere Operanden anzugeben (Zwei-, Dreiadressmaschine etc.) Vorteil ist die freie Benutzbarkeit durch Compiler. Ausdrucksberechnungen können somit in beliebiger Reihenfolge erfolgen, was Pipelining möglich macht. Dazu kommt, daß die Speichertransferlast sinkt, die Geschwindigkeit steigt und Superskalartechniken sind effizient einsetzbar. Der Nachteil dieser Architektur sind die teilweise großen Registersets, welche bei jedem Kontextwechsel auszutauschen sind. Außerdem müssen die Operanden Adressiert werden, was zu langen Befehlen führt. Welche Register-Architekturen gibt es? Register-Register ohne Speicheradressen (Sparc,Mips) Verknüpfungsoperationen verwenden nur Register. Nur in Lade- und Speicherbefehlen werden Adressen verwendet. (Load / Store - Architektur). Vorteil ist, dass die Verknüpfungen immer mit Registern geschehen und somit eine Befehlsdekodierung mit fester Länge möglich ist. Vorteile Einheitliche Taktzyklen pro Befehl Pipeline-Prinzip wird dadurch unterstützt Nachteile Code wird größer, da Speichertransfers nur durch zusätzliche Befehle Register-Speicher mit der Möglichkeit von Speicheradressen (Motorola 68000) Vorteile Daten können auch im Speicher referenziert werden, ohne diese vorher Explizit laden zu müssen. Nachteile Durch die variierenden Adressierungen variieren Befehlslänge und Taktzyklen pro Befehl, was äußerst negativ für Verfahren wie Pipelining ist. Speicher-Speicher mit nur Speicheradressen (DEC-VAX) Vorteile Der Programmierer braucht sich nicht um Register kümmern. Deshalb wird die Programmierung transparenter. Nachteile Es entsteht ein hoher Speicherverkehr, was sich Nachteilig auf die Performance auswirkt. Falls doch Register erlaubt werden (Orthogonaler Befehlssatz / CISC), variieren auch hier Befehlslänge und Taktanzahl pro Befehl. Orthogonale Befehlssätze sind solche, welche eine beliebige Kombination von Befehlscode, Adressierungsart und Datentyp zulassen. Was ist Byte-Ordering und Word-Alignment? Alle konventionellen Rechner sind Byte-Adressiert. D.h. das Worte (egal ob 8, 16 oder mehr Bit) bestehen aus einer Folge (aufsteigender) Bytes. Dabei gilt das erste Byte als die Adresse des Wortes. Nimmt die Wertigkeit mit aufsteigender Adresse zu, ist es das Litte-Endian-Format, umgekehrt das Big-Endian-Format. Falls Worte so in den Speicher passen, das keine Verschiebungen auftreten, heißt der Speicher aligned. Prüfen kann man dies durch die Formel Adresse mod Wortlänge = 0? Kapitel 2 - Interrupts und DMA Klassifizieren Sie die verschiedenen Unterbrechungen! Wenn in der Literatur von Interrupts gesprochen wird, so werden oft externe, asynchrone Interrupts g






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Question
Welche Befehle hat RISC zum Adressieren vom Hauptspeicher?
Answer
LOAD/STORE

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[RISC] wenige Arten zur Adressierung und nur LOAD/STORE zum Speicher

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
on Kapitel 8 - Superskalarität Kapitel 9 - Parallelrechner Zurück zur Übersicht Rechnerarchitektur Grundprinzipien der Rechnerarchitektur. D.h. Themen wie RISC, Branch Prediction oder Tomasulo. <span>Kapitel 1 - Prinzipien und Architekturen In welche sieben Ebenen kann man ein Rechnersystem einteilen? Anwendungsebene (Anwendersoftware) Assemblerebene (Beschreibung von Algorithmen, Link & Bind) Betriebssystem (Speichermanagment, Prozesskommunikation) Instruction Set Architecture (ISA,Adressierungsarten) Microarchitektur (Risc,Cisc,Branch Prediction..) Logische Ebene (Register,Schieber, Latches..) Transistorebene (Transistoren, MOS ) nach Tanenbaum Computerarchitektur Wie lassen sich Architekturen klassifizieren? Nach ihrem Rechenprinzip Von Neumann (Steuerfluss) Datenfluß (Zündregel) Reduktion (Funktionsaufruf) Objektorientiert (Methodenaufruf) Nach dem Architektur-Grundkonzept Vektorrechner (Pipeline) Array-Computer (Data-Array) Assoziativ-Rechner (Assoziativ-Speicher) Wie kann die Leistung erhöht werden? Über die Architektur Pipelines, Superskalarität, Spekulative Ausführung, Caches, Busbreite Über Optimierung von Software Compileroptimierung Über die Siliziumbasis Transistordichte und Taktraten Was sind die vier Hauptbestandteile eines typischen Rechners? Was unterscheidet eine Schnittstelle von einem Bus? Ein Bus verbindet mehr als zwei Teilnehmer. John von Neumann mit ENIAC Welche Bestandteile definieren einen von Neumann-Rechner? Der von Neumann-Rechner arbeitet sequentiell, Befehl für Befehl wird abgeholt, interpretiert, ausgeführt und das Resultat abgespeichert. Steuerwerk (Taktgeber und Befehlszähler) Speicher Rechenwerk (CPU) I/O-Einheit Datenbreite, Adressierungsbreite, Registeranzahl und Befehlssatz können als Parameter verstanden werden. Wie arbeitet die zentrale Befehlsschleife eines Von-Neumann-Rechners? Was heißt Havard-Architektur? Daten- und Befehlsspeicher sind getrennt. So ist es möglich Daten und Befehle Zeitgleich aus dem Speicher zu holen. Da dies aber einen extrem hohen Aufwand bedeutet, wird dies nur bei Echtzeitanwendungen implementiert. Was ist ein Taktzyklus? Die Interpretation und Ausführung eines Befehles erfolgt in vier Phasen. Holen Dekodieren (inklusive Operandenadressen berechnen) Daten holen (bzw. Operanden) Ausführen Jede der vier Phasen wird in eine Anzahl von Schnittstellen bzw. Zyklen eingeteilt. Ein Taktzyklus ist die kleinstmöglich verarbeitbare Einheit. Somit benötigt ein Befehl zur Ausführung im Allgemeinen mehr als einen Taktzyklus. Was ist Mikroprogrammierung? Durch Einsatz von Matrix-Speichertechnologie ist es möglich Steuersignalkombinationen in je einer Zeile dieser Speichermatrix abzulegen. Somit können Zeile für Zeile Maschinenzustande auf dem Prozessor hinterlegt werden. Das sogenannte Mikroprogramm. Die interne Logik ist eher zufällig optimiert. Daher der Begriff "Random Logic". Was sind Complex Instruction Set Computer (CISC)? Durch Einführung von mnemonischen Kodierungen von Mikrobefehlen, welche von Mikrobefehls-Assemblern verarbeitet werden, sind weitaus komplexere Befehle möglich. CISC bietet einen sehr großen Befehlssatz mit sich start unterscheidenden Befehlen in Ausführungszeit und Parameterliste. Gegenüberstellung der Architektur von CISC und RISC Worin unterscheiden sich RISC und CISC besonders? Eigenschaften CISC RISC Register Wenige Register( ca. 20) Viele Register (bis zu 200) und Registerfenster Befehlssatz ca. 300 Befehle und mehr als 50 Befehlstypen Nur rund 100 meist registerorientierte Befehle (außer LOAD / STORE) Adressierungsarten ca. 12 verschiedene Nur 3 bis 5 Arten und nur LOAD/STORE zum Speicher Caches Gemeinsame Caches, aber später auch Getrennte Getrennte Daten- und Befehlscaches nach Harvard CPI 1 bis 20 - Durchschnittlich 4 1 bei Basisoperationen - im Schnitt 1,5 Befehlssteuerung Mikrocode im Speicher, aber auch hartverdrahtet Meistens hartverdrahtete Mikroprogramme ohne Mikroprogrammspeicher Beispielprozessoren Intel x86, AMD, Cyrix Sun UltraSparc, PowerPC Welche Befehlssatz-Architekturen kennen Sie? Stack-Architektur? Diese Form benötigt keine Adressen für Operanden und ist somit eine Nulladressmaschine. Quell und Ergebnisoperanden liegen auf einem Operanden-Stack. Vorteil dieser Architektur ist daher die Speicherplatzeinsparung durch die nicht notwendigen Adressen. Akkumulator-Architektur? Um Verknüpfungsoperationen durchzuführen, liegt ein Operand in einem Register und ein Operand typischerweise im Hauptspeicher (Einadressmaschine) . Vorteil ist die einfache Implementierung, da nur ein internes Register benötigt wird. Nachteil ist aber die hohe Speicherlast. Universalregister-Architektur? Ein Satz von gleichberechtigten Registern kann zum Ablegen von Daten genutzt werden. Deshalb sind im Op-Code mehrere Operanden anzugeben (Zwei-, Dreiadressmaschine etc.) Vorteil ist die freie Benutzbarkeit durch Compiler. Ausdrucksberechnungen können somit in beliebiger Reihenfolge erfolgen, was Pipelining möglich macht. Dazu kommt, daß die Speichertransferlast sinkt, die Geschwindigkeit steigt und Superskalartechniken sind effizient einsetzbar. Der Nachteil dieser Architektur sind die teilweise großen Registersets, welche bei jedem Kontextwechsel auszutauschen sind. Außerdem müssen die Operanden Adressiert werden, was zu langen Befehlen führt. Welche Register-Architekturen gibt es? Register-Register ohne Speicheradressen (Sparc,Mips) Verknüpfungsoperationen verwenden nur Register. Nur in Lade- und Speicherbefehlen werden Adressen verwendet. (Load / Store - Architektur). Vorteil ist, dass die Verknüpfungen immer mit Registern geschehen und somit eine Befehlsdekodierung mit fester Länge möglich ist. Vorteile Einheitliche Taktzyklen pro Befehl Pipeline-Prinzip wird dadurch unterstützt Nachteile Code wird größer, da Speichertransfers nur durch zusätzliche Befehle Register-Speicher mit der Möglichkeit von Speicheradressen (Motorola 68000) Vorteile Daten können auch im Speicher referenziert werden, ohne diese vorher Explizit laden zu müssen. Nachteile Durch die variierenden Adressierungen variieren Befehlslänge und Taktzyklen pro Befehl, was äußerst negativ für Verfahren wie Pipelining ist. Speicher-Speicher mit nur Speicheradressen (DEC-VAX) Vorteile Der Programmierer braucht sich nicht um Register kümmern. Deshalb wird die Programmierung transparenter. Nachteile Es entsteht ein hoher Speicherverkehr, was sich Nachteilig auf die Performance auswirkt. Falls doch Register erlaubt werden (Orthogonaler Befehlssatz / CISC), variieren auch hier Befehlslänge und Taktanzahl pro Befehl. Orthogonale Befehlssätze sind solche, welche eine beliebige Kombination von Befehlscode, Adressierungsart und Datentyp zulassen. Was ist Byte-Ordering und Word-Alignment? Alle konventionellen Rechner sind Byte-Adressiert. D.h. das Worte (egal ob 8, 16 oder mehr Bit) bestehen aus einer Folge (aufsteigender) Bytes. Dabei gilt das erste Byte als die Adresse des Wortes. Nimmt die Wertigkeit mit aufsteigender Adresse zu, ist es das Litte-Endian-Format, umgekehrt das Big-Endian-Format. Falls Worte so in den Speicher passen, das keine Verschiebungen auftreten, heißt der Speicher aligned. Prüfen kann man dies durch die Formel Adresse mod Wortlänge = 0? Kapitel 2 - Interrupts und DMA Klassifizieren Sie die verschiedenen Unterbrechungen! Wenn in der Literatur von Interrupts gesprochen wird, so werden oft externe, asynchrone Interrupts g






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Welche Arten von Caches gibt es?

* [...]assoziativ
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* [EXPUNGED]

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Welche Arten von Caches gibt es? * vollassoziativ * einfach assozitativ * satzassoziativ

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
aubt : ) Preemptives Multitasking ist echtes Multitasking. Ein externer Timer steuert die Umschaltung der Tasks. Die Tasks können somit keinen Einfluss auf die Betriebsmittelumschaltung nehmen. <span>Kapitel 4 - Speicherhierarchie und Caches Was bedeutet die Eigenschaft Lokalität? Aus programmtechnischer Sicht wiederholen sich oft Befehle und ganze Programmteile. Somit werden Daten oft wiederholt angefordert. Es gibt nun zwei Arten von Lokalität: Was ist Zeitliche Lokalität? Auf ein gerade zugegriffenes Datum wird sicher bald wieder zugegriffen. Was ist Räumliche Lokalität? Auf Daten, deren Adressen benachbart sind, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zugegriffen. Anzumerken ist, daß Datenzugriffe eine geringere Lokalität zeigen als Befehlszugriffe. Nach welchen Merkmalen lassen sich Caches klassifizieren? Cache-Größe (damit verbundener Hardware-Aufwand) Größe einer Cachezeile (Verschmutzungseffekt) Cache-Organisation (Vollassoziativ/Direct Mapped/Satz-Assoziativ) Schreibstrategie (Write-Through /-Allocate oder -Back) Split-Cache-Design (Transfer-Bandbreiten) Multi-level Cache-Hierarchien (Workingssetgrößen) Effective Working Set (Overflow-, Victim-, Trace Cache) Innere Cache-Parallelität (Streaming) Kohärenz-Verfahren (Snooping, MESI) Wie ist ein Cache aufgebaut? Zeile 1 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 2 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 3 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) ... Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile n Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Control-Bits sind z.B. Valid-Bits, Dirty-Bits und Prozess-ID. Das Adress-Tag ist nichts weiter als ein Teil der Adresse, welche bei einem Zugriff als Index gilt. Ein Datenblock ist in der Praxis meistens zwischen 16 und 64 KByte groß. Welche Cache-Arten kennen Sie? Ein Cache-Eintrag besteht aus einem Tag (Identifikator) und den Daten. Die Implementierung unterscheidet sich. Es gibt voll-, einfach assoziative und Satzassoziative Caches . Wie arbeitet ein vollassoziativer Cache? Das Tag Feld ist hier die assoziierende Adresse des Datums im Speicher. Die Hardware ist bei vollassoziativen Caches aufwendig, da diese bei einem Cache Zugriff alle Tags gleichzeitig mit der anliegenden Adresse vergleicht. Dies ist zwar extrem schnell, aber sehr teuer. Außerdem wird er sehr langsam wenn die Anzahl der Cachezeilen hinreichend groß wird. Da bei vollassoziativen Cachen ein Datum an jede Stelle des Caches platziert werden kann, muss eine Logik her, welche eine Entscheidung trifft. Als Plazierungsstrategie wird oft LRU verwendet. Dies ist seht aufwendig! Wie arbeitet ein Direct-Mapped-Cache (einfach assoziativer Cache)? Beim Direct-Mapped-Cache entscheidet eine Map-Funktion, welche Zeile im Cache mit der anliegenden Adresse referenziert wird (somit ist kein LRU o.ä. notwendig). Dabei wird einem Hauptspeicherblock genau ein Cache-Block zugeordnet (n:1 Beziehung). Oft wird eine Funktion wie (A mod Cachesize / Zeilengröße) zur Berechnung der Cachezeile aus der anliegenden Adresse benutzt, da bei diesem Verfahren dann nur (A / Cachesize) als Tag in jeder Cachezeile gespeichert werden muss. Vorteil dieser Variante ist die einfache, kostengünstige Integration (nur Komperator notwendig) und die hohe Geschwindigkeit. Leider neigt ein Direct-Mapped-Cache zu vielen Konflikten (ähnlich den Kollisionen bei Hash-Tables), welche zusätzliche Cache-Misses bildet, da mehrere Adressen auf die gleiche Cachezeile verweisen. Wie arbeitet ein n-Wege-Satz Cache (Satzassoziativer Cache)? Diese Variante ist nichts anderes als eine Implementation mehrerer parallel verknüpfter Direct-Mapped-Caches. Sie stellt quasi einen Kompromiss zwischen Cache-Effizienz und Aufwand dar. Die Arbeitsweise ist die gleiche, nur das die Map-Funktion nicht nur auf eine Zeile im Speicher zeigt, sondern auf n. Die Hardware des Caches vergleicht alle n Tags gleichzeitig, mit dem anliegenden Index. Ist eine der Tags gleich dem Index, ist dies ein Cache-Hit. Diese Technik reduziert die hohe Anfälligkeit von Direct-Mapped-Caches für Konflikte, benötigt aber mehr Chipfläche. Welche Schreibstrategien für Caches gibt es? Write-Back,Write-Throug und Write-Allocate. Write-Back-Strategie? Ein zu lesendes Datum wird entweder bei einem Hit aus dem Cache gelesen oder im Falle eines Misses, aus dem Hauptspeicher geholt und parallel in den Cache eingetragen. Im Falle der Aktualisierung, muss erst das Dirty-Bit der zu überschreibenden Cache-Line geprüft werden, um diese gegebenenfalls in den Hauptspeicher zurückzuschreiben. (Write-Back) Vorteil dieser Strategie ist das bei Hits kein Hauptspeicherverkehr oder Busbelastung auftritt. Alle Operationen können schnell innerhalb der Working-Sets mit Cache-Speed erfolgen. Somit arbeitet die CPU ungebremst. Problematisch wird dies, wenn mehrere Bus-Master am Bus hängen. Um Inkonsistenzen zu vermeiden sind dann spezielle Synchronisationsprotololle wie MESI notwendig. Concurrent Write-Back? Bei einfachen Write-Back-Caches muss die CPU im Falle eines Cache-Misses warten, bis die neue Cache-Line aus dem Speicher geholt wurde. Um diese Wartezeit im Mittel zu eliminieren, wird die alte Zeile zunächst in einen Writebuffer zwischengespeichert und später, parallel zu nachfolgenden Cache-Referenzen in den Hauptspeicher übernommen. (Sonderform: Buffered Line Refill) Wenn auch beim Lesen ein Line-(Read)-Buffer verwendet wird, spricht man von einem Streaming Cache. Write-Through-Strategie? Write-Through schreibt immer in den Hauptspeicher und falls sich eine Kopie auch im Cache befindet, so wird diese aktualisiert. Genau aus diesem Grund ist kein Rückschreiben eines Dirty-Datums notwendig, da es zu keinen Inkonsistenzen zwischen RAM und Cache kommen kann. Nachteil ist aber, dass nur bei Leseoperationen ein Geschwindigkeitsvorteil erzielt werden kann Buffered Write-Through Im Mittel erfolgen nach jeder Write-Operation zwei Read-Operationen. Deshalb kann ein Geschwindigkeitsgewinn erzielt werden, wenn ein schneller Zwischenbuffer (FiFo) vor dem Speicher plaziert wird, welcher einige Write-Operationen aufnehmen kann. Wird nun eine Leseoperation ausgeführt, so kann das Datum falls es noch in dem schnellen Buffer steht, direkt aus diesem gelesen werden. Write Allocate Hier wird immer in den Hauptspeicher und in den Cache geschrieben - auch wenn das Datum sich noch nicht im Cache befand. Zusammenspiel bei Cache-Misses Write-Allocate wird meistens mit Write-Back Strategie gemeinsam verwendet. Write-Allocate bedeutet dabei nichts weiter, als das der Hauptspeicher-Block in den Cache geladen wird. Beim No-write-Allocate (Write-Around) wird das Datum direkt im Hauptspeicher modifiziert, weshalb Write Around meist mit Write-Through verbunden wird. Zusammenfassung Caches Write-Back wird üblicherweise mit Write-Allocate kombiniert. Beim Write Allocate (fetch-on-write) wird ein Block gelesen und in Cache gespeichert. Beim No-write-allocate (write-around) wird der Block in der unteren Ebene der Speicherhierarchie modifiziert und nicht nicht im Cache geladen. No-write-allocate wird deshalb meist bei Write-through verwendet. Was ist der Unterschied zwischen einen logischen und einen physischen Cache? Physische Caches liegen vor der MMU und speichern somit nur physikalische Adressen. Ein logischer Cache liegt zwischen CPU und MMU und speichert logische Adressen. Vorteil von logischen Caches ist daher, dass die Adressumrechnung bei einem Hit entfällt. Ein großer Nachteil sind aber die Synonym-Probleme bei Multiprozessorsystemen. Des weiteren wird bei Taskwechsel ein Cache-Flush notwendig. Multi-Level-Caches und Split-Caches Durch Hintereinanderlegen von verschiedenen Caches kann ein gleitender Übergang zu immer größeren und langsameren Speichern erreicht werden. First Level Caches sind meist n-Wege-Satzassoziativ und folgende Direct-Mapped. Split-Caches trennen Code und Daten und sind somit viel flexibler und besser an das Zugriffsverhalten in Bezug auf Strategie oder Assoziativität zu optimieren. Dabei unterscheidet man eine Havard-Architektur von der multiplexed Havard-Architektur (von Neumann Prinzip). Die reine Harvard trennt nicht nur Cache sondern auch den Hauptspeicher in Daten und Codebereich. Bei von Neumann liegen Daten und Code zusammen im Hauptspeicher und werden nur im Cache getrennt. Durch Trennung von Code und Daten verdoppelt sich die Bandbreite, da zeitgleich zugegriffen werden kann. Was geschieht wenn kein Platz mehr im Cache vorhanden ist? Es muss eine Cache-Line ausgewählt werden, die mit den neuen benötigten Daten überschrieben werden kann. Die Auswahl erfolgt meistens mit LRU - Last Recently Used. D.h. die am längsten nicht genutzte Cache-Line fliegt raus. Was ist ein Burst-Cache? Burst Caches schreiben nicht nur eine Zeile in den Speicher zurück, sondern gleich mehrere, um die Bandbreite auszunutzen und somit Zeit zu sparen. Zusammenhänge zwischen Caches, TLB's und Page Tables Folgende vier Fragen stellen sich bei Caches, TLB's und auch bei Page Tables: Wo kann ein Block eingelagert werden? (Direct Mapped also nur an einem Ort, Set Assoziativ an mehreren Orten oder Voll Assoziativ, also überall) Wie kann ein Block gefunden werden? (indexiert, limitierte Suche, komplette Suche oder lookup table wie Page Tables) Wie wird ein Block bei einem Miss aktualisiert? (normalerweise über LRU oder random Methoden) Wie wird mit Schreiboperationen umgegangen? (Write Through oder Write Back) Ein TLB ist ein Translation Lookaside Buffer und ist ein kleiner Cache für die Page Table, um Seitenzugriffe zu beschleunigen. Was ist ein Trace-Cache Ein Trace Cache ist ein spezieller Befehlscache, der "Traces" des aktuellen Programmlauf protokolliert. Dabei speichert jede Zeile einen Trace, welcher typisch mehrere taken branches enthalten kann. Befehlsfolgen, die aufgrund von taken branches (weit) auseinander liegen, werden in kontinuierlicher Folge abgespeichert. Gepaart mit multiple branch prediction können mehrere zusammenhängende Basisblöcke parallel gefetched werden. (ergibt hohe issue rate) Kapitel 5 - Risc Wie berechnet sich die Prozessorleistung? Die Prozessorleistung ist umgekehrt proportional zur Ausführungszeit eines Algorithmus und wird aus folgenden drei Parametern






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Welche Arten von Caches gibt es?

* vollassoziativ
* [...]assoziativ
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einfach


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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
aubt : ) Preemptives Multitasking ist echtes Multitasking. Ein externer Timer steuert die Umschaltung der Tasks. Die Tasks können somit keinen Einfluss auf die Betriebsmittelumschaltung nehmen. <span>Kapitel 4 - Speicherhierarchie und Caches Was bedeutet die Eigenschaft Lokalität? Aus programmtechnischer Sicht wiederholen sich oft Befehle und ganze Programmteile. Somit werden Daten oft wiederholt angefordert. Es gibt nun zwei Arten von Lokalität: Was ist Zeitliche Lokalität? Auf ein gerade zugegriffenes Datum wird sicher bald wieder zugegriffen. Was ist Räumliche Lokalität? Auf Daten, deren Adressen benachbart sind, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zugegriffen. Anzumerken ist, daß Datenzugriffe eine geringere Lokalität zeigen als Befehlszugriffe. Nach welchen Merkmalen lassen sich Caches klassifizieren? Cache-Größe (damit verbundener Hardware-Aufwand) Größe einer Cachezeile (Verschmutzungseffekt) Cache-Organisation (Vollassoziativ/Direct Mapped/Satz-Assoziativ) Schreibstrategie (Write-Through /-Allocate oder -Back) Split-Cache-Design (Transfer-Bandbreiten) Multi-level Cache-Hierarchien (Workingssetgrößen) Effective Working Set (Overflow-, Victim-, Trace Cache) Innere Cache-Parallelität (Streaming) Kohärenz-Verfahren (Snooping, MESI) Wie ist ein Cache aufgebaut? Zeile 1 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 2 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 3 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) ... Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile n Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Control-Bits sind z.B. Valid-Bits, Dirty-Bits und Prozess-ID. Das Adress-Tag ist nichts weiter als ein Teil der Adresse, welche bei einem Zugriff als Index gilt. Ein Datenblock ist in der Praxis meistens zwischen 16 und 64 KByte groß. Welche Cache-Arten kennen Sie? Ein Cache-Eintrag besteht aus einem Tag (Identifikator) und den Daten. Die Implementierung unterscheidet sich. Es gibt voll-, einfach assoziative und Satzassoziative Caches . Wie arbeitet ein vollassoziativer Cache? Das Tag Feld ist hier die assoziierende Adresse des Datums im Speicher. Die Hardware ist bei vollassoziativen Caches aufwendig, da diese bei einem Cache Zugriff alle Tags gleichzeitig mit der anliegenden Adresse vergleicht. Dies ist zwar extrem schnell, aber sehr teuer. Außerdem wird er sehr langsam wenn die Anzahl der Cachezeilen hinreichend groß wird. Da bei vollassoziativen Cachen ein Datum an jede Stelle des Caches platziert werden kann, muss eine Logik her, welche eine Entscheidung trifft. Als Plazierungsstrategie wird oft LRU verwendet. Dies ist seht aufwendig! Wie arbeitet ein Direct-Mapped-Cache (einfach assoziativer Cache)? Beim Direct-Mapped-Cache entscheidet eine Map-Funktion, welche Zeile im Cache mit der anliegenden Adresse referenziert wird (somit ist kein LRU o.ä. notwendig). Dabei wird einem Hauptspeicherblock genau ein Cache-Block zugeordnet (n:1 Beziehung). Oft wird eine Funktion wie (A mod Cachesize / Zeilengröße) zur Berechnung der Cachezeile aus der anliegenden Adresse benutzt, da bei diesem Verfahren dann nur (A / Cachesize) als Tag in jeder Cachezeile gespeichert werden muss. Vorteil dieser Variante ist die einfache, kostengünstige Integration (nur Komperator notwendig) und die hohe Geschwindigkeit. Leider neigt ein Direct-Mapped-Cache zu vielen Konflikten (ähnlich den Kollisionen bei Hash-Tables), welche zusätzliche Cache-Misses bildet, da mehrere Adressen auf die gleiche Cachezeile verweisen. Wie arbeitet ein n-Wege-Satz Cache (Satzassoziativer Cache)? Diese Variante ist nichts anderes als eine Implementation mehrerer parallel verknüpfter Direct-Mapped-Caches. Sie stellt quasi einen Kompromiss zwischen Cache-Effizienz und Aufwand dar. Die Arbeitsweise ist die gleiche, nur das die Map-Funktion nicht nur auf eine Zeile im Speicher zeigt, sondern auf n. Die Hardware des Caches vergleicht alle n Tags gleichzeitig, mit dem anliegenden Index. Ist eine der Tags gleich dem Index, ist dies ein Cache-Hit. Diese Technik reduziert die hohe Anfälligkeit von Direct-Mapped-Caches für Konflikte, benötigt aber mehr Chipfläche. Welche Schreibstrategien für Caches gibt es? Write-Back,Write-Throug und Write-Allocate. Write-Back-Strategie? Ein zu lesendes Datum wird entweder bei einem Hit aus dem Cache gelesen oder im Falle eines Misses, aus dem Hauptspeicher geholt und parallel in den Cache eingetragen. Im Falle der Aktualisierung, muss erst das Dirty-Bit der zu überschreibenden Cache-Line geprüft werden, um diese gegebenenfalls in den Hauptspeicher zurückzuschreiben. (Write-Back) Vorteil dieser Strategie ist das bei Hits kein Hauptspeicherverkehr oder Busbelastung auftritt. Alle Operationen können schnell innerhalb der Working-Sets mit Cache-Speed erfolgen. Somit arbeitet die CPU ungebremst. Problematisch wird dies, wenn mehrere Bus-Master am Bus hängen. Um Inkonsistenzen zu vermeiden sind dann spezielle Synchronisationsprotololle wie MESI notwendig. Concurrent Write-Back? Bei einfachen Write-Back-Caches muss die CPU im Falle eines Cache-Misses warten, bis die neue Cache-Line aus dem Speicher geholt wurde. Um diese Wartezeit im Mittel zu eliminieren, wird die alte Zeile zunächst in einen Writebuffer zwischengespeichert und später, parallel zu nachfolgenden Cache-Referenzen in den Hauptspeicher übernommen. (Sonderform: Buffered Line Refill) Wenn auch beim Lesen ein Line-(Read)-Buffer verwendet wird, spricht man von einem Streaming Cache. Write-Through-Strategie? Write-Through schreibt immer in den Hauptspeicher und falls sich eine Kopie auch im Cache befindet, so wird diese aktualisiert. Genau aus diesem Grund ist kein Rückschreiben eines Dirty-Datums notwendig, da es zu keinen Inkonsistenzen zwischen RAM und Cache kommen kann. Nachteil ist aber, dass nur bei Leseoperationen ein Geschwindigkeitsvorteil erzielt werden kann Buffered Write-Through Im Mittel erfolgen nach jeder Write-Operation zwei Read-Operationen. Deshalb kann ein Geschwindigkeitsgewinn erzielt werden, wenn ein schneller Zwischenbuffer (FiFo) vor dem Speicher plaziert wird, welcher einige Write-Operationen aufnehmen kann. Wird nun eine Leseoperation ausgeführt, so kann das Datum falls es noch in dem schnellen Buffer steht, direkt aus diesem gelesen werden. Write Allocate Hier wird immer in den Hauptspeicher und in den Cache geschrieben - auch wenn das Datum sich noch nicht im Cache befand. Zusammenspiel bei Cache-Misses Write-Allocate wird meistens mit Write-Back Strategie gemeinsam verwendet. Write-Allocate bedeutet dabei nichts weiter, als das der Hauptspeicher-Block in den Cache geladen wird. Beim No-write-Allocate (Write-Around) wird das Datum direkt im Hauptspeicher modifiziert, weshalb Write Around meist mit Write-Through verbunden wird. Zusammenfassung Caches Write-Back wird üblicherweise mit Write-Allocate kombiniert. Beim Write Allocate (fetch-on-write) wird ein Block gelesen und in Cache gespeichert. Beim No-write-allocate (write-around) wird der Block in der unteren Ebene der Speicherhierarchie modifiziert und nicht nicht im Cache geladen. No-write-allocate wird deshalb meist bei Write-through verwendet. Was ist der Unterschied zwischen einen logischen und einen physischen Cache? Physische Caches liegen vor der MMU und speichern somit nur physikalische Adressen. Ein logischer Cache liegt zwischen CPU und MMU und speichert logische Adressen. Vorteil von logischen Caches ist daher, dass die Adressumrechnung bei einem Hit entfällt. Ein großer Nachteil sind aber die Synonym-Probleme bei Multiprozessorsystemen. Des weiteren wird bei Taskwechsel ein Cache-Flush notwendig. Multi-Level-Caches und Split-Caches Durch Hintereinanderlegen von verschiedenen Caches kann ein gleitender Übergang zu immer größeren und langsameren Speichern erreicht werden. First Level Caches sind meist n-Wege-Satzassoziativ und folgende Direct-Mapped. Split-Caches trennen Code und Daten und sind somit viel flexibler und besser an das Zugriffsverhalten in Bezug auf Strategie oder Assoziativität zu optimieren. Dabei unterscheidet man eine Havard-Architektur von der multiplexed Havard-Architektur (von Neumann Prinzip). Die reine Harvard trennt nicht nur Cache sondern auch den Hauptspeicher in Daten und Codebereich. Bei von Neumann liegen Daten und Code zusammen im Hauptspeicher und werden nur im Cache getrennt. Durch Trennung von Code und Daten verdoppelt sich die Bandbreite, da zeitgleich zugegriffen werden kann. Was geschieht wenn kein Platz mehr im Cache vorhanden ist? Es muss eine Cache-Line ausgewählt werden, die mit den neuen benötigten Daten überschrieben werden kann. Die Auswahl erfolgt meistens mit LRU - Last Recently Used. D.h. die am längsten nicht genutzte Cache-Line fliegt raus. Was ist ein Burst-Cache? Burst Caches schreiben nicht nur eine Zeile in den Speicher zurück, sondern gleich mehrere, um die Bandbreite auszunutzen und somit Zeit zu sparen. Zusammenhänge zwischen Caches, TLB's und Page Tables Folgende vier Fragen stellen sich bei Caches, TLB's und auch bei Page Tables: Wo kann ein Block eingelagert werden? (Direct Mapped also nur an einem Ort, Set Assoziativ an mehreren Orten oder Voll Assoziativ, also überall) Wie kann ein Block gefunden werden? (indexiert, limitierte Suche, komplette Suche oder lookup table wie Page Tables) Wie wird ein Block bei einem Miss aktualisiert? (normalerweise über LRU oder random Methoden) Wie wird mit Schreiboperationen umgegangen? (Write Through oder Write Back) Ein TLB ist ein Translation Lookaside Buffer und ist ein kleiner Cache für die Page Table, um Seitenzugriffe zu beschleunigen. Was ist ein Trace-Cache Ein Trace Cache ist ein spezieller Befehlscache, der "Traces" des aktuellen Programmlauf protokolliert. Dabei speichert jede Zeile einen Trace, welcher typisch mehrere taken branches enthalten kann. Befehlsfolgen, die aufgrund von taken branches (weit) auseinander liegen, werden in kontinuierlicher Folge abgespeichert. Gepaart mit multiple branch prediction können mehrere zusammenhängende Basisblöcke parallel gefetched werden. (ergibt hohe issue rate) Kapitel 5 - Risc Wie berechnet sich die Prozessorleistung? Die Prozessorleistung ist umgekehrt proportional zur Ausführungszeit eines Algorithmus und wird aus folgenden drei Parametern






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Welche Arten von Caches gibt es?

* vollassoziativ
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satz

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
aubt : ) Preemptives Multitasking ist echtes Multitasking. Ein externer Timer steuert die Umschaltung der Tasks. Die Tasks können somit keinen Einfluss auf die Betriebsmittelumschaltung nehmen. <span>Kapitel 4 - Speicherhierarchie und Caches Was bedeutet die Eigenschaft Lokalität? Aus programmtechnischer Sicht wiederholen sich oft Befehle und ganze Programmteile. Somit werden Daten oft wiederholt angefordert. Es gibt nun zwei Arten von Lokalität: Was ist Zeitliche Lokalität? Auf ein gerade zugegriffenes Datum wird sicher bald wieder zugegriffen. Was ist Räumliche Lokalität? Auf Daten, deren Adressen benachbart sind, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zugegriffen. Anzumerken ist, daß Datenzugriffe eine geringere Lokalität zeigen als Befehlszugriffe. Nach welchen Merkmalen lassen sich Caches klassifizieren? Cache-Größe (damit verbundener Hardware-Aufwand) Größe einer Cachezeile (Verschmutzungseffekt) Cache-Organisation (Vollassoziativ/Direct Mapped/Satz-Assoziativ) Schreibstrategie (Write-Through /-Allocate oder -Back) Split-Cache-Design (Transfer-Bandbreiten) Multi-level Cache-Hierarchien (Workingssetgrößen) Effective Working Set (Overflow-, Victim-, Trace Cache) Innere Cache-Parallelität (Streaming) Kohärenz-Verfahren (Snooping, MESI) Wie ist ein Cache aufgebaut? Zeile 1 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 2 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 3 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) ... Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile n Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Control-Bits sind z.B. Valid-Bits, Dirty-Bits und Prozess-ID. Das Adress-Tag ist nichts weiter als ein Teil der Adresse, welche bei einem Zugriff als Index gilt. Ein Datenblock ist in der Praxis meistens zwischen 16 und 64 KByte groß. Welche Cache-Arten kennen Sie? Ein Cache-Eintrag besteht aus einem Tag (Identifikator) und den Daten. Die Implementierung unterscheidet sich. Es gibt voll-, einfach assoziative und Satzassoziative Caches . Wie arbeitet ein vollassoziativer Cache? Das Tag Feld ist hier die assoziierende Adresse des Datums im Speicher. Die Hardware ist bei vollassoziativen Caches aufwendig, da diese bei einem Cache Zugriff alle Tags gleichzeitig mit der anliegenden Adresse vergleicht. Dies ist zwar extrem schnell, aber sehr teuer. Außerdem wird er sehr langsam wenn die Anzahl der Cachezeilen hinreichend groß wird. Da bei vollassoziativen Cachen ein Datum an jede Stelle des Caches platziert werden kann, muss eine Logik her, welche eine Entscheidung trifft. Als Plazierungsstrategie wird oft LRU verwendet. Dies ist seht aufwendig! Wie arbeitet ein Direct-Mapped-Cache (einfach assoziativer Cache)? Beim Direct-Mapped-Cache entscheidet eine Map-Funktion, welche Zeile im Cache mit der anliegenden Adresse referenziert wird (somit ist kein LRU o.ä. notwendig). Dabei wird einem Hauptspeicherblock genau ein Cache-Block zugeordnet (n:1 Beziehung). Oft wird eine Funktion wie (A mod Cachesize / Zeilengröße) zur Berechnung der Cachezeile aus der anliegenden Adresse benutzt, da bei diesem Verfahren dann nur (A / Cachesize) als Tag in jeder Cachezeile gespeichert werden muss. Vorteil dieser Variante ist die einfache, kostengünstige Integration (nur Komperator notwendig) und die hohe Geschwindigkeit. Leider neigt ein Direct-Mapped-Cache zu vielen Konflikten (ähnlich den Kollisionen bei Hash-Tables), welche zusätzliche Cache-Misses bildet, da mehrere Adressen auf die gleiche Cachezeile verweisen. Wie arbeitet ein n-Wege-Satz Cache (Satzassoziativer Cache)? Diese Variante ist nichts anderes als eine Implementation mehrerer parallel verknüpfter Direct-Mapped-Caches. Sie stellt quasi einen Kompromiss zwischen Cache-Effizienz und Aufwand dar. Die Arbeitsweise ist die gleiche, nur das die Map-Funktion nicht nur auf eine Zeile im Speicher zeigt, sondern auf n. Die Hardware des Caches vergleicht alle n Tags gleichzeitig, mit dem anliegenden Index. Ist eine der Tags gleich dem Index, ist dies ein Cache-Hit. Diese Technik reduziert die hohe Anfälligkeit von Direct-Mapped-Caches für Konflikte, benötigt aber mehr Chipfläche. Welche Schreibstrategien für Caches gibt es? Write-Back,Write-Throug und Write-Allocate. Write-Back-Strategie? Ein zu lesendes Datum wird entweder bei einem Hit aus dem Cache gelesen oder im Falle eines Misses, aus dem Hauptspeicher geholt und parallel in den Cache eingetragen. Im Falle der Aktualisierung, muss erst das Dirty-Bit der zu überschreibenden Cache-Line geprüft werden, um diese gegebenenfalls in den Hauptspeicher zurückzuschreiben. (Write-Back) Vorteil dieser Strategie ist das bei Hits kein Hauptspeicherverkehr oder Busbelastung auftritt. Alle Operationen können schnell innerhalb der Working-Sets mit Cache-Speed erfolgen. Somit arbeitet die CPU ungebremst. Problematisch wird dies, wenn mehrere Bus-Master am Bus hängen. Um Inkonsistenzen zu vermeiden sind dann spezielle Synchronisationsprotololle wie MESI notwendig. Concurrent Write-Back? Bei einfachen Write-Back-Caches muss die CPU im Falle eines Cache-Misses warten, bis die neue Cache-Line aus dem Speicher geholt wurde. Um diese Wartezeit im Mittel zu eliminieren, wird die alte Zeile zunächst in einen Writebuffer zwischengespeichert und später, parallel zu nachfolgenden Cache-Referenzen in den Hauptspeicher übernommen. (Sonderform: Buffered Line Refill) Wenn auch beim Lesen ein Line-(Read)-Buffer verwendet wird, spricht man von einem Streaming Cache. Write-Through-Strategie? Write-Through schreibt immer in den Hauptspeicher und falls sich eine Kopie auch im Cache befindet, so wird diese aktualisiert. Genau aus diesem Grund ist kein Rückschreiben eines Dirty-Datums notwendig, da es zu keinen Inkonsistenzen zwischen RAM und Cache kommen kann. Nachteil ist aber, dass nur bei Leseoperationen ein Geschwindigkeitsvorteil erzielt werden kann Buffered Write-Through Im Mittel erfolgen nach jeder Write-Operation zwei Read-Operationen. Deshalb kann ein Geschwindigkeitsgewinn erzielt werden, wenn ein schneller Zwischenbuffer (FiFo) vor dem Speicher plaziert wird, welcher einige Write-Operationen aufnehmen kann. Wird nun eine Leseoperation ausgeführt, so kann das Datum falls es noch in dem schnellen Buffer steht, direkt aus diesem gelesen werden. Write Allocate Hier wird immer in den Hauptspeicher und in den Cache geschrieben - auch wenn das Datum sich noch nicht im Cache befand. Zusammenspiel bei Cache-Misses Write-Allocate wird meistens mit Write-Back Strategie gemeinsam verwendet. Write-Allocate bedeutet dabei nichts weiter, als das der Hauptspeicher-Block in den Cache geladen wird. Beim No-write-Allocate (Write-Around) wird das Datum direkt im Hauptspeicher modifiziert, weshalb Write Around meist mit Write-Through verbunden wird. Zusammenfassung Caches Write-Back wird üblicherweise mit Write-Allocate kombiniert. Beim Write Allocate (fetch-on-write) wird ein Block gelesen und in Cache gespeichert. Beim No-write-allocate (write-around) wird der Block in der unteren Ebene der Speicherhierarchie modifiziert und nicht nicht im Cache geladen. No-write-allocate wird deshalb meist bei Write-through verwendet. Was ist der Unterschied zwischen einen logischen und einen physischen Cache? Physische Caches liegen vor der MMU und speichern somit nur physikalische Adressen. Ein logischer Cache liegt zwischen CPU und MMU und speichert logische Adressen. Vorteil von logischen Caches ist daher, dass die Adressumrechnung bei einem Hit entfällt. Ein großer Nachteil sind aber die Synonym-Probleme bei Multiprozessorsystemen. Des weiteren wird bei Taskwechsel ein Cache-Flush notwendig. Multi-Level-Caches und Split-Caches Durch Hintereinanderlegen von verschiedenen Caches kann ein gleitender Übergang zu immer größeren und langsameren Speichern erreicht werden. First Level Caches sind meist n-Wege-Satzassoziativ und folgende Direct-Mapped. Split-Caches trennen Code und Daten und sind somit viel flexibler und besser an das Zugriffsverhalten in Bezug auf Strategie oder Assoziativität zu optimieren. Dabei unterscheidet man eine Havard-Architektur von der multiplexed Havard-Architektur (von Neumann Prinzip). Die reine Harvard trennt nicht nur Cache sondern auch den Hauptspeicher in Daten und Codebereich. Bei von Neumann liegen Daten und Code zusammen im Hauptspeicher und werden nur im Cache getrennt. Durch Trennung von Code und Daten verdoppelt sich die Bandbreite, da zeitgleich zugegriffen werden kann. Was geschieht wenn kein Platz mehr im Cache vorhanden ist? Es muss eine Cache-Line ausgewählt werden, die mit den neuen benötigten Daten überschrieben werden kann. Die Auswahl erfolgt meistens mit LRU - Last Recently Used. D.h. die am längsten nicht genutzte Cache-Line fliegt raus. Was ist ein Burst-Cache? Burst Caches schreiben nicht nur eine Zeile in den Speicher zurück, sondern gleich mehrere, um die Bandbreite auszunutzen und somit Zeit zu sparen. Zusammenhänge zwischen Caches, TLB's und Page Tables Folgende vier Fragen stellen sich bei Caches, TLB's und auch bei Page Tables: Wo kann ein Block eingelagert werden? (Direct Mapped also nur an einem Ort, Set Assoziativ an mehreren Orten oder Voll Assoziativ, also überall) Wie kann ein Block gefunden werden? (indexiert, limitierte Suche, komplette Suche oder lookup table wie Page Tables) Wie wird ein Block bei einem Miss aktualisiert? (normalerweise über LRU oder random Methoden) Wie wird mit Schreiboperationen umgegangen? (Write Through oder Write Back) Ein TLB ist ein Translation Lookaside Buffer und ist ein kleiner Cache für die Page Table, um Seitenzugriffe zu beschleunigen. Was ist ein Trace-Cache Ein Trace Cache ist ein spezieller Befehlscache, der "Traces" des aktuellen Programmlauf protokolliert. Dabei speichert jede Zeile einen Trace, welcher typisch mehrere taken branches enthalten kann. Befehlsfolgen, die aufgrund von taken branches (weit) auseinander liegen, werden in kontinuierlicher Folge abgespeichert. Gepaart mit multiple branch prediction können mehrere zusammenhängende Basisblöcke parallel gefetched werden. (ergibt hohe issue rate) Kapitel 5 - Risc Wie berechnet sich die Prozessorleistung? Die Prozessorleistung ist umgekehrt proportional zur Ausführungszeit eines Algorithmus und wird aus folgenden drei Parametern






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1 (INÉDITA) Na Fiscalização ao contratar uma empresa, exige-se neste ponto, que a execução do contrato administrativo seja acompanhada e fiscalizada por um representante da administração especialmente designado, permitida a contratação de terceiros para assisti-lo e subsidiá-lo de informações pertinentes a essa atribuição. A inexecução total ou parcial do contrato dá à administração a prerrogativa de aplicar sanções de natureza administrativa, que são:

a. advertência, multa, suspensão temporária de participação em licitação, declaração de inidoneidade;

b. Anulação, multa, inidoneidade, suspensão temporária de participação em licitação;

c. Anulação, multa, suspensão temporária de participação em licitação, declaração de inidoneidade;

d. nenhuma alternativa correta

Dá à administração a prerrogativa de aplicar sanções de natureza administrativa, que são: advertência, multa, suspensão temporária de participação em licitação, declaração de inidoneidade.
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Annotation 7656362347788

2. (INÉDITA) Em relação ao acompanhamento e fiscalização de contratos, o representante legal da contratada junto ao contratante é denominado: a. gestor b. fiscal c. supervisor d. administrador e. preposto O representante legal da contratada junto ao contratante é denominado preposto.
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Annotation 7656363920652

3. (INÉDITA) Acerca das licitações públicas, julgue os itens subsequentes. Considere que determinada autarquia tenha contratado empresa prestadora de serviços terceirizados de faxina e tenha sido comprovado, em juízo, que não foram adotadas as medidas cabíveis para se fiscalizar a execução do contrato. Considere, ainda, que a empresa que terceiriza os serviços tenha deixado de honrar seus compromissos trabalhistas com os empregados. Nesse caso, a autarquia deve responder, subsidiariamente, pelo pagamento das verbas laborais.
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Annotation 7656366542092

4. (INÉDITA) O proprietário de uma pequena construtora resolveu participar de um processo licitatório para construir um pavilhão de um colégio público. Apresentou a documentação exigida quanto às habilitações necessárias, mas estava em falta com o recolhimento de impostos federais. Com base nessas informações, pode-se concluir: Cabe à Administração Pública fiscalizar e acompanhar todas as fases de execução de um contrato, por intermédio de representante especialmente designado.
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Annotation 7656368114956

Como está sem recolher os impostos federais e deve manter a sua regularidade durante toda a execução do contrato, existe um motivo para rescisão. Assim, deve notificar a empresa e dar um caso para ela se regularizar, mas, se ela não se regularizar, abrirá uma penalidade para a empresa, inclusive a rescisão contratual, assim como também haverá contratação de uma outra empresa.
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Annotation 7656369949964

5. (INÉDITA) Julgue o item subsequente com relação à elaboração, à fiscalização de contratos e ao acompanhamento da execução contratual.

A fiscalização da execução dos contratos não se insere na discricionariedade administrativa, mas consiste em uma obrigação de velar para que a execução atenda aos requisitos de qualidade, tempo etc. Trata-se de um dever da Administração que poderá se valer de prerrogativas de império e de atos de força pública para assegurar a correta execução do objeto contratado.

É dever da Administração designar fiscal de contrato.
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Annotation 7656373095692

6. (INÉDITA) Na administração pública, a execução de contratos deverá ser acompanhada e fiscalizada por um representante da administração especialmente designado para esse fim, permitida a.

a participação do autor do projeto, na licitação de obra ou serviço, para os fins de responsabilidade isolada.

b. a contratação de terceiros para assisti-lo e subsidiá-lo de informações pertinentes a essa atribuição.

c. a contratação de terceiros para assisti-lo na demanda orçamentária e subsidiá-lo de informações pertinentes à competitividade.

d. a participação de empresas em consórcio na licitação de obra ou serviço, para os fins de responsabilidade solidária.

É permitida a contratação de terceiros para assisti-lo e subsidiá-lo de informações pertinentes a essa atribuição.
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Annotation 7656406912268


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Flashcard 7656414252300

Question
[...] sind WAW-Konflikte, welche entstehen, wenn mehrere Befehle auf ein und das selbe Register schreiben. Hier muss sichergestellt werden, daß die Schreibreihenfolge der der Befehle entspricht
Answer
Output Dependece

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Output Dependece sind WAW-Konflikte, welche entstehen, wenn mehrere Befehle auf ein und das selbe Register schreiben. Hier muss sichergestellt werden, daß die Schreibreihenfolge der der Befehle entspric

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
einen Verweis auf die Nächste enthalten. Sprünge sind einfach möglich. Angewandt wird dies in Form von Opcodes, welche nichts anderes als Adressen auf Mikroinstruktionen im Steuerspeicher sind. <span>Kapitel 6 - Pipelining Wozu dient Pipelining? Pipelining soll es ermöglichen Befehle überlappt auszuführen. Dazu sind ein einheitliches Befehlsformat fester Länge Grundlage. Deshalb werden werden nur auf Register getätigt. Für Speicheroperationen wird die LOAD / STORE Philosophie verfolgt, um langsame Hauptspeicherzugriffe zu minimieren. Was ist Voraussetzung für Pipelining? Die Befehlsverarbeitungsphase muss sich in mehrere voneinander unabhängige Phasen unterteilen lassen. Die einfachste Form einer Pipeline ist die 5-stufige mit folgenden Phasen: Befehl holen Befehl dekodieren Befehl ausführen Auf Speicher zugreifen Ergebnis in Register schreiben Moderene CPU's haben weitaus komplexere Pipelines, in denen die einzelnen Stufen wiederrum in mehrere sich überlappende Phasen aufgeteilt werden. Der allgemeine Aufbau einer (fünfstufigen) Pipeline Um Parallelität in der Befehlsausführungsphase zu erreichen, wird der Datenpfad so konstruiert, daß folgende (hier fünf) Phasen unabhänig voneinander arbeiten können. Nur so ist es möglich eine verzahnte Abarbeitung mehrerer Befehle zu erreichen. Abb.: Die Piplelinestufen Somit wird ,nachdem eine Pipeline gefüllt ist, im Optimalfall pro Takt ein Befehl fertig. (CPI = 1) Welche Pipeline-Konflikte müssen behandelt werden? Datenabhängigkeiten (Data Hazards) Sind logische Abhängigkeiten, welche eine verzögerte Abarbeitung erfordern, weil z.B. ein Folgebefehl auf ein Ergebnis eines anderen Befehles warten muss. Jump- / Branchverzögerungen (Control Hazards) Bei Sprungbefehlen liegt oft das Sprungziel nach der Dekodieung noch nicht fest. Somit müssen Techniken eingesetzt werden um diese Wartezeiten zu minimieren. (Branch Prediction) Ressourcenkonflikte (Structural Hazards) Bei bestimmten Befehlskombinationen ist es unter Umständen möglich, daß ein Teilwerk seine Arbeit wiederholen muss. Solche Ressourcenkonflikte treten dann auf, wenn nicht jeder Teilphase völlig unabhängige Teilwerke zugeordnet sind. Ein Beispiel ist z.B. ein zeitgleicher Lesezugriff eines LOAD/STORE Befehles, welcher sich zwangsweise mit einem eventuellen MEM ACCESS eines anderen Befehles überschneidet. Abhilfe können hier Dual-Port RAM, Havard-Architektur oder getrennte Code- und Datencaches schaffen. Welche drei verschiedenen Datenabhängigkeiten gibt es? RAW, WAW und WAR-Konflikte sind Datenabnhänigkeiten, welche in Pipelines auftreten können. Dabei ist das RAW-Problem für Pipelines typisch. WAR Konflikte treten eher bei Out-Of-Order Execution auf. Um Read-After-Write Konflikte aufzulösen, gibt es verschiedene Ansätze wie Softwarelösungen ( Compileroptimierung), Scoreboarding (zentrale Steuerlogik) und Forwarding (zusätzlicher Datenpfad). Was ist Forwarding? Beim Forwarding wird ein Bypass eingerichtet, welcher ein Ergebniss einer Operation schon einem Folgebefehl zur Verfügung stellt, bevor es überhaupt in ein Register geschrieben wurde. Aber trotz Load-Forwarding hat ein Ladebefehl eine Verzögerung, welche nicht gänzlich eliminiert werden kann. In diesem Fall kann die Delayed-Load Technik oder auch eine Befehlsumordnung Anhilfe schaffen. Was ist die Delayed Load-Technik? Bei der Delayed Load-Technik wird die Verzögerung nach einem LOAD Befehl als architektonisches Merkmal angesehn und den Compilerbauern offengelegt. Diese können nun durch Befehlsumordnungen versuchen, nach einem LOAD-Befehl einen datenunabhängigen Befehl einzufügen, um den Slot zu füllen. Zusammenfassung Pipelining Pipelines werden in allen modernen CPUs benutzt. Die UltraSparc2 hat neun und der P2 zwölf Stufen. Der Intel Pentium Itanium weißt eine 20 stufige Superpinepline (pipeline in der sich einzelne Stufen überlappen können) auf! Pipes werden heutzutage in Kombination mit der Superskalartechnik verwendet, um höchste Effizienz und Parallelverarbeitung gewährleisten zu können. Die fünf grundlegenden Stufen einer einfachen Pipeline sind IF,ID,EX,MEM und WB. Takte T = Befehle + (Pipestufen - 1) Folgende Abhängigkeiten verhindern, dass die CPI auf eins gehen: Strucual Hazards bzw. Ressourcenkonflikte IF und MEM wollen gleichzeitig auf Speicher lesend oder schreibend zugreifen. Das geht nicht, außer bei Dual-Port-RAM, welcher aber sehr teuer ist. Dieses Problem tritt aber bei modernen CPU's kaum noch auf, da eh intern eine Havard-ähnliche Architektur mit getrenntem Befehls- und Datencache gearbeitet wird. Data Hazards bzw. Datenabhängigkeiten Ein Folgebefehl wartet auf das Writeback der darüber liegenden Pipe, da er von diesem Befehl abhängig ist. Dies kann durch Nops bzw. Stalls ineffizient gelöst werden. Besser der Programmierer oder der Compiler löst diese Abhängigkeiten durch eine clevere Umordnung der Befehlsfolge auf. Es gibt aber noch eine andere Möglichkeit, welche aber hardwareseitig unterstützt werden muss. (VLIW, Superskalar) Forwarding Beim Forwarding werden Ergebnisse, sobald sie vorliegen an die nächste Stufe weitergereicht und nicht erst auf das Write Back gewartet. In anderen Worten: Das Ergebnis der ALU wird dieser sofort wieder eingespeist. Control Hazards bzw. Sprungverzögerungen Sprungergebnisse stehen erst in der Write Back Phase an. Moderne Prozessoren haben aber schon in der Fetch/Decode-Einheit eine Logik, welche die Zieladresse des Sprunges berechnet. Eine andere Möglichkeit ist die des spekulativen Ausführens. Hier tritt aber das Problem auf, dass viel Aufwand bei falscher Spekulation getrieben werden muss. Was ist der Unterschied zwischen echten und unechten Datenabhängigkeiten? Echte Datenabhängigkeiten sind RAW-Konflikte, bei dem ein Befehl auf die Beendigung eines Anderen warten muss, da er das Ergebnis als Operand benötigt. Unechte Datenabhängigkeit sind Abhängigkeiten, welche nur durch Namensabhängigkeit entstehen. Es gibt zwei Arten unechter Datenabhängigkeit: Antidependence sind WAR-Konflikte, welche entstehen, wenn ein Folgebefehl auf ein Register schreiben möchte, das noch von einem Anderen benutzt wird. Output Dependece sind WAW-Konflikte, welche entstehen, wenn mehrere Befehle auf ein und das selbe Register schreiben. Hier muss sichergestellt werden, daß die Schreibreihenfolge der der Befehle entspricht. Beide Abhängigkeiten können durch Register Renaming vermindert werden! Kapitel 7 - Branch Prediction Control Hazards (Jump / Branch Problematik) Sprungbefehle stellen einen Dorn im Auge einer jeden Pipeline dar, da diese besondere Vorkehrungen erfordern. D






Flashcard 7656415825164

Question
Output Dependece sind [...]-Konflikte, welche entstehen, wenn mehrere Befehle auf ein und das selbe Register schreiben. Hier muss sichergestellt werden, daß die Schreibreihenfolge der der Befehle entspricht
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WAW

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
einen Verweis auf die Nächste enthalten. Sprünge sind einfach möglich. Angewandt wird dies in Form von Opcodes, welche nichts anderes als Adressen auf Mikroinstruktionen im Steuerspeicher sind. <span>Kapitel 6 - Pipelining Wozu dient Pipelining? Pipelining soll es ermöglichen Befehle überlappt auszuführen. Dazu sind ein einheitliches Befehlsformat fester Länge Grundlage. Deshalb werden werden nur auf Register getätigt. Für Speicheroperationen wird die LOAD / STORE Philosophie verfolgt, um langsame Hauptspeicherzugriffe zu minimieren. Was ist Voraussetzung für Pipelining? Die Befehlsverarbeitungsphase muss sich in mehrere voneinander unabhängige Phasen unterteilen lassen. Die einfachste Form einer Pipeline ist die 5-stufige mit folgenden Phasen: Befehl holen Befehl dekodieren Befehl ausführen Auf Speicher zugreifen Ergebnis in Register schreiben Moderene CPU's haben weitaus komplexere Pipelines, in denen die einzelnen Stufen wiederrum in mehrere sich überlappende Phasen aufgeteilt werden. Der allgemeine Aufbau einer (fünfstufigen) Pipeline Um Parallelität in der Befehlsausführungsphase zu erreichen, wird der Datenpfad so konstruiert, daß folgende (hier fünf) Phasen unabhänig voneinander arbeiten können. Nur so ist es möglich eine verzahnte Abarbeitung mehrerer Befehle zu erreichen. Abb.: Die Piplelinestufen Somit wird ,nachdem eine Pipeline gefüllt ist, im Optimalfall pro Takt ein Befehl fertig. (CPI = 1) Welche Pipeline-Konflikte müssen behandelt werden? Datenabhängigkeiten (Data Hazards) Sind logische Abhängigkeiten, welche eine verzögerte Abarbeitung erfordern, weil z.B. ein Folgebefehl auf ein Ergebnis eines anderen Befehles warten muss. Jump- / Branchverzögerungen (Control Hazards) Bei Sprungbefehlen liegt oft das Sprungziel nach der Dekodieung noch nicht fest. Somit müssen Techniken eingesetzt werden um diese Wartezeiten zu minimieren. (Branch Prediction) Ressourcenkonflikte (Structural Hazards) Bei bestimmten Befehlskombinationen ist es unter Umständen möglich, daß ein Teilwerk seine Arbeit wiederholen muss. Solche Ressourcenkonflikte treten dann auf, wenn nicht jeder Teilphase völlig unabhängige Teilwerke zugeordnet sind. Ein Beispiel ist z.B. ein zeitgleicher Lesezugriff eines LOAD/STORE Befehles, welcher sich zwangsweise mit einem eventuellen MEM ACCESS eines anderen Befehles überschneidet. Abhilfe können hier Dual-Port RAM, Havard-Architektur oder getrennte Code- und Datencaches schaffen. Welche drei verschiedenen Datenabhängigkeiten gibt es? RAW, WAW und WAR-Konflikte sind Datenabnhänigkeiten, welche in Pipelines auftreten können. Dabei ist das RAW-Problem für Pipelines typisch. WAR Konflikte treten eher bei Out-Of-Order Execution auf. Um Read-After-Write Konflikte aufzulösen, gibt es verschiedene Ansätze wie Softwarelösungen ( Compileroptimierung), Scoreboarding (zentrale Steuerlogik) und Forwarding (zusätzlicher Datenpfad). Was ist Forwarding? Beim Forwarding wird ein Bypass eingerichtet, welcher ein Ergebniss einer Operation schon einem Folgebefehl zur Verfügung stellt, bevor es überhaupt in ein Register geschrieben wurde. Aber trotz Load-Forwarding hat ein Ladebefehl eine Verzögerung, welche nicht gänzlich eliminiert werden kann. In diesem Fall kann die Delayed-Load Technik oder auch eine Befehlsumordnung Anhilfe schaffen. Was ist die Delayed Load-Technik? Bei der Delayed Load-Technik wird die Verzögerung nach einem LOAD Befehl als architektonisches Merkmal angesehn und den Compilerbauern offengelegt. Diese können nun durch Befehlsumordnungen versuchen, nach einem LOAD-Befehl einen datenunabhängigen Befehl einzufügen, um den Slot zu füllen. Zusammenfassung Pipelining Pipelines werden in allen modernen CPUs benutzt. Die UltraSparc2 hat neun und der P2 zwölf Stufen. Der Intel Pentium Itanium weißt eine 20 stufige Superpinepline (pipeline in der sich einzelne Stufen überlappen können) auf! Pipes werden heutzutage in Kombination mit der Superskalartechnik verwendet, um höchste Effizienz und Parallelverarbeitung gewährleisten zu können. Die fünf grundlegenden Stufen einer einfachen Pipeline sind IF,ID,EX,MEM und WB. Takte T = Befehle + (Pipestufen - 1) Folgende Abhängigkeiten verhindern, dass die CPI auf eins gehen: Strucual Hazards bzw. Ressourcenkonflikte IF und MEM wollen gleichzeitig auf Speicher lesend oder schreibend zugreifen. Das geht nicht, außer bei Dual-Port-RAM, welcher aber sehr teuer ist. Dieses Problem tritt aber bei modernen CPU's kaum noch auf, da eh intern eine Havard-ähnliche Architektur mit getrenntem Befehls- und Datencache gearbeitet wird. Data Hazards bzw. Datenabhängigkeiten Ein Folgebefehl wartet auf das Writeback der darüber liegenden Pipe, da er von diesem Befehl abhängig ist. Dies kann durch Nops bzw. Stalls ineffizient gelöst werden. Besser der Programmierer oder der Compiler löst diese Abhängigkeiten durch eine clevere Umordnung der Befehlsfolge auf. Es gibt aber noch eine andere Möglichkeit, welche aber hardwareseitig unterstützt werden muss. (VLIW, Superskalar) Forwarding Beim Forwarding werden Ergebnisse, sobald sie vorliegen an die nächste Stufe weitergereicht und nicht erst auf das Write Back gewartet. In anderen Worten: Das Ergebnis der ALU wird dieser sofort wieder eingespeist. Control Hazards bzw. Sprungverzögerungen Sprungergebnisse stehen erst in der Write Back Phase an. Moderne Prozessoren haben aber schon in der Fetch/Decode-Einheit eine Logik, welche die Zieladresse des Sprunges berechnet. Eine andere Möglichkeit ist die des spekulativen Ausführens. Hier tritt aber das Problem auf, dass viel Aufwand bei falscher Spekulation getrieben werden muss. Was ist der Unterschied zwischen echten und unechten Datenabhängigkeiten? Echte Datenabhängigkeiten sind RAW-Konflikte, bei dem ein Befehl auf die Beendigung eines Anderen warten muss, da er das Ergebnis als Operand benötigt. Unechte Datenabhängigkeit sind Abhängigkeiten, welche nur durch Namensabhängigkeit entstehen. Es gibt zwei Arten unechter Datenabhängigkeit: Antidependence sind WAR-Konflikte, welche entstehen, wenn ein Folgebefehl auf ein Register schreiben möchte, das noch von einem Anderen benutzt wird. Output Dependece sind WAW-Konflikte, welche entstehen, wenn mehrere Befehle auf ein und das selbe Register schreiben. Hier muss sichergestellt werden, daß die Schreibreihenfolge der der Befehle entspricht. Beide Abhängigkeiten können durch Register Renaming vermindert werden! Kapitel 7 - Branch Prediction Control Hazards (Jump / Branch Problematik) Sprungbefehle stellen einen Dorn im Auge einer jeden Pipeline dar, da diese besondere Vorkehrungen erfordern. D






Flashcard 7656417398028

Question
Output Dependece sind WAW-Konflikte, welche entstehen, wenn [...]. Hier muss sichergestellt werden, daß die Schreibreihenfolge der der Befehle entspricht
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mehrere Befehle auf ein und das selbe Register schreiben

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
einen Verweis auf die Nächste enthalten. Sprünge sind einfach möglich. Angewandt wird dies in Form von Opcodes, welche nichts anderes als Adressen auf Mikroinstruktionen im Steuerspeicher sind. <span>Kapitel 6 - Pipelining Wozu dient Pipelining? Pipelining soll es ermöglichen Befehle überlappt auszuführen. Dazu sind ein einheitliches Befehlsformat fester Länge Grundlage. Deshalb werden werden nur auf Register getätigt. Für Speicheroperationen wird die LOAD / STORE Philosophie verfolgt, um langsame Hauptspeicherzugriffe zu minimieren. Was ist Voraussetzung für Pipelining? Die Befehlsverarbeitungsphase muss sich in mehrere voneinander unabhängige Phasen unterteilen lassen. Die einfachste Form einer Pipeline ist die 5-stufige mit folgenden Phasen: Befehl holen Befehl dekodieren Befehl ausführen Auf Speicher zugreifen Ergebnis in Register schreiben Moderene CPU's haben weitaus komplexere Pipelines, in denen die einzelnen Stufen wiederrum in mehrere sich überlappende Phasen aufgeteilt werden. Der allgemeine Aufbau einer (fünfstufigen) Pipeline Um Parallelität in der Befehlsausführungsphase zu erreichen, wird der Datenpfad so konstruiert, daß folgende (hier fünf) Phasen unabhänig voneinander arbeiten können. Nur so ist es möglich eine verzahnte Abarbeitung mehrerer Befehle zu erreichen. Abb.: Die Piplelinestufen Somit wird ,nachdem eine Pipeline gefüllt ist, im Optimalfall pro Takt ein Befehl fertig. (CPI = 1) Welche Pipeline-Konflikte müssen behandelt werden? Datenabhängigkeiten (Data Hazards) Sind logische Abhängigkeiten, welche eine verzögerte Abarbeitung erfordern, weil z.B. ein Folgebefehl auf ein Ergebnis eines anderen Befehles warten muss. Jump- / Branchverzögerungen (Control Hazards) Bei Sprungbefehlen liegt oft das Sprungziel nach der Dekodieung noch nicht fest. Somit müssen Techniken eingesetzt werden um diese Wartezeiten zu minimieren. (Branch Prediction) Ressourcenkonflikte (Structural Hazards) Bei bestimmten Befehlskombinationen ist es unter Umständen möglich, daß ein Teilwerk seine Arbeit wiederholen muss. Solche Ressourcenkonflikte treten dann auf, wenn nicht jeder Teilphase völlig unabhängige Teilwerke zugeordnet sind. Ein Beispiel ist z.B. ein zeitgleicher Lesezugriff eines LOAD/STORE Befehles, welcher sich zwangsweise mit einem eventuellen MEM ACCESS eines anderen Befehles überschneidet. Abhilfe können hier Dual-Port RAM, Havard-Architektur oder getrennte Code- und Datencaches schaffen. Welche drei verschiedenen Datenabhängigkeiten gibt es? RAW, WAW und WAR-Konflikte sind Datenabnhänigkeiten, welche in Pipelines auftreten können. Dabei ist das RAW-Problem für Pipelines typisch. WAR Konflikte treten eher bei Out-Of-Order Execution auf. Um Read-After-Write Konflikte aufzulösen, gibt es verschiedene Ansätze wie Softwarelösungen ( Compileroptimierung), Scoreboarding (zentrale Steuerlogik) und Forwarding (zusätzlicher Datenpfad). Was ist Forwarding? Beim Forwarding wird ein Bypass eingerichtet, welcher ein Ergebniss einer Operation schon einem Folgebefehl zur Verfügung stellt, bevor es überhaupt in ein Register geschrieben wurde. Aber trotz Load-Forwarding hat ein Ladebefehl eine Verzögerung, welche nicht gänzlich eliminiert werden kann. In diesem Fall kann die Delayed-Load Technik oder auch eine Befehlsumordnung Anhilfe schaffen. Was ist die Delayed Load-Technik? Bei der Delayed Load-Technik wird die Verzögerung nach einem LOAD Befehl als architektonisches Merkmal angesehn und den Compilerbauern offengelegt. Diese können nun durch Befehlsumordnungen versuchen, nach einem LOAD-Befehl einen datenunabhängigen Befehl einzufügen, um den Slot zu füllen. Zusammenfassung Pipelining Pipelines werden in allen modernen CPUs benutzt. Die UltraSparc2 hat neun und der P2 zwölf Stufen. Der Intel Pentium Itanium weißt eine 20 stufige Superpinepline (pipeline in der sich einzelne Stufen überlappen können) auf! Pipes werden heutzutage in Kombination mit der Superskalartechnik verwendet, um höchste Effizienz und Parallelverarbeitung gewährleisten zu können. Die fünf grundlegenden Stufen einer einfachen Pipeline sind IF,ID,EX,MEM und WB. Takte T = Befehle + (Pipestufen - 1) Folgende Abhängigkeiten verhindern, dass die CPI auf eins gehen: Strucual Hazards bzw. Ressourcenkonflikte IF und MEM wollen gleichzeitig auf Speicher lesend oder schreibend zugreifen. Das geht nicht, außer bei Dual-Port-RAM, welcher aber sehr teuer ist. Dieses Problem tritt aber bei modernen CPU's kaum noch auf, da eh intern eine Havard-ähnliche Architektur mit getrenntem Befehls- und Datencache gearbeitet wird. Data Hazards bzw. Datenabhängigkeiten Ein Folgebefehl wartet auf das Writeback der darüber liegenden Pipe, da er von diesem Befehl abhängig ist. Dies kann durch Nops bzw. Stalls ineffizient gelöst werden. Besser der Programmierer oder der Compiler löst diese Abhängigkeiten durch eine clevere Umordnung der Befehlsfolge auf. Es gibt aber noch eine andere Möglichkeit, welche aber hardwareseitig unterstützt werden muss. (VLIW, Superskalar) Forwarding Beim Forwarding werden Ergebnisse, sobald sie vorliegen an die nächste Stufe weitergereicht und nicht erst auf das Write Back gewartet. In anderen Worten: Das Ergebnis der ALU wird dieser sofort wieder eingespeist. Control Hazards bzw. Sprungverzögerungen Sprungergebnisse stehen erst in der Write Back Phase an. Moderne Prozessoren haben aber schon in der Fetch/Decode-Einheit eine Logik, welche die Zieladresse des Sprunges berechnet. Eine andere Möglichkeit ist die des spekulativen Ausführens. Hier tritt aber das Problem auf, dass viel Aufwand bei falscher Spekulation getrieben werden muss. Was ist der Unterschied zwischen echten und unechten Datenabhängigkeiten? Echte Datenabhängigkeiten sind RAW-Konflikte, bei dem ein Befehl auf die Beendigung eines Anderen warten muss, da er das Ergebnis als Operand benötigt. Unechte Datenabhängigkeit sind Abhängigkeiten, welche nur durch Namensabhängigkeit entstehen. Es gibt zwei Arten unechter Datenabhängigkeit: Antidependence sind WAR-Konflikte, welche entstehen, wenn ein Folgebefehl auf ein Register schreiben möchte, das noch von einem Anderen benutzt wird. Output Dependece sind WAW-Konflikte, welche entstehen, wenn mehrere Befehle auf ein und das selbe Register schreiben. Hier muss sichergestellt werden, daß die Schreibreihenfolge der der Befehle entspricht. Beide Abhängigkeiten können durch Register Renaming vermindert werden! Kapitel 7 - Branch Prediction Control Hazards (Jump / Branch Problematik) Sprungbefehle stellen einen Dorn im Auge einer jeden Pipeline dar, da diese besondere Vorkehrungen erfordern. D






Flashcard 7656420019468

Question
[...] Interrupts werden durch externe Geräte ausgelöst und können nach dem laufenden Befehl ausgeführt werden.
Answer
Asynchrone / externe

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Asynchrone Interrupts werden durch externe Geräte ausgelöst und können nach dem laufenden Befehl ausgeführt werden.

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
und das selbe Register schreiben. Hier muss sichergestellt werden, daß die Schreibreihenfolge der der Befehle entspricht. Beide Abhängigkeiten können durch Register Renaming vermindert werden! <span>Kapitel 7 - Branch Prediction Control Hazards (Jump / Branch Problematik) Sprungbefehle stellen einen Dorn im Auge einer jeden Pipeline dar, da diese besondere Vorkehrungen erfordern. Da das Ziel eines Sprungbefehles oft erst festgestellt werden muss, liegt diese Adresse erst ab der MEM ACCESS Phase bereit. Somit kann das erneute Laden des Programmcounters auch erst in dieser Phase geschehen. So verzögert sich das Holen des nächsten Befehles um einige Takte. Durch eine Optimierung der Pipeline kann zwar die stall-Phase verkleinert, aber nicht ausgeschlossen werden. (durch Verlegung des Sprungbedingungstests in die Decode-Phase) Welche Methoden gibt es zur Reduzierung von Sprungverlusten? Predict Not Taken / Predict-Taken (fixed prediction) Objektcode basiert (statisch) dynamisch Brach-Prediction mit History Buffern (correlating / non-correlating) Delayed-Branch Wie funktioniert die Predict-Not-Taken bzw. Predict-Taken Methodik? Hier wird nichts weiter gemacht als entweder alle Sprünge voreingestellt abzulehnen oder alle Sprünge ersteinmal ohne Gewähr duchzuführen. Allgemeine Programmstatistiken sagen aus, dass mehr bedingte Sprünge ausgeführt als abgewiesen werden. Wie funktioniert die Delayed-Branch Methode? Hier wird ein sprungunabhängiger Befehl in den Delay Slot eingeschleust. Dies muss somit schon von den Compilerbauern berücksichtigt werden. Um diese Bedingung zu Umgehen wird die "Cancelling Branches"-Technik eingesetzt. Im Mittel werden dann trotzdem die Branch-Verluste verringert. Durch ein zusätzliches Bit im Befehlscode gibt der Compiler die wahrscheinlichste Sprungrichtung an. Nun kann entsprechend dieser Annahme ein Befehl in den Delay Slot eingefügt werden, der nur gültig ist, wenn der Sprung richtig vorhergesagt war. Falls nicht wird der Delay-Slot-Befehl abgebrochen (gecancelt). Dynamische Branch-Prediction Um Wartezeiten durch bedingte Sprünge zu vermeiden, sollte das Sprungziel schon mit dem Ende der Fetch-Phase zur Verfügung stehen. Es gibt zwei Ansätze Sprungzielspeicher (branch-target-buffer = BTB) Sprungvorhersage-Puffer (Branch History Table = BHT) Wie arbeitet eine Branch History Table? In dieser Tabelle wird im Grunde nur durch ein Bit (oder mehr) vermerkt, ob ein Sprung durchgeführt wurde oder nicht. Als Index der Tabelle dient der niederwertige Teil der Adresse des dazugehörigen Sprungbefehls. Nun kann die Pipeline in der Fetchphase nach einem eventuell vorhandenen Eintrag schauen und diesen als Entscheidungsgrundlage nehmen. Welchen Nachteil hat die 1-Bit Sprungvorhersage? Es wird nicht nur bei einem Schleifenaustritt der Sprung falsch vorhergesagt, sondern auch die erste Vorhersage bei erneuter Verwendung der Schleife. Wie arbeitet die 2-Bit-Sprungvorhersage mit BHT? Durch einen einfachen Zähler kann man den Nachteil der 1-Bit-Vorhersage minimieren. Hier wird die Vorhersage erst geändert, wenn sie zweimal falsch war. Es hat sich gezeigt, daß durch Zähler mit mehr als 2 Bit sich die Performance nicht weiter signifikant erhöhen läßt. Abb.: 2-Bit-Sprungvorhersagenautomat Wie arbeitet der Branch-Target-Buffer? Hier wird die Zieladresse eines gemachten Sprungs direkt gespeichert, um diese gegebenfalls ohne Verzögerung wiederzuverwenden. So kann bei einem Hit (Index stimmt mit Befehlsadresse überein) sofort der Instruction Counter mit der dazugehörigen Sprungadresse geladen werden). Exeptions Exeptions unterbrechen den Programmablauf Aufgrund verschiedenster Fehler oder Anforderungen, wie Softwareinterrupts, Page Faults oder anderen Verletzungen. Bei synchronen Exeptions treten die Fehler stehts an der gleichen Programmstelle auf. Asynchrone werden durch externe Geräte ausgelöst und können nach dem laufenden Befehl ausgeführt werden. Was sind Precice Exeptions? Sind Exeptions, welche garantieren, dass die Exeptions direkt nach oder während des Befehles ausgeführt werden und kein Folgebefehl vorher abgearbeitet wird. Zusammenfassung der Sprungvorhersage Sprungvorhersage ist extrem wichtig für Pipelining und Superskalarität, um stalls und Verzögerungen zu minimieren. Bei statischer Vorhersage werden Rückwärtssprünge meist erst durchgeführt und Vorwärtssprünge nicht. Wurde ein Sprung falsch vorhergesagt, muss die angefangene Instruktion rückgängig gemacht werden, was aufwendig ist. Deshalb gibt es ausgeklügelte Verfahren für die Branch Prediction. Statische Sprungvorhersage Es werden Compiler benutzt, die spezielle Sprungbefehle mitführen, welche ein Bit für die Sprungvorhersage enthalten. Da der Compiler ja weiß, wie oft eine Schleife durchlaufen wird, ist das sehr effizient. Dies muss aber architektonisch von der Hardware unterstützt werden. Des Weiteren ist kein Speicher für die History Table notwendig, was es kostengünstiger macht. Statische Verfahren erreichen eine Trefferrate von 65 bis 85%, was für moderne CPU's mit Superpipelines zu wenig ist. Dynamische Verfahren erreichen Trefferraten bei der Vorhersage von 98% und mehr! Dynamische Sprungvorhersage Es gibt zwei grundlegende Methoden. BHT und BTB. Die Branch History Table (Branch Predicion Buffer) ist ein Cache, in der alle bedingten Sprünge protokolliert werden. ( bis zu mehereren Tausend) Einfachste Version enthält ein Valid-Bit (Branch taken oder nicht), welches durch den niederwertigen Teil der Sprungadresse adressiert wird. Kompliziere Implementationen arbeiten nach dem n-Wege Prinzip. Durch Second Chance kann dieses Verfahren noch verbessert werden. Der Branch Target Buffer speichert nicht nur die taken-Bits, sondern auch die Sprungzieladresse, um null Verluste bei wiederholtem Aufruf zu haben. Das setzt voraus, dass nur taken branches aufgenommen werden. Bei einem Hit in der BTB kann somit während der Fetch Phase der Program Counter überschrieben werden. Werden keine History Bits mitgeführt spricht man vom BTAB. Wie arbeitet Second Chance? Nach Beenden einer Schleife wird ein Sprung logischerweise falsch vorhergesagt. Um zu vermeiden, dass nun fälschlicherweise das Sprungbit falsch gesetzt wird (da ja die gleiche Schleife noch mal durchlaufen werden kann), ändert man dieses erst nach der zweiten falschen Vorhersage. Leicht zu implementieren als Finite State Machine mit vier Zuständen. Nachteil der dynamischen Vorhersage ist die notwendige teuere und komplexere Hardware. Was ist der Vorteil von BHT gegenüber BTB? Branch Target Buffer loggen nur, ob ein Sprung genommen wurde oder nicht. Daher gibt es bei MIPS-Architekturen die BTB verwenden immernoch die sogenannten Branch Delay Slots, da die Sprungadresse trotzdem neu ermittelt werden muss. BHT beseitigen diesen Nachteil, da sie die Sprungadresse mit abspeichern und diese dann sofort in den IP geladen werden kann. Was sind Correlating Predictors? Betrachten wir folgendes Codefragment, fällt uns auf, daß ein Branch Predictor, der nur einen Sprung als Entscheidungsgrundlage einbezieht, den Zusammenhang der drei Sprünge nicht erkennen kann. if (a==10) //1. Sprung a=0; if (b=0) //2. Sprung b=0; if (a!=b){ //3. Sprung ... //abhängig von 1. und 2. Sprung } Um diese Abhängigkeiten in eine Sprungvorhersage einbeziehen zu können, sind Correlating Predictors notwendig. Solche Einheiten werden oft als (m,n)-Predictors bezeichnet. protokolliert wird das Verhalten der letzten m Sprünge je mit einem n-Bit Predictor (z.B. 2-Bit Second Chance) somit wird aus 2^m*n-Bit Preticors ausgewählt, um Vorhersage für den jeweiligen Sprung zu treffen Wie werden Correlating Predictors hardwaremäßig implementiert? Das Implementieren dieser Predictors ist weitaus einfacher, als man es annehmen würde. Es wird einfach für die History-Bits ein m-Bit-Shift Register verwendet, um die letzten m Sprünge zu speichern. Welche Performancesteigerung ist durch Correlating Predictors erreichbar? Eqntott ist ein Benchmark, welches speziell mehrere voneinander abhängige Sprünge simuliert. Hier sinkt die Fehlvorhersage von 20% auf unter 8%! Beim GCC-Compiler sind dagegen keine Unterschiede zwischen Correlating Predictors und normaler 2-Bit Sprungvorhersage erkennbar. Kapitel 8 - Superskalarität Was bedeutet superskalar? Mit normalen Pipelines (Überlappen von Instruktionen) ist nur eine maximale Performance von einem Befehl / Takt technisch und theor






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Asynchrone Interrupts werden durch [...] ausgelöst und können nach dem laufenden Befehl ausgeführt werden.
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externe Geräte

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Asynchrone Interrupts werden durch externe Geräte ausgelöst und können nach dem laufenden Befehl ausgeführt werden.

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und das selbe Register schreiben. Hier muss sichergestellt werden, daß die Schreibreihenfolge der der Befehle entspricht. Beide Abhängigkeiten können durch Register Renaming vermindert werden! <span>Kapitel 7 - Branch Prediction Control Hazards (Jump / Branch Problematik) Sprungbefehle stellen einen Dorn im Auge einer jeden Pipeline dar, da diese besondere Vorkehrungen erfordern. Da das Ziel eines Sprungbefehles oft erst festgestellt werden muss, liegt diese Adresse erst ab der MEM ACCESS Phase bereit. Somit kann das erneute Laden des Programmcounters auch erst in dieser Phase geschehen. So verzögert sich das Holen des nächsten Befehles um einige Takte. Durch eine Optimierung der Pipeline kann zwar die stall-Phase verkleinert, aber nicht ausgeschlossen werden. (durch Verlegung des Sprungbedingungstests in die Decode-Phase) Welche Methoden gibt es zur Reduzierung von Sprungverlusten? Predict Not Taken / Predict-Taken (fixed prediction) Objektcode basiert (statisch) dynamisch Brach-Prediction mit History Buffern (correlating / non-correlating) Delayed-Branch Wie funktioniert die Predict-Not-Taken bzw. Predict-Taken Methodik? Hier wird nichts weiter gemacht als entweder alle Sprünge voreingestellt abzulehnen oder alle Sprünge ersteinmal ohne Gewähr duchzuführen. Allgemeine Programmstatistiken sagen aus, dass mehr bedingte Sprünge ausgeführt als abgewiesen werden. Wie funktioniert die Delayed-Branch Methode? Hier wird ein sprungunabhängiger Befehl in den Delay Slot eingeschleust. Dies muss somit schon von den Compilerbauern berücksichtigt werden. Um diese Bedingung zu Umgehen wird die "Cancelling Branches"-Technik eingesetzt. Im Mittel werden dann trotzdem die Branch-Verluste verringert. Durch ein zusätzliches Bit im Befehlscode gibt der Compiler die wahrscheinlichste Sprungrichtung an. Nun kann entsprechend dieser Annahme ein Befehl in den Delay Slot eingefügt werden, der nur gültig ist, wenn der Sprung richtig vorhergesagt war. Falls nicht wird der Delay-Slot-Befehl abgebrochen (gecancelt). Dynamische Branch-Prediction Um Wartezeiten durch bedingte Sprünge zu vermeiden, sollte das Sprungziel schon mit dem Ende der Fetch-Phase zur Verfügung stehen. Es gibt zwei Ansätze Sprungzielspeicher (branch-target-buffer = BTB) Sprungvorhersage-Puffer (Branch History Table = BHT) Wie arbeitet eine Branch History Table? In dieser Tabelle wird im Grunde nur durch ein Bit (oder mehr) vermerkt, ob ein Sprung durchgeführt wurde oder nicht. Als Index der Tabelle dient der niederwertige Teil der Adresse des dazugehörigen Sprungbefehls. Nun kann die Pipeline in der Fetchphase nach einem eventuell vorhandenen Eintrag schauen und diesen als Entscheidungsgrundlage nehmen. Welchen Nachteil hat die 1-Bit Sprungvorhersage? Es wird nicht nur bei einem Schleifenaustritt der Sprung falsch vorhergesagt, sondern auch die erste Vorhersage bei erneuter Verwendung der Schleife. Wie arbeitet die 2-Bit-Sprungvorhersage mit BHT? Durch einen einfachen Zähler kann man den Nachteil der 1-Bit-Vorhersage minimieren. Hier wird die Vorhersage erst geändert, wenn sie zweimal falsch war. Es hat sich gezeigt, daß durch Zähler mit mehr als 2 Bit sich die Performance nicht weiter signifikant erhöhen läßt. Abb.: 2-Bit-Sprungvorhersagenautomat Wie arbeitet der Branch-Target-Buffer? Hier wird die Zieladresse eines gemachten Sprungs direkt gespeichert, um diese gegebenfalls ohne Verzögerung wiederzuverwenden. So kann bei einem Hit (Index stimmt mit Befehlsadresse überein) sofort der Instruction Counter mit der dazugehörigen Sprungadresse geladen werden). Exeptions Exeptions unterbrechen den Programmablauf Aufgrund verschiedenster Fehler oder Anforderungen, wie Softwareinterrupts, Page Faults oder anderen Verletzungen. Bei synchronen Exeptions treten die Fehler stehts an der gleichen Programmstelle auf. Asynchrone werden durch externe Geräte ausgelöst und können nach dem laufenden Befehl ausgeführt werden. Was sind Precice Exeptions? Sind Exeptions, welche garantieren, dass die Exeptions direkt nach oder während des Befehles ausgeführt werden und kein Folgebefehl vorher abgearbeitet wird. Zusammenfassung der Sprungvorhersage Sprungvorhersage ist extrem wichtig für Pipelining und Superskalarität, um stalls und Verzögerungen zu minimieren. Bei statischer Vorhersage werden Rückwärtssprünge meist erst durchgeführt und Vorwärtssprünge nicht. Wurde ein Sprung falsch vorhergesagt, muss die angefangene Instruktion rückgängig gemacht werden, was aufwendig ist. Deshalb gibt es ausgeklügelte Verfahren für die Branch Prediction. Statische Sprungvorhersage Es werden Compiler benutzt, die spezielle Sprungbefehle mitführen, welche ein Bit für die Sprungvorhersage enthalten. Da der Compiler ja weiß, wie oft eine Schleife durchlaufen wird, ist das sehr effizient. Dies muss aber architektonisch von der Hardware unterstützt werden. Des Weiteren ist kein Speicher für die History Table notwendig, was es kostengünstiger macht. Statische Verfahren erreichen eine Trefferrate von 65 bis 85%, was für moderne CPU's mit Superpipelines zu wenig ist. Dynamische Verfahren erreichen Trefferraten bei der Vorhersage von 98% und mehr! Dynamische Sprungvorhersage Es gibt zwei grundlegende Methoden. BHT und BTB. Die Branch History Table (Branch Predicion Buffer) ist ein Cache, in der alle bedingten Sprünge protokolliert werden. ( bis zu mehereren Tausend) Einfachste Version enthält ein Valid-Bit (Branch taken oder nicht), welches durch den niederwertigen Teil der Sprungadresse adressiert wird. Kompliziere Implementationen arbeiten nach dem n-Wege Prinzip. Durch Second Chance kann dieses Verfahren noch verbessert werden. Der Branch Target Buffer speichert nicht nur die taken-Bits, sondern auch die Sprungzieladresse, um null Verluste bei wiederholtem Aufruf zu haben. Das setzt voraus, dass nur taken branches aufgenommen werden. Bei einem Hit in der BTB kann somit während der Fetch Phase der Program Counter überschrieben werden. Werden keine History Bits mitgeführt spricht man vom BTAB. Wie arbeitet Second Chance? Nach Beenden einer Schleife wird ein Sprung logischerweise falsch vorhergesagt. Um zu vermeiden, dass nun fälschlicherweise das Sprungbit falsch gesetzt wird (da ja die gleiche Schleife noch mal durchlaufen werden kann), ändert man dieses erst nach der zweiten falschen Vorhersage. Leicht zu implementieren als Finite State Machine mit vier Zuständen. Nachteil der dynamischen Vorhersage ist die notwendige teuere und komplexere Hardware. Was ist der Vorteil von BHT gegenüber BTB? Branch Target Buffer loggen nur, ob ein Sprung genommen wurde oder nicht. Daher gibt es bei MIPS-Architekturen die BTB verwenden immernoch die sogenannten Branch Delay Slots, da die Sprungadresse trotzdem neu ermittelt werden muss. BHT beseitigen diesen Nachteil, da sie die Sprungadresse mit abspeichern und diese dann sofort in den IP geladen werden kann. Was sind Correlating Predictors? Betrachten wir folgendes Codefragment, fällt uns auf, daß ein Branch Predictor, der nur einen Sprung als Entscheidungsgrundlage einbezieht, den Zusammenhang der drei Sprünge nicht erkennen kann. if (a==10) //1. Sprung a=0; if (b=0) //2. Sprung b=0; if (a!=b){ //3. Sprung ... //abhängig von 1. und 2. Sprung } Um diese Abhängigkeiten in eine Sprungvorhersage einbeziehen zu können, sind Correlating Predictors notwendig. Solche Einheiten werden oft als (m,n)-Predictors bezeichnet. protokolliert wird das Verhalten der letzten m Sprünge je mit einem n-Bit Predictor (z.B. 2-Bit Second Chance) somit wird aus 2^m*n-Bit Preticors ausgewählt, um Vorhersage für den jeweiligen Sprung zu treffen Wie werden Correlating Predictors hardwaremäßig implementiert? Das Implementieren dieser Predictors ist weitaus einfacher, als man es annehmen würde. Es wird einfach für die History-Bits ein m-Bit-Shift Register verwendet, um die letzten m Sprünge zu speichern. Welche Performancesteigerung ist durch Correlating Predictors erreichbar? Eqntott ist ein Benchmark, welches speziell mehrere voneinander abhängige Sprünge simuliert. Hier sinkt die Fehlvorhersage von 20% auf unter 8%! Beim GCC-Compiler sind dagegen keine Unterschiede zwischen Correlating Predictors und normaler 2-Bit Sprungvorhersage erkennbar. Kapitel 8 - Superskalarität Was bedeutet superskalar? Mit normalen Pipelines (Überlappen von Instruktionen) ist nur eine maximale Performance von einem Befehl / Takt technisch und theor






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Welche Schreibstrategien für Caches gibt es?

* Write-[...]
* Write- [EXPUNGED]
* Write- [EXPUNGED]

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Welche Schreibstrategien für Caches gibt es? * Write-Back * Write-Through * Write-Allocate

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
aubt : ) Preemptives Multitasking ist echtes Multitasking. Ein externer Timer steuert die Umschaltung der Tasks. Die Tasks können somit keinen Einfluss auf die Betriebsmittelumschaltung nehmen. <span>Kapitel 4 - Speicherhierarchie und Caches Was bedeutet die Eigenschaft Lokalität? Aus programmtechnischer Sicht wiederholen sich oft Befehle und ganze Programmteile. Somit werden Daten oft wiederholt angefordert. Es gibt nun zwei Arten von Lokalität: Was ist Zeitliche Lokalität? Auf ein gerade zugegriffenes Datum wird sicher bald wieder zugegriffen. Was ist Räumliche Lokalität? Auf Daten, deren Adressen benachbart sind, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zugegriffen. Anzumerken ist, daß Datenzugriffe eine geringere Lokalität zeigen als Befehlszugriffe. Nach welchen Merkmalen lassen sich Caches klassifizieren? Cache-Größe (damit verbundener Hardware-Aufwand) Größe einer Cachezeile (Verschmutzungseffekt) Cache-Organisation (Vollassoziativ/Direct Mapped/Satz-Assoziativ) Schreibstrategie (Write-Through /-Allocate oder -Back) Split-Cache-Design (Transfer-Bandbreiten) Multi-level Cache-Hierarchien (Workingssetgrößen) Effective Working Set (Overflow-, Victim-, Trace Cache) Innere Cache-Parallelität (Streaming) Kohärenz-Verfahren (Snooping, MESI) Wie ist ein Cache aufgebaut? Zeile 1 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 2 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 3 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) ... Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile n Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Control-Bits sind z.B. Valid-Bits, Dirty-Bits und Prozess-ID. Das Adress-Tag ist nichts weiter als ein Teil der Adresse, welche bei einem Zugriff als Index gilt. Ein Datenblock ist in der Praxis meistens zwischen 16 und 64 KByte groß. Welche Cache-Arten kennen Sie? Ein Cache-Eintrag besteht aus einem Tag (Identifikator) und den Daten. Die Implementierung unterscheidet sich. Es gibt voll-, einfach assoziative und Satzassoziative Caches . Wie arbeitet ein vollassoziativer Cache? Das Tag Feld ist hier die assoziierende Adresse des Datums im Speicher. Die Hardware ist bei vollassoziativen Caches aufwendig, da diese bei einem Cache Zugriff alle Tags gleichzeitig mit der anliegenden Adresse vergleicht. Dies ist zwar extrem schnell, aber sehr teuer. Außerdem wird er sehr langsam wenn die Anzahl der Cachezeilen hinreichend groß wird. Da bei vollassoziativen Cachen ein Datum an jede Stelle des Caches platziert werden kann, muss eine Logik her, welche eine Entscheidung trifft. Als Plazierungsstrategie wird oft LRU verwendet. Dies ist seht aufwendig! Wie arbeitet ein Direct-Mapped-Cache (einfach assoziativer Cache)? Beim Direct-Mapped-Cache entscheidet eine Map-Funktion, welche Zeile im Cache mit der anliegenden Adresse referenziert wird (somit ist kein LRU o.ä. notwendig). Dabei wird einem Hauptspeicherblock genau ein Cache-Block zugeordnet (n:1 Beziehung). Oft wird eine Funktion wie (A mod Cachesize / Zeilengröße) zur Berechnung der Cachezeile aus der anliegenden Adresse benutzt, da bei diesem Verfahren dann nur (A / Cachesize) als Tag in jeder Cachezeile gespeichert werden muss. Vorteil dieser Variante ist die einfache, kostengünstige Integration (nur Komperator notwendig) und die hohe Geschwindigkeit. Leider neigt ein Direct-Mapped-Cache zu vielen Konflikten (ähnlich den Kollisionen bei Hash-Tables), welche zusätzliche Cache-Misses bildet, da mehrere Adressen auf die gleiche Cachezeile verweisen. Wie arbeitet ein n-Wege-Satz Cache (Satzassoziativer Cache)? Diese Variante ist nichts anderes als eine Implementation mehrerer parallel verknüpfter Direct-Mapped-Caches. Sie stellt quasi einen Kompromiss zwischen Cache-Effizienz und Aufwand dar. Die Arbeitsweise ist die gleiche, nur das die Map-Funktion nicht nur auf eine Zeile im Speicher zeigt, sondern auf n. Die Hardware des Caches vergleicht alle n Tags gleichzeitig, mit dem anliegenden Index. Ist eine der Tags gleich dem Index, ist dies ein Cache-Hit. Diese Technik reduziert die hohe Anfälligkeit von Direct-Mapped-Caches für Konflikte, benötigt aber mehr Chipfläche. Welche Schreibstrategien für Caches gibt es? Write-Back,Write-Throug und Write-Allocate. Write-Back-Strategie? Ein zu lesendes Datum wird entweder bei einem Hit aus dem Cache gelesen oder im Falle eines Misses, aus dem Hauptspeicher geholt und parallel in den Cache eingetragen. Im Falle der Aktualisierung, muss erst das Dirty-Bit der zu überschreibenden Cache-Line geprüft werden, um diese gegebenenfalls in den Hauptspeicher zurückzuschreiben. (Write-Back) Vorteil dieser Strategie ist das bei Hits kein Hauptspeicherverkehr oder Busbelastung auftritt. Alle Operationen können schnell innerhalb der Working-Sets mit Cache-Speed erfolgen. Somit arbeitet die CPU ungebremst. Problematisch wird dies, wenn mehrere Bus-Master am Bus hängen. Um Inkonsistenzen zu vermeiden sind dann spezielle Synchronisationsprotololle wie MESI notwendig. Concurrent Write-Back? Bei einfachen Write-Back-Caches muss die CPU im Falle eines Cache-Misses warten, bis die neue Cache-Line aus dem Speicher geholt wurde. Um diese Wartezeit im Mittel zu eliminieren, wird die alte Zeile zunächst in einen Writebuffer zwischengespeichert und später, parallel zu nachfolgenden Cache-Referenzen in den Hauptspeicher übernommen. (Sonderform: Buffered Line Refill) Wenn auch beim Lesen ein Line-(Read)-Buffer verwendet wird, spricht man von einem Streaming Cache. Write-Through-Strategie? Write-Through schreibt immer in den Hauptspeicher und falls sich eine Kopie auch im Cache befindet, so wird diese aktualisiert. Genau aus diesem Grund ist kein Rückschreiben eines Dirty-Datums notwendig, da es zu keinen Inkonsistenzen zwischen RAM und Cache kommen kann. Nachteil ist aber, dass nur bei Leseoperationen ein Geschwindigkeitsvorteil erzielt werden kann Buffered Write-Through Im Mittel erfolgen nach jeder Write-Operation zwei Read-Operationen. Deshalb kann ein Geschwindigkeitsgewinn erzielt werden, wenn ein schneller Zwischenbuffer (FiFo) vor dem Speicher plaziert wird, welcher einige Write-Operationen aufnehmen kann. Wird nun eine Leseoperation ausgeführt, so kann das Datum falls es noch in dem schnellen Buffer steht, direkt aus diesem gelesen werden. Write Allocate Hier wird immer in den Hauptspeicher und in den Cache geschrieben - auch wenn das Datum sich noch nicht im Cache befand. Zusammenspiel bei Cache-Misses Write-Allocate wird meistens mit Write-Back Strategie gemeinsam verwendet. Write-Allocate bedeutet dabei nichts weiter, als das der Hauptspeicher-Block in den Cache geladen wird. Beim No-write-Allocate (Write-Around) wird das Datum direkt im Hauptspeicher modifiziert, weshalb Write Around meist mit Write-Through verbunden wird. Zusammenfassung Caches Write-Back wird üblicherweise mit Write-Allocate kombiniert. Beim Write Allocate (fetch-on-write) wird ein Block gelesen und in Cache gespeichert. Beim No-write-allocate (write-around) wird der Block in der unteren Ebene der Speicherhierarchie modifiziert und nicht nicht im Cache geladen. No-write-allocate wird deshalb meist bei Write-through verwendet. Was ist der Unterschied zwischen einen logischen und einen physischen Cache? Physische Caches liegen vor der MMU und speichern somit nur physikalische Adressen. Ein logischer Cache liegt zwischen CPU und MMU und speichert logische Adressen. Vorteil von logischen Caches ist daher, dass die Adressumrechnung bei einem Hit entfällt. Ein großer Nachteil sind aber die Synonym-Probleme bei Multiprozessorsystemen. Des weiteren wird bei Taskwechsel ein Cache-Flush notwendig. Multi-Level-Caches und Split-Caches Durch Hintereinanderlegen von verschiedenen Caches kann ein gleitender Übergang zu immer größeren und langsameren Speichern erreicht werden. First Level Caches sind meist n-Wege-Satzassoziativ und folgende Direct-Mapped. Split-Caches trennen Code und Daten und sind somit viel flexibler und besser an das Zugriffsverhalten in Bezug auf Strategie oder Assoziativität zu optimieren. Dabei unterscheidet man eine Havard-Architektur von der multiplexed Havard-Architektur (von Neumann Prinzip). Die reine Harvard trennt nicht nur Cache sondern auch den Hauptspeicher in Daten und Codebereich. Bei von Neumann liegen Daten und Code zusammen im Hauptspeicher und werden nur im Cache getrennt. Durch Trennung von Code und Daten verdoppelt sich die Bandbreite, da zeitgleich zugegriffen werden kann. Was geschieht wenn kein Platz mehr im Cache vorhanden ist? Es muss eine Cache-Line ausgewählt werden, die mit den neuen benötigten Daten überschrieben werden kann. Die Auswahl erfolgt meistens mit LRU - Last Recently Used. D.h. die am längsten nicht genutzte Cache-Line fliegt raus. Was ist ein Burst-Cache? Burst Caches schreiben nicht nur eine Zeile in den Speicher zurück, sondern gleich mehrere, um die Bandbreite auszunutzen und somit Zeit zu sparen. Zusammenhänge zwischen Caches, TLB's und Page Tables Folgende vier Fragen stellen sich bei Caches, TLB's und auch bei Page Tables: Wo kann ein Block eingelagert werden? (Direct Mapped also nur an einem Ort, Set Assoziativ an mehreren Orten oder Voll Assoziativ, also überall) Wie kann ein Block gefunden werden? (indexiert, limitierte Suche, komplette Suche oder lookup table wie Page Tables) Wie wird ein Block bei einem Miss aktualisiert? (normalerweise über LRU oder random Methoden) Wie wird mit Schreiboperationen umgegangen? (Write Through oder Write Back) Ein TLB ist ein Translation Lookaside Buffer und ist ein kleiner Cache für die Page Table, um Seitenzugriffe zu beschleunigen. Was ist ein Trace-Cache Ein Trace Cache ist ein spezieller Befehlscache, der "Traces" des aktuellen Programmlauf protokolliert. Dabei speichert jede Zeile einen Trace, welcher typisch mehrere taken branches enthalten kann. Befehlsfolgen, die aufgrund von taken branches (weit) auseinander liegen, werden in kontinuierlicher Folge abgespeichert. Gepaart mit multiple branch prediction können mehrere zusammenhängende Basisblöcke parallel gefetched werden. (ergibt hohe issue rate) Kapitel 5 - Risc Wie berechnet sich die Prozessorleistung? Die Prozessorleistung ist umgekehrt proportional zur Ausführungszeit eines Algorithmus und wird aus folgenden drei Parametern






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Welche Schreibstrategien für Caches gibt es?

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
aubt : ) Preemptives Multitasking ist echtes Multitasking. Ein externer Timer steuert die Umschaltung der Tasks. Die Tasks können somit keinen Einfluss auf die Betriebsmittelumschaltung nehmen. <span>Kapitel 4 - Speicherhierarchie und Caches Was bedeutet die Eigenschaft Lokalität? Aus programmtechnischer Sicht wiederholen sich oft Befehle und ganze Programmteile. Somit werden Daten oft wiederholt angefordert. Es gibt nun zwei Arten von Lokalität: Was ist Zeitliche Lokalität? Auf ein gerade zugegriffenes Datum wird sicher bald wieder zugegriffen. Was ist Räumliche Lokalität? Auf Daten, deren Adressen benachbart sind, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zugegriffen. Anzumerken ist, daß Datenzugriffe eine geringere Lokalität zeigen als Befehlszugriffe. Nach welchen Merkmalen lassen sich Caches klassifizieren? Cache-Größe (damit verbundener Hardware-Aufwand) Größe einer Cachezeile (Verschmutzungseffekt) Cache-Organisation (Vollassoziativ/Direct Mapped/Satz-Assoziativ) Schreibstrategie (Write-Through /-Allocate oder -Back) Split-Cache-Design (Transfer-Bandbreiten) Multi-level Cache-Hierarchien (Workingssetgrößen) Effective Working Set (Overflow-, Victim-, Trace Cache) Innere Cache-Parallelität (Streaming) Kohärenz-Verfahren (Snooping, MESI) Wie ist ein Cache aufgebaut? Zeile 1 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 2 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 3 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) ... Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile n Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Control-Bits sind z.B. Valid-Bits, Dirty-Bits und Prozess-ID. Das Adress-Tag ist nichts weiter als ein Teil der Adresse, welche bei einem Zugriff als Index gilt. Ein Datenblock ist in der Praxis meistens zwischen 16 und 64 KByte groß. Welche Cache-Arten kennen Sie? Ein Cache-Eintrag besteht aus einem Tag (Identifikator) und den Daten. Die Implementierung unterscheidet sich. Es gibt voll-, einfach assoziative und Satzassoziative Caches . Wie arbeitet ein vollassoziativer Cache? Das Tag Feld ist hier die assoziierende Adresse des Datums im Speicher. Die Hardware ist bei vollassoziativen Caches aufwendig, da diese bei einem Cache Zugriff alle Tags gleichzeitig mit der anliegenden Adresse vergleicht. Dies ist zwar extrem schnell, aber sehr teuer. Außerdem wird er sehr langsam wenn die Anzahl der Cachezeilen hinreichend groß wird. Da bei vollassoziativen Cachen ein Datum an jede Stelle des Caches platziert werden kann, muss eine Logik her, welche eine Entscheidung trifft. Als Plazierungsstrategie wird oft LRU verwendet. Dies ist seht aufwendig! Wie arbeitet ein Direct-Mapped-Cache (einfach assoziativer Cache)? Beim Direct-Mapped-Cache entscheidet eine Map-Funktion, welche Zeile im Cache mit der anliegenden Adresse referenziert wird (somit ist kein LRU o.ä. notwendig). Dabei wird einem Hauptspeicherblock genau ein Cache-Block zugeordnet (n:1 Beziehung). Oft wird eine Funktion wie (A mod Cachesize / Zeilengröße) zur Berechnung der Cachezeile aus der anliegenden Adresse benutzt, da bei diesem Verfahren dann nur (A / Cachesize) als Tag in jeder Cachezeile gespeichert werden muss. Vorteil dieser Variante ist die einfache, kostengünstige Integration (nur Komperator notwendig) und die hohe Geschwindigkeit. Leider neigt ein Direct-Mapped-Cache zu vielen Konflikten (ähnlich den Kollisionen bei Hash-Tables), welche zusätzliche Cache-Misses bildet, da mehrere Adressen auf die gleiche Cachezeile verweisen. Wie arbeitet ein n-Wege-Satz Cache (Satzassoziativer Cache)? Diese Variante ist nichts anderes als eine Implementation mehrerer parallel verknüpfter Direct-Mapped-Caches. Sie stellt quasi einen Kompromiss zwischen Cache-Effizienz und Aufwand dar. Die Arbeitsweise ist die gleiche, nur das die Map-Funktion nicht nur auf eine Zeile im Speicher zeigt, sondern auf n. Die Hardware des Caches vergleicht alle n Tags gleichzeitig, mit dem anliegenden Index. Ist eine der Tags gleich dem Index, ist dies ein Cache-Hit. Diese Technik reduziert die hohe Anfälligkeit von Direct-Mapped-Caches für Konflikte, benötigt aber mehr Chipfläche. Welche Schreibstrategien für Caches gibt es? Write-Back,Write-Throug und Write-Allocate. Write-Back-Strategie? Ein zu lesendes Datum wird entweder bei einem Hit aus dem Cache gelesen oder im Falle eines Misses, aus dem Hauptspeicher geholt und parallel in den Cache eingetragen. Im Falle der Aktualisierung, muss erst das Dirty-Bit der zu überschreibenden Cache-Line geprüft werden, um diese gegebenenfalls in den Hauptspeicher zurückzuschreiben. (Write-Back) Vorteil dieser Strategie ist das bei Hits kein Hauptspeicherverkehr oder Busbelastung auftritt. Alle Operationen können schnell innerhalb der Working-Sets mit Cache-Speed erfolgen. Somit arbeitet die CPU ungebremst. Problematisch wird dies, wenn mehrere Bus-Master am Bus hängen. Um Inkonsistenzen zu vermeiden sind dann spezielle Synchronisationsprotololle wie MESI notwendig. Concurrent Write-Back? Bei einfachen Write-Back-Caches muss die CPU im Falle eines Cache-Misses warten, bis die neue Cache-Line aus dem Speicher geholt wurde. Um diese Wartezeit im Mittel zu eliminieren, wird die alte Zeile zunächst in einen Writebuffer zwischengespeichert und später, parallel zu nachfolgenden Cache-Referenzen in den Hauptspeicher übernommen. (Sonderform: Buffered Line Refill) Wenn auch beim Lesen ein Line-(Read)-Buffer verwendet wird, spricht man von einem Streaming Cache. Write-Through-Strategie? Write-Through schreibt immer in den Hauptspeicher und falls sich eine Kopie auch im Cache befindet, so wird diese aktualisiert. Genau aus diesem Grund ist kein Rückschreiben eines Dirty-Datums notwendig, da es zu keinen Inkonsistenzen zwischen RAM und Cache kommen kann. Nachteil ist aber, dass nur bei Leseoperationen ein Geschwindigkeitsvorteil erzielt werden kann Buffered Write-Through Im Mittel erfolgen nach jeder Write-Operation zwei Read-Operationen. Deshalb kann ein Geschwindigkeitsgewinn erzielt werden, wenn ein schneller Zwischenbuffer (FiFo) vor dem Speicher plaziert wird, welcher einige Write-Operationen aufnehmen kann. Wird nun eine Leseoperation ausgeführt, so kann das Datum falls es noch in dem schnellen Buffer steht, direkt aus diesem gelesen werden. Write Allocate Hier wird immer in den Hauptspeicher und in den Cache geschrieben - auch wenn das Datum sich noch nicht im Cache befand. Zusammenspiel bei Cache-Misses Write-Allocate wird meistens mit Write-Back Strategie gemeinsam verwendet. Write-Allocate bedeutet dabei nichts weiter, als das der Hauptspeicher-Block in den Cache geladen wird. Beim No-write-Allocate (Write-Around) wird das Datum direkt im Hauptspeicher modifiziert, weshalb Write Around meist mit Write-Through verbunden wird. Zusammenfassung Caches Write-Back wird üblicherweise mit Write-Allocate kombiniert. Beim Write Allocate (fetch-on-write) wird ein Block gelesen und in Cache gespeichert. Beim No-write-allocate (write-around) wird der Block in der unteren Ebene der Speicherhierarchie modifiziert und nicht nicht im Cache geladen. No-write-allocate wird deshalb meist bei Write-through verwendet. Was ist der Unterschied zwischen einen logischen und einen physischen Cache? Physische Caches liegen vor der MMU und speichern somit nur physikalische Adressen. Ein logischer Cache liegt zwischen CPU und MMU und speichert logische Adressen. Vorteil von logischen Caches ist daher, dass die Adressumrechnung bei einem Hit entfällt. Ein großer Nachteil sind aber die Synonym-Probleme bei Multiprozessorsystemen. Des weiteren wird bei Taskwechsel ein Cache-Flush notwendig. Multi-Level-Caches und Split-Caches Durch Hintereinanderlegen von verschiedenen Caches kann ein gleitender Übergang zu immer größeren und langsameren Speichern erreicht werden. First Level Caches sind meist n-Wege-Satzassoziativ und folgende Direct-Mapped. Split-Caches trennen Code und Daten und sind somit viel flexibler und besser an das Zugriffsverhalten in Bezug auf Strategie oder Assoziativität zu optimieren. Dabei unterscheidet man eine Havard-Architektur von der multiplexed Havard-Architektur (von Neumann Prinzip). Die reine Harvard trennt nicht nur Cache sondern auch den Hauptspeicher in Daten und Codebereich. Bei von Neumann liegen Daten und Code zusammen im Hauptspeicher und werden nur im Cache getrennt. Durch Trennung von Code und Daten verdoppelt sich die Bandbreite, da zeitgleich zugegriffen werden kann. Was geschieht wenn kein Platz mehr im Cache vorhanden ist? Es muss eine Cache-Line ausgewählt werden, die mit den neuen benötigten Daten überschrieben werden kann. Die Auswahl erfolgt meistens mit LRU - Last Recently Used. D.h. die am längsten nicht genutzte Cache-Line fliegt raus. Was ist ein Burst-Cache? Burst Caches schreiben nicht nur eine Zeile in den Speicher zurück, sondern gleich mehrere, um die Bandbreite auszunutzen und somit Zeit zu sparen. Zusammenhänge zwischen Caches, TLB's und Page Tables Folgende vier Fragen stellen sich bei Caches, TLB's und auch bei Page Tables: Wo kann ein Block eingelagert werden? (Direct Mapped also nur an einem Ort, Set Assoziativ an mehreren Orten oder Voll Assoziativ, also überall) Wie kann ein Block gefunden werden? (indexiert, limitierte Suche, komplette Suche oder lookup table wie Page Tables) Wie wird ein Block bei einem Miss aktualisiert? (normalerweise über LRU oder random Methoden) Wie wird mit Schreiboperationen umgegangen? (Write Through oder Write Back) Ein TLB ist ein Translation Lookaside Buffer und ist ein kleiner Cache für die Page Table, um Seitenzugriffe zu beschleunigen. Was ist ein Trace-Cache Ein Trace Cache ist ein spezieller Befehlscache, der "Traces" des aktuellen Programmlauf protokolliert. Dabei speichert jede Zeile einen Trace, welcher typisch mehrere taken branches enthalten kann. Befehlsfolgen, die aufgrund von taken branches (weit) auseinander liegen, werden in kontinuierlicher Folge abgespeichert. Gepaart mit multiple branch prediction können mehrere zusammenhängende Basisblöcke parallel gefetched werden. (ergibt hohe issue rate) Kapitel 5 - Risc Wie berechnet sich die Prozessorleistung? Die Prozessorleistung ist umgekehrt proportional zur Ausführungszeit eines Algorithmus und wird aus folgenden drei Parametern






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Welche Schreibstrategien für Caches gibt es?

* Write-Back
* Write-Through
* Write-[...]

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Allocate

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Welche Schreibstrategien für Caches gibt es? * Write-Back * Write-Through * Write-Allocate

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
aubt : ) Preemptives Multitasking ist echtes Multitasking. Ein externer Timer steuert die Umschaltung der Tasks. Die Tasks können somit keinen Einfluss auf die Betriebsmittelumschaltung nehmen. <span>Kapitel 4 - Speicherhierarchie und Caches Was bedeutet die Eigenschaft Lokalität? Aus programmtechnischer Sicht wiederholen sich oft Befehle und ganze Programmteile. Somit werden Daten oft wiederholt angefordert. Es gibt nun zwei Arten von Lokalität: Was ist Zeitliche Lokalität? Auf ein gerade zugegriffenes Datum wird sicher bald wieder zugegriffen. Was ist Räumliche Lokalität? Auf Daten, deren Adressen benachbart sind, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zugegriffen. Anzumerken ist, daß Datenzugriffe eine geringere Lokalität zeigen als Befehlszugriffe. Nach welchen Merkmalen lassen sich Caches klassifizieren? Cache-Größe (damit verbundener Hardware-Aufwand) Größe einer Cachezeile (Verschmutzungseffekt) Cache-Organisation (Vollassoziativ/Direct Mapped/Satz-Assoziativ) Schreibstrategie (Write-Through /-Allocate oder -Back) Split-Cache-Design (Transfer-Bandbreiten) Multi-level Cache-Hierarchien (Workingssetgrößen) Effective Working Set (Overflow-, Victim-, Trace Cache) Innere Cache-Parallelität (Streaming) Kohärenz-Verfahren (Snooping, MESI) Wie ist ein Cache aufgebaut? Zeile 1 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 2 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 3 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) ... Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile n Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Control-Bits sind z.B. Valid-Bits, Dirty-Bits und Prozess-ID. Das Adress-Tag ist nichts weiter als ein Teil der Adresse, welche bei einem Zugriff als Index gilt. Ein Datenblock ist in der Praxis meistens zwischen 16 und 64 KByte groß. Welche Cache-Arten kennen Sie? Ein Cache-Eintrag besteht aus einem Tag (Identifikator) und den Daten. Die Implementierung unterscheidet sich. Es gibt voll-, einfach assoziative und Satzassoziative Caches . Wie arbeitet ein vollassoziativer Cache? Das Tag Feld ist hier die assoziierende Adresse des Datums im Speicher. Die Hardware ist bei vollassoziativen Caches aufwendig, da diese bei einem Cache Zugriff alle Tags gleichzeitig mit der anliegenden Adresse vergleicht. Dies ist zwar extrem schnell, aber sehr teuer. Außerdem wird er sehr langsam wenn die Anzahl der Cachezeilen hinreichend groß wird. Da bei vollassoziativen Cachen ein Datum an jede Stelle des Caches platziert werden kann, muss eine Logik her, welche eine Entscheidung trifft. Als Plazierungsstrategie wird oft LRU verwendet. Dies ist seht aufwendig! Wie arbeitet ein Direct-Mapped-Cache (einfach assoziativer Cache)? Beim Direct-Mapped-Cache entscheidet eine Map-Funktion, welche Zeile im Cache mit der anliegenden Adresse referenziert wird (somit ist kein LRU o.ä. notwendig). Dabei wird einem Hauptspeicherblock genau ein Cache-Block zugeordnet (n:1 Beziehung). Oft wird eine Funktion wie (A mod Cachesize / Zeilengröße) zur Berechnung der Cachezeile aus der anliegenden Adresse benutzt, da bei diesem Verfahren dann nur (A / Cachesize) als Tag in jeder Cachezeile gespeichert werden muss. Vorteil dieser Variante ist die einfache, kostengünstige Integration (nur Komperator notwendig) und die hohe Geschwindigkeit. Leider neigt ein Direct-Mapped-Cache zu vielen Konflikten (ähnlich den Kollisionen bei Hash-Tables), welche zusätzliche Cache-Misses bildet, da mehrere Adressen auf die gleiche Cachezeile verweisen. Wie arbeitet ein n-Wege-Satz Cache (Satzassoziativer Cache)? Diese Variante ist nichts anderes als eine Implementation mehrerer parallel verknüpfter Direct-Mapped-Caches. Sie stellt quasi einen Kompromiss zwischen Cache-Effizienz und Aufwand dar. Die Arbeitsweise ist die gleiche, nur das die Map-Funktion nicht nur auf eine Zeile im Speicher zeigt, sondern auf n. Die Hardware des Caches vergleicht alle n Tags gleichzeitig, mit dem anliegenden Index. Ist eine der Tags gleich dem Index, ist dies ein Cache-Hit. Diese Technik reduziert die hohe Anfälligkeit von Direct-Mapped-Caches für Konflikte, benötigt aber mehr Chipfläche. Welche Schreibstrategien für Caches gibt es? Write-Back,Write-Throug und Write-Allocate. Write-Back-Strategie? Ein zu lesendes Datum wird entweder bei einem Hit aus dem Cache gelesen oder im Falle eines Misses, aus dem Hauptspeicher geholt und parallel in den Cache eingetragen. Im Falle der Aktualisierung, muss erst das Dirty-Bit der zu überschreibenden Cache-Line geprüft werden, um diese gegebenenfalls in den Hauptspeicher zurückzuschreiben. (Write-Back) Vorteil dieser Strategie ist das bei Hits kein Hauptspeicherverkehr oder Busbelastung auftritt. Alle Operationen können schnell innerhalb der Working-Sets mit Cache-Speed erfolgen. Somit arbeitet die CPU ungebremst. Problematisch wird dies, wenn mehrere Bus-Master am Bus hängen. Um Inkonsistenzen zu vermeiden sind dann spezielle Synchronisationsprotololle wie MESI notwendig. Concurrent Write-Back? Bei einfachen Write-Back-Caches muss die CPU im Falle eines Cache-Misses warten, bis die neue Cache-Line aus dem Speicher geholt wurde. Um diese Wartezeit im Mittel zu eliminieren, wird die alte Zeile zunächst in einen Writebuffer zwischengespeichert und später, parallel zu nachfolgenden Cache-Referenzen in den Hauptspeicher übernommen. (Sonderform: Buffered Line Refill) Wenn auch beim Lesen ein Line-(Read)-Buffer verwendet wird, spricht man von einem Streaming Cache. Write-Through-Strategie? Write-Through schreibt immer in den Hauptspeicher und falls sich eine Kopie auch im Cache befindet, so wird diese aktualisiert. Genau aus diesem Grund ist kein Rückschreiben eines Dirty-Datums notwendig, da es zu keinen Inkonsistenzen zwischen RAM und Cache kommen kann. Nachteil ist aber, dass nur bei Leseoperationen ein Geschwindigkeitsvorteil erzielt werden kann Buffered Write-Through Im Mittel erfolgen nach jeder Write-Operation zwei Read-Operationen. Deshalb kann ein Geschwindigkeitsgewinn erzielt werden, wenn ein schneller Zwischenbuffer (FiFo) vor dem Speicher plaziert wird, welcher einige Write-Operationen aufnehmen kann. Wird nun eine Leseoperation ausgeführt, so kann das Datum falls es noch in dem schnellen Buffer steht, direkt aus diesem gelesen werden. Write Allocate Hier wird immer in den Hauptspeicher und in den Cache geschrieben - auch wenn das Datum sich noch nicht im Cache befand. Zusammenspiel bei Cache-Misses Write-Allocate wird meistens mit Write-Back Strategie gemeinsam verwendet. Write-Allocate bedeutet dabei nichts weiter, als das der Hauptspeicher-Block in den Cache geladen wird. Beim No-write-Allocate (Write-Around) wird das Datum direkt im Hauptspeicher modifiziert, weshalb Write Around meist mit Write-Through verbunden wird. Zusammenfassung Caches Write-Back wird üblicherweise mit Write-Allocate kombiniert. Beim Write Allocate (fetch-on-write) wird ein Block gelesen und in Cache gespeichert. Beim No-write-allocate (write-around) wird der Block in der unteren Ebene der Speicherhierarchie modifiziert und nicht nicht im Cache geladen. No-write-allocate wird deshalb meist bei Write-through verwendet. Was ist der Unterschied zwischen einen logischen und einen physischen Cache? Physische Caches liegen vor der MMU und speichern somit nur physikalische Adressen. Ein logischer Cache liegt zwischen CPU und MMU und speichert logische Adressen. Vorteil von logischen Caches ist daher, dass die Adressumrechnung bei einem Hit entfällt. Ein großer Nachteil sind aber die Synonym-Probleme bei Multiprozessorsystemen. Des weiteren wird bei Taskwechsel ein Cache-Flush notwendig. Multi-Level-Caches und Split-Caches Durch Hintereinanderlegen von verschiedenen Caches kann ein gleitender Übergang zu immer größeren und langsameren Speichern erreicht werden. First Level Caches sind meist n-Wege-Satzassoziativ und folgende Direct-Mapped. Split-Caches trennen Code und Daten und sind somit viel flexibler und besser an das Zugriffsverhalten in Bezug auf Strategie oder Assoziativität zu optimieren. Dabei unterscheidet man eine Havard-Architektur von der multiplexed Havard-Architektur (von Neumann Prinzip). Die reine Harvard trennt nicht nur Cache sondern auch den Hauptspeicher in Daten und Codebereich. Bei von Neumann liegen Daten und Code zusammen im Hauptspeicher und werden nur im Cache getrennt. Durch Trennung von Code und Daten verdoppelt sich die Bandbreite, da zeitgleich zugegriffen werden kann. Was geschieht wenn kein Platz mehr im Cache vorhanden ist? Es muss eine Cache-Line ausgewählt werden, die mit den neuen benötigten Daten überschrieben werden kann. Die Auswahl erfolgt meistens mit LRU - Last Recently Used. D.h. die am längsten nicht genutzte Cache-Line fliegt raus. Was ist ein Burst-Cache? Burst Caches schreiben nicht nur eine Zeile in den Speicher zurück, sondern gleich mehrere, um die Bandbreite auszunutzen und somit Zeit zu sparen. Zusammenhänge zwischen Caches, TLB's und Page Tables Folgende vier Fragen stellen sich bei Caches, TLB's und auch bei Page Tables: Wo kann ein Block eingelagert werden? (Direct Mapped also nur an einem Ort, Set Assoziativ an mehreren Orten oder Voll Assoziativ, also überall) Wie kann ein Block gefunden werden? (indexiert, limitierte Suche, komplette Suche oder lookup table wie Page Tables) Wie wird ein Block bei einem Miss aktualisiert? (normalerweise über LRU oder random Methoden) Wie wird mit Schreiboperationen umgegangen? (Write Through oder Write Back) Ein TLB ist ein Translation Lookaside Buffer und ist ein kleiner Cache für die Page Table, um Seitenzugriffe zu beschleunigen. Was ist ein Trace-Cache Ein Trace Cache ist ein spezieller Befehlscache, der "Traces" des aktuellen Programmlauf protokolliert. Dabei speichert jede Zeile einen Trace, welcher typisch mehrere taken branches enthalten kann. Befehlsfolgen, die aufgrund von taken branches (weit) auseinander liegen, werden in kontinuierlicher Folge abgespeichert. Gepaart mit multiple branch prediction können mehrere zusammenhängende Basisblöcke parallel gefetched werden. (ergibt hohe issue rate) Kapitel 5 - Risc Wie berechnet sich die Prozessorleistung? Die Prozessorleistung ist umgekehrt proportional zur Ausführungszeit eines Algorithmus und wird aus folgenden drei Parametern






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Question
Bei [...] werden alle Informationen eines Tasks in seinem TSS gespeichert
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einem Taskwechsel

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Bei einem Taskwechsel werden alle Informationen eines Tasks in seinem TSS gespeichert

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
auf. Ein DMA-Controller wirkt wie ein weiterer Prozessor am Bus. Um Inkonsistenzen im Speicher zu vermeiden, muss ein DMA-Controller eng mit dem Speichermanagment des Systems zusammenarbeiten. <span>Was ist Memory-Mapped I/O? Ein I/O Controller besteht aus einer Vielzahl von Registern, welche auf zwei Varianten adressiert werden können: Memory-Mapped I/O, um den konventionellen Adressraum verschiedenen I/O-Devices zuzuordnen oder Getrennten I/O Adressraum, bei dem auf einer speziellen Adressleitung die E/A-Adresse auf den Bus gelegt wird. (veraltete Variante) Was ist eine Task? Ein Task ist ein eigenständiges Programm / Prozess von vielen im Multitasksystem. Es wird von einem TSS (Task State Segment) beschrieben. Bei einem Taskwechsel werden alle Informationen in diesem TSS gespeichert. Jeder TSS-Deskriptor steht in der GDT. Die GDT hat beim i486 8192 Einträge, jedoch ist der 0. Eintrag immer leer. Somit sind maximal 8191 verschiedene Prozesse möglich (inclusive des Betriebssystems). Wie werden Task-Wechsel realisiert? Ein Taskwechsel geschieht durch Auswahl eines Task-Gates aus Globaler Deskriptor Tabelle (Task State Segment = TSS). Ein TSS Enthält alle Informationen, die einen Task ausmachen: verwendete Prozessor-Register LDT-Selektor (einer Pro Task) welche die Segment-Deskriptoren des Prozesses enthält Stack-Segment-Pointer Verwaltungsinformation Adresse der Paging-Tabellen I/O-Map Base Adresse Busy-Bit, definiert den aktuell rechnenden Task (genau einer im System) TR (Task Register) enthält den aktuellen TSS (Selektor des Descriptors des aktuellen TSS) TSS-Descriptoren nur in GDT! Bsp: Scheduler als Task ( Umschalter ) Umschalten durch jeweiligen Austausch des Back-Link, IRETD zum anderen Task, z.B. Timer-Interrupt-Task. Welche Möglichkeiten für Privilegwechsel gibt es? CALL in eine Prozedur mit anderen Privilegde-Level (CALL-Gate) JMP in eine Prozedur mit anderen Privi legde-Level (TASK-Gate) INT (TRAP-Gate) TASK-Gate durch erzwungenen Prozeßwechsel IRET Rücksprung aus INT-Handler Was ist der Unterschied zwischen einem Selektor und einem Deskriptor? Ein Selektor Segment-Register wählt einen Deskriptor in (GLI)DT aus, ein Deskriptor Eintrag in (GLI)DT, beschreibt das Segment. Weshalb ist es sinnvoll, dass ein TSS-Descriptor nur in der GDT stehen darf? Es soll verhindert werden, daß ein USER-Programm in einen anderen Task springt. Da Taskwechsel nur über TASK-Gates erfolgen (dieses zeigt auf einen TSS-Deskriptor) muß der CurrentPrivilegdeLevel (CPL vom CS:) numerisch kleiner sein, als das des geforderten TSS-Deskriptor (DPL) bzw. kleiner als der (RPL) des Segments wo sich der TSS-Deskriptor aufhält. Damit wird sichergestellt, daß der Taskwechsel nur von "höherem" Code (OS) aus ausgeführt werden kann. Würde ein TSS-Deskriptor in der LDT stehen, könnte es dort mit einem höheren RPL versehen werden, und der USER-Code könnte sich zum OS-CODE etablieren! Welche Grundtypen von Deskriptoren gibt es? IDT LDT GDT CODE-Segment DATA-Segment STACK-Segment CODE-Segment DATA-Segment STACK-Segment INT-Gate TRAP-Gate TASK-Gate TASK-Gate TASK-Gate CALL-Gate Welche grundlegenden Adressierungsarten gibt es? Unmittelbare Adressierung Direktadressierung (Direct Adressing) Registeradressierung Indirekte Registeradressierung Indizierte Adressierung Basisindizierte Adressierung Stapeladressierung Unmittelbare Adressierung Der Adressteil der Instruktion enthält den Operanden selbst, anstatt eines Verweises. Solche Operanden werden als Direktoperanden (Immediate) bezeichnet Bsp: MOV R4, 5H (5H wird direkt in R4 gespeichert) Direktadressierung (Direct Adressing) Es wird eine volle Adresse des Operanden angegeben Deshalb nur für globale Variablen anwendbar, da Instruktion immer auf gleiche Speicehrzeile zugreift Registeradressierung Das gleiche Prinzip wie Direct Adressing, nur das Register anstelle von Speicherzellen verwendet werden In Registern sollten die am häufigsten verwendeten Variablen abgelegt werden, da Register vielfach schneller als Hauptspeicher sind Load/Store-Architekturen nutzen fast nur diesen Registermode (außer es muss vom oder zum Speicher transferiert werden) Indirekte Registeradressierung Die Adresse wird nicht direkt angegeben, sondern indirekt über ein Register Das Register enthält somit einen Pointer auf eine Speicherzelle Vorteil ist, daß auf Speicher referenziert werden kann, aber keine volle Speicheradresse notwendig wird Indizierte Adressierung Der Speicher wird durch Angabe eines Registers und eines konstanten Offsets adressiert Häufig benutzt bei Arrayzugriffen, wie A = B[i] (MOV R1, B[R2]) Basisindizierte Adressierung Speicheradresse wird hier durch Addition zweier Register und einen optionalen Offset berechnet Eines der Register stellt die Basis dar und ein anderes den Index Stapeladressierung Hier ist gar keine Adressangabe notwendig Somit sind die Instruktionen sehr kurz Die Stapeladressierung arbeitet mit der umgekehrten polnischen Notation (Postfix) Kapitel 3 - Speicherschutz und Multitasking Um unberechtigte Zugriffe, Datenaufrufe oder Systemprozedurecalls zu vermeiden und Task-Isolation zu gewährleisten, ist ein ausgeklügeltes Sp






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Question
Bei einem Taskwechsel werden alle Informationen eines Tasks in [...] gespeichert
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seinem TSS

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
auf. Ein DMA-Controller wirkt wie ein weiterer Prozessor am Bus. Um Inkonsistenzen im Speicher zu vermeiden, muss ein DMA-Controller eng mit dem Speichermanagment des Systems zusammenarbeiten. <span>Was ist Memory-Mapped I/O? Ein I/O Controller besteht aus einer Vielzahl von Registern, welche auf zwei Varianten adressiert werden können: Memory-Mapped I/O, um den konventionellen Adressraum verschiedenen I/O-Devices zuzuordnen oder Getrennten I/O Adressraum, bei dem auf einer speziellen Adressleitung die E/A-Adresse auf den Bus gelegt wird. (veraltete Variante) Was ist eine Task? Ein Task ist ein eigenständiges Programm / Prozess von vielen im Multitasksystem. Es wird von einem TSS (Task State Segment) beschrieben. Bei einem Taskwechsel werden alle Informationen in diesem TSS gespeichert. Jeder TSS-Deskriptor steht in der GDT. Die GDT hat beim i486 8192 Einträge, jedoch ist der 0. Eintrag immer leer. Somit sind maximal 8191 verschiedene Prozesse möglich (inclusive des Betriebssystems). Wie werden Task-Wechsel realisiert? Ein Taskwechsel geschieht durch Auswahl eines Task-Gates aus Globaler Deskriptor Tabelle (Task State Segment = TSS). Ein TSS Enthält alle Informationen, die einen Task ausmachen: verwendete Prozessor-Register LDT-Selektor (einer Pro Task) welche die Segment-Deskriptoren des Prozesses enthält Stack-Segment-Pointer Verwaltungsinformation Adresse der Paging-Tabellen I/O-Map Base Adresse Busy-Bit, definiert den aktuell rechnenden Task (genau einer im System) TR (Task Register) enthält den aktuellen TSS (Selektor des Descriptors des aktuellen TSS) TSS-Descriptoren nur in GDT! Bsp: Scheduler als Task ( Umschalter ) Umschalten durch jeweiligen Austausch des Back-Link, IRETD zum anderen Task, z.B. Timer-Interrupt-Task. Welche Möglichkeiten für Privilegwechsel gibt es? CALL in eine Prozedur mit anderen Privilegde-Level (CALL-Gate) JMP in eine Prozedur mit anderen Privi legde-Level (TASK-Gate) INT (TRAP-Gate) TASK-Gate durch erzwungenen Prozeßwechsel IRET Rücksprung aus INT-Handler Was ist der Unterschied zwischen einem Selektor und einem Deskriptor? Ein Selektor Segment-Register wählt einen Deskriptor in (GLI)DT aus, ein Deskriptor Eintrag in (GLI)DT, beschreibt das Segment. Weshalb ist es sinnvoll, dass ein TSS-Descriptor nur in der GDT stehen darf? Es soll verhindert werden, daß ein USER-Programm in einen anderen Task springt. Da Taskwechsel nur über TASK-Gates erfolgen (dieses zeigt auf einen TSS-Deskriptor) muß der CurrentPrivilegdeLevel (CPL vom CS:) numerisch kleiner sein, als das des geforderten TSS-Deskriptor (DPL) bzw. kleiner als der (RPL) des Segments wo sich der TSS-Deskriptor aufhält. Damit wird sichergestellt, daß der Taskwechsel nur von "höherem" Code (OS) aus ausgeführt werden kann. Würde ein TSS-Deskriptor in der LDT stehen, könnte es dort mit einem höheren RPL versehen werden, und der USER-Code könnte sich zum OS-CODE etablieren! Welche Grundtypen von Deskriptoren gibt es? IDT LDT GDT CODE-Segment DATA-Segment STACK-Segment CODE-Segment DATA-Segment STACK-Segment INT-Gate TRAP-Gate TASK-Gate TASK-Gate TASK-Gate CALL-Gate Welche grundlegenden Adressierungsarten gibt es? Unmittelbare Adressierung Direktadressierung (Direct Adressing) Registeradressierung Indirekte Registeradressierung Indizierte Adressierung Basisindizierte Adressierung Stapeladressierung Unmittelbare Adressierung Der Adressteil der Instruktion enthält den Operanden selbst, anstatt eines Verweises. Solche Operanden werden als Direktoperanden (Immediate) bezeichnet Bsp: MOV R4, 5H (5H wird direkt in R4 gespeichert) Direktadressierung (Direct Adressing) Es wird eine volle Adresse des Operanden angegeben Deshalb nur für globale Variablen anwendbar, da Instruktion immer auf gleiche Speicehrzeile zugreift Registeradressierung Das gleiche Prinzip wie Direct Adressing, nur das Register anstelle von Speicherzellen verwendet werden In Registern sollten die am häufigsten verwendeten Variablen abgelegt werden, da Register vielfach schneller als Hauptspeicher sind Load/Store-Architekturen nutzen fast nur diesen Registermode (außer es muss vom oder zum Speicher transferiert werden) Indirekte Registeradressierung Die Adresse wird nicht direkt angegeben, sondern indirekt über ein Register Das Register enthält somit einen Pointer auf eine Speicherzelle Vorteil ist, daß auf Speicher referenziert werden kann, aber keine volle Speicheradresse notwendig wird Indizierte Adressierung Der Speicher wird durch Angabe eines Registers und eines konstanten Offsets adressiert Häufig benutzt bei Arrayzugriffen, wie A = B[i] (MOV R1, B[R2]) Basisindizierte Adressierung Speicheradresse wird hier durch Addition zweier Register und einen optionalen Offset berechnet Eines der Register stellt die Basis dar und ein anderes den Index Stapeladressierung Hier ist gar keine Adressangabe notwendig Somit sind die Instruktionen sehr kurz Die Stapeladressierung arbeitet mit der umgekehrten polnischen Notation (Postfix) Kapitel 3 - Speicherschutz und Multitasking Um unberechtigte Zugriffe, Datenaufrufe oder Systemprozedurecalls zu vermeiden und Task-Isolation zu gewährleisten, ist ein ausgeklügeltes Sp






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Jeder TSS-Deskriptor steht in [...]
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der GDT

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Jeder TSS-Deskriptor steht in der GDT

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
auf. Ein DMA-Controller wirkt wie ein weiterer Prozessor am Bus. Um Inkonsistenzen im Speicher zu vermeiden, muss ein DMA-Controller eng mit dem Speichermanagment des Systems zusammenarbeiten. <span>Was ist Memory-Mapped I/O? Ein I/O Controller besteht aus einer Vielzahl von Registern, welche auf zwei Varianten adressiert werden können: Memory-Mapped I/O, um den konventionellen Adressraum verschiedenen I/O-Devices zuzuordnen oder Getrennten I/O Adressraum, bei dem auf einer speziellen Adressleitung die E/A-Adresse auf den Bus gelegt wird. (veraltete Variante) Was ist eine Task? Ein Task ist ein eigenständiges Programm / Prozess von vielen im Multitasksystem. Es wird von einem TSS (Task State Segment) beschrieben. Bei einem Taskwechsel werden alle Informationen in diesem TSS gespeichert. Jeder TSS-Deskriptor steht in der GDT. Die GDT hat beim i486 8192 Einträge, jedoch ist der 0. Eintrag immer leer. Somit sind maximal 8191 verschiedene Prozesse möglich (inclusive des Betriebssystems). Wie werden Task-Wechsel realisiert? Ein Taskwechsel geschieht durch Auswahl eines Task-Gates aus Globaler Deskriptor Tabelle (Task State Segment = TSS). Ein TSS Enthält alle Informationen, die einen Task ausmachen: verwendete Prozessor-Register LDT-Selektor (einer Pro Task) welche die Segment-Deskriptoren des Prozesses enthält Stack-Segment-Pointer Verwaltungsinformation Adresse der Paging-Tabellen I/O-Map Base Adresse Busy-Bit, definiert den aktuell rechnenden Task (genau einer im System) TR (Task Register) enthält den aktuellen TSS (Selektor des Descriptors des aktuellen TSS) TSS-Descriptoren nur in GDT! Bsp: Scheduler als Task ( Umschalter ) Umschalten durch jeweiligen Austausch des Back-Link, IRETD zum anderen Task, z.B. Timer-Interrupt-Task. Welche Möglichkeiten für Privilegwechsel gibt es? CALL in eine Prozedur mit anderen Privilegde-Level (CALL-Gate) JMP in eine Prozedur mit anderen Privi legde-Level (TASK-Gate) INT (TRAP-Gate) TASK-Gate durch erzwungenen Prozeßwechsel IRET Rücksprung aus INT-Handler Was ist der Unterschied zwischen einem Selektor und einem Deskriptor? Ein Selektor Segment-Register wählt einen Deskriptor in (GLI)DT aus, ein Deskriptor Eintrag in (GLI)DT, beschreibt das Segment. Weshalb ist es sinnvoll, dass ein TSS-Descriptor nur in der GDT stehen darf? Es soll verhindert werden, daß ein USER-Programm in einen anderen Task springt. Da Taskwechsel nur über TASK-Gates erfolgen (dieses zeigt auf einen TSS-Deskriptor) muß der CurrentPrivilegdeLevel (CPL vom CS:) numerisch kleiner sein, als das des geforderten TSS-Deskriptor (DPL) bzw. kleiner als der (RPL) des Segments wo sich der TSS-Deskriptor aufhält. Damit wird sichergestellt, daß der Taskwechsel nur von "höherem" Code (OS) aus ausgeführt werden kann. Würde ein TSS-Deskriptor in der LDT stehen, könnte es dort mit einem höheren RPL versehen werden, und der USER-Code könnte sich zum OS-CODE etablieren! Welche Grundtypen von Deskriptoren gibt es? IDT LDT GDT CODE-Segment DATA-Segment STACK-Segment CODE-Segment DATA-Segment STACK-Segment INT-Gate TRAP-Gate TASK-Gate TASK-Gate TASK-Gate CALL-Gate Welche grundlegenden Adressierungsarten gibt es? Unmittelbare Adressierung Direktadressierung (Direct Adressing) Registeradressierung Indirekte Registeradressierung Indizierte Adressierung Basisindizierte Adressierung Stapeladressierung Unmittelbare Adressierung Der Adressteil der Instruktion enthält den Operanden selbst, anstatt eines Verweises. Solche Operanden werden als Direktoperanden (Immediate) bezeichnet Bsp: MOV R4, 5H (5H wird direkt in R4 gespeichert) Direktadressierung (Direct Adressing) Es wird eine volle Adresse des Operanden angegeben Deshalb nur für globale Variablen anwendbar, da Instruktion immer auf gleiche Speicehrzeile zugreift Registeradressierung Das gleiche Prinzip wie Direct Adressing, nur das Register anstelle von Speicherzellen verwendet werden In Registern sollten die am häufigsten verwendeten Variablen abgelegt werden, da Register vielfach schneller als Hauptspeicher sind Load/Store-Architekturen nutzen fast nur diesen Registermode (außer es muss vom oder zum Speicher transferiert werden) Indirekte Registeradressierung Die Adresse wird nicht direkt angegeben, sondern indirekt über ein Register Das Register enthält somit einen Pointer auf eine Speicherzelle Vorteil ist, daß auf Speicher referenziert werden kann, aber keine volle Speicheradresse notwendig wird Indizierte Adressierung Der Speicher wird durch Angabe eines Registers und eines konstanten Offsets adressiert Häufig benutzt bei Arrayzugriffen, wie A = B[i] (MOV R1, B[R2]) Basisindizierte Adressierung Speicheradresse wird hier durch Addition zweier Register und einen optionalen Offset berechnet Eines der Register stellt die Basis dar und ein anderes den Index Stapeladressierung Hier ist gar keine Adressangabe notwendig Somit sind die Instruktionen sehr kurz Die Stapeladressierung arbeitet mit der umgekehrten polnischen Notation (Postfix) Kapitel 3 - Speicherschutz und Multitasking Um unberechtigte Zugriffe, Datenaufrufe oder Systemprozedurecalls zu vermeiden und Task-Isolation zu gewährleisten, ist ein ausgeklügeltes Sp






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[Havard-Architektur] So ist es möglich [...] Zeitgleich aus dem Speicher zu holen.
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Daten und Befehle

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[Havard-Architektur] So ist es möglich Daten und Befehle Zeitgleich aus dem Speicher zu holen.

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
on Kapitel 8 - Superskalarität Kapitel 9 - Parallelrechner Zurück zur Übersicht Rechnerarchitektur Grundprinzipien der Rechnerarchitektur. D.h. Themen wie RISC, Branch Prediction oder Tomasulo. <span>Kapitel 1 - Prinzipien und Architekturen In welche sieben Ebenen kann man ein Rechnersystem einteilen? Anwendungsebene (Anwendersoftware) Assemblerebene (Beschreibung von Algorithmen, Link & Bind) Betriebssystem (Speichermanagment, Prozesskommunikation) Instruction Set Architecture (ISA,Adressierungsarten) Microarchitektur (Risc,Cisc,Branch Prediction..) Logische Ebene (Register,Schieber, Latches..) Transistorebene (Transistoren, MOS ) nach Tanenbaum Computerarchitektur Wie lassen sich Architekturen klassifizieren? Nach ihrem Rechenprinzip Von Neumann (Steuerfluss) Datenfluß (Zündregel) Reduktion (Funktionsaufruf) Objektorientiert (Methodenaufruf) Nach dem Architektur-Grundkonzept Vektorrechner (Pipeline) Array-Computer (Data-Array) Assoziativ-Rechner (Assoziativ-Speicher) Wie kann die Leistung erhöht werden? Über die Architektur Pipelines, Superskalarität, Spekulative Ausführung, Caches, Busbreite Über Optimierung von Software Compileroptimierung Über die Siliziumbasis Transistordichte und Taktraten Was sind die vier Hauptbestandteile eines typischen Rechners? Was unterscheidet eine Schnittstelle von einem Bus? Ein Bus verbindet mehr als zwei Teilnehmer. John von Neumann mit ENIAC Welche Bestandteile definieren einen von Neumann-Rechner? Der von Neumann-Rechner arbeitet sequentiell, Befehl für Befehl wird abgeholt, interpretiert, ausgeführt und das Resultat abgespeichert. Steuerwerk (Taktgeber und Befehlszähler) Speicher Rechenwerk (CPU) I/O-Einheit Datenbreite, Adressierungsbreite, Registeranzahl und Befehlssatz können als Parameter verstanden werden. Wie arbeitet die zentrale Befehlsschleife eines Von-Neumann-Rechners? Was heißt Havard-Architektur? Daten- und Befehlsspeicher sind getrennt. So ist es möglich Daten und Befehle Zeitgleich aus dem Speicher zu holen. Da dies aber einen extrem hohen Aufwand bedeutet, wird dies nur bei Echtzeitanwendungen implementiert. Was ist ein Taktzyklus? Die Interpretation und Ausführung eines Befehles erfolgt in vier Phasen. Holen Dekodieren (inklusive Operandenadressen berechnen) Daten holen (bzw. Operanden) Ausführen Jede der vier Phasen wird in eine Anzahl von Schnittstellen bzw. Zyklen eingeteilt. Ein Taktzyklus ist die kleinstmöglich verarbeitbare Einheit. Somit benötigt ein Befehl zur Ausführung im Allgemeinen mehr als einen Taktzyklus. Was ist Mikroprogrammierung? Durch Einsatz von Matrix-Speichertechnologie ist es möglich Steuersignalkombinationen in je einer Zeile dieser Speichermatrix abzulegen. Somit können Zeile für Zeile Maschinenzustande auf dem Prozessor hinterlegt werden. Das sogenannte Mikroprogramm. Die interne Logik ist eher zufällig optimiert. Daher der Begriff "Random Logic". Was sind Complex Instruction Set Computer (CISC)? Durch Einführung von mnemonischen Kodierungen von Mikrobefehlen, welche von Mikrobefehls-Assemblern verarbeitet werden, sind weitaus komplexere Befehle möglich. CISC bietet einen sehr großen Befehlssatz mit sich start unterscheidenden Befehlen in Ausführungszeit und Parameterliste. Gegenüberstellung der Architektur von CISC und RISC Worin unterscheiden sich RISC und CISC besonders? Eigenschaften CISC RISC Register Wenige Register( ca. 20) Viele Register (bis zu 200) und Registerfenster Befehlssatz ca. 300 Befehle und mehr als 50 Befehlstypen Nur rund 100 meist registerorientierte Befehle (außer LOAD / STORE) Adressierungsarten ca. 12 verschiedene Nur 3 bis 5 Arten und nur LOAD/STORE zum Speicher Caches Gemeinsame Caches, aber später auch Getrennte Getrennte Daten- und Befehlscaches nach Harvard CPI 1 bis 20 - Durchschnittlich 4 1 bei Basisoperationen - im Schnitt 1,5 Befehlssteuerung Mikrocode im Speicher, aber auch hartverdrahtet Meistens hartverdrahtete Mikroprogramme ohne Mikroprogrammspeicher Beispielprozessoren Intel x86, AMD, Cyrix Sun UltraSparc, PowerPC Welche Befehlssatz-Architekturen kennen Sie? Stack-Architektur? Diese Form benötigt keine Adressen für Operanden und ist somit eine Nulladressmaschine. Quell und Ergebnisoperanden liegen auf einem Operanden-Stack. Vorteil dieser Architektur ist daher die Speicherplatzeinsparung durch die nicht notwendigen Adressen. Akkumulator-Architektur? Um Verknüpfungsoperationen durchzuführen, liegt ein Operand in einem Register und ein Operand typischerweise im Hauptspeicher (Einadressmaschine) . Vorteil ist die einfache Implementierung, da nur ein internes Register benötigt wird. Nachteil ist aber die hohe Speicherlast. Universalregister-Architektur? Ein Satz von gleichberechtigten Registern kann zum Ablegen von Daten genutzt werden. Deshalb sind im Op-Code mehrere Operanden anzugeben (Zwei-, Dreiadressmaschine etc.) Vorteil ist die freie Benutzbarkeit durch Compiler. Ausdrucksberechnungen können somit in beliebiger Reihenfolge erfolgen, was Pipelining möglich macht. Dazu kommt, daß die Speichertransferlast sinkt, die Geschwindigkeit steigt und Superskalartechniken sind effizient einsetzbar. Der Nachteil dieser Architektur sind die teilweise großen Registersets, welche bei jedem Kontextwechsel auszutauschen sind. Außerdem müssen die Operanden Adressiert werden, was zu langen Befehlen führt. Welche Register-Architekturen gibt es? Register-Register ohne Speicheradressen (Sparc,Mips) Verknüpfungsoperationen verwenden nur Register. Nur in Lade- und Speicherbefehlen werden Adressen verwendet. (Load / Store - Architektur). Vorteil ist, dass die Verknüpfungen immer mit Registern geschehen und somit eine Befehlsdekodierung mit fester Länge möglich ist. Vorteile Einheitliche Taktzyklen pro Befehl Pipeline-Prinzip wird dadurch unterstützt Nachteile Code wird größer, da Speichertransfers nur durch zusätzliche Befehle Register-Speicher mit der Möglichkeit von Speicheradressen (Motorola 68000) Vorteile Daten können auch im Speicher referenziert werden, ohne diese vorher Explizit laden zu müssen. Nachteile Durch die variierenden Adressierungen variieren Befehlslänge und Taktzyklen pro Befehl, was äußerst negativ für Verfahren wie Pipelining ist. Speicher-Speicher mit nur Speicheradressen (DEC-VAX) Vorteile Der Programmierer braucht sich nicht um Register kümmern. Deshalb wird die Programmierung transparenter. Nachteile Es entsteht ein hoher Speicherverkehr, was sich Nachteilig auf die Performance auswirkt. Falls doch Register erlaubt werden (Orthogonaler Befehlssatz / CISC), variieren auch hier Befehlslänge und Taktanzahl pro Befehl. Orthogonale Befehlssätze sind solche, welche eine beliebige Kombination von Befehlscode, Adressierungsart und Datentyp zulassen. Was ist Byte-Ordering und Word-Alignment? Alle konventionellen Rechner sind Byte-Adressiert. D.h. das Worte (egal ob 8, 16 oder mehr Bit) bestehen aus einer Folge (aufsteigender) Bytes. Dabei gilt das erste Byte als die Adresse des Wortes. Nimmt die Wertigkeit mit aufsteigender Adresse zu, ist es das Litte-Endian-Format, umgekehrt das Big-Endian-Format. Falls Worte so in den Speicher passen, das keine Verschiebungen auftreten, heißt der Speicher aligned. Prüfen kann man dies durch die Formel Adresse mod Wortlänge = 0? Kapitel 2 - Interrupts und DMA Klassifizieren Sie die verschiedenen Unterbrechungen! Wenn in der Literatur von Interrupts gesprochen wird, so werden oft externe, asynchrone Interrupts g






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[[...]-Architektur] So ist es möglich Daten und Befehle Zeitgleich aus dem Speicher zu holen.
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Havard

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[Havard-Architektur] So ist es möglich Daten und Befehle Zeitgleich aus dem Speicher zu holen.

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
on Kapitel 8 - Superskalarität Kapitel 9 - Parallelrechner Zurück zur Übersicht Rechnerarchitektur Grundprinzipien der Rechnerarchitektur. D.h. Themen wie RISC, Branch Prediction oder Tomasulo. <span>Kapitel 1 - Prinzipien und Architekturen In welche sieben Ebenen kann man ein Rechnersystem einteilen? Anwendungsebene (Anwendersoftware) Assemblerebene (Beschreibung von Algorithmen, Link & Bind) Betriebssystem (Speichermanagment, Prozesskommunikation) Instruction Set Architecture (ISA,Adressierungsarten) Microarchitektur (Risc,Cisc,Branch Prediction..) Logische Ebene (Register,Schieber, Latches..) Transistorebene (Transistoren, MOS ) nach Tanenbaum Computerarchitektur Wie lassen sich Architekturen klassifizieren? Nach ihrem Rechenprinzip Von Neumann (Steuerfluss) Datenfluß (Zündregel) Reduktion (Funktionsaufruf) Objektorientiert (Methodenaufruf) Nach dem Architektur-Grundkonzept Vektorrechner (Pipeline) Array-Computer (Data-Array) Assoziativ-Rechner (Assoziativ-Speicher) Wie kann die Leistung erhöht werden? Über die Architektur Pipelines, Superskalarität, Spekulative Ausführung, Caches, Busbreite Über Optimierung von Software Compileroptimierung Über die Siliziumbasis Transistordichte und Taktraten Was sind die vier Hauptbestandteile eines typischen Rechners? Was unterscheidet eine Schnittstelle von einem Bus? Ein Bus verbindet mehr als zwei Teilnehmer. John von Neumann mit ENIAC Welche Bestandteile definieren einen von Neumann-Rechner? Der von Neumann-Rechner arbeitet sequentiell, Befehl für Befehl wird abgeholt, interpretiert, ausgeführt und das Resultat abgespeichert. Steuerwerk (Taktgeber und Befehlszähler) Speicher Rechenwerk (CPU) I/O-Einheit Datenbreite, Adressierungsbreite, Registeranzahl und Befehlssatz können als Parameter verstanden werden. Wie arbeitet die zentrale Befehlsschleife eines Von-Neumann-Rechners? Was heißt Havard-Architektur? Daten- und Befehlsspeicher sind getrennt. So ist es möglich Daten und Befehle Zeitgleich aus dem Speicher zu holen. Da dies aber einen extrem hohen Aufwand bedeutet, wird dies nur bei Echtzeitanwendungen implementiert. Was ist ein Taktzyklus? Die Interpretation und Ausführung eines Befehles erfolgt in vier Phasen. Holen Dekodieren (inklusive Operandenadressen berechnen) Daten holen (bzw. Operanden) Ausführen Jede der vier Phasen wird in eine Anzahl von Schnittstellen bzw. Zyklen eingeteilt. Ein Taktzyklus ist die kleinstmöglich verarbeitbare Einheit. Somit benötigt ein Befehl zur Ausführung im Allgemeinen mehr als einen Taktzyklus. Was ist Mikroprogrammierung? Durch Einsatz von Matrix-Speichertechnologie ist es möglich Steuersignalkombinationen in je einer Zeile dieser Speichermatrix abzulegen. Somit können Zeile für Zeile Maschinenzustande auf dem Prozessor hinterlegt werden. Das sogenannte Mikroprogramm. Die interne Logik ist eher zufällig optimiert. Daher der Begriff "Random Logic". Was sind Complex Instruction Set Computer (CISC)? Durch Einführung von mnemonischen Kodierungen von Mikrobefehlen, welche von Mikrobefehls-Assemblern verarbeitet werden, sind weitaus komplexere Befehle möglich. CISC bietet einen sehr großen Befehlssatz mit sich start unterscheidenden Befehlen in Ausführungszeit und Parameterliste. Gegenüberstellung der Architektur von CISC und RISC Worin unterscheiden sich RISC und CISC besonders? Eigenschaften CISC RISC Register Wenige Register( ca. 20) Viele Register (bis zu 200) und Registerfenster Befehlssatz ca. 300 Befehle und mehr als 50 Befehlstypen Nur rund 100 meist registerorientierte Befehle (außer LOAD / STORE) Adressierungsarten ca. 12 verschiedene Nur 3 bis 5 Arten und nur LOAD/STORE zum Speicher Caches Gemeinsame Caches, aber später auch Getrennte Getrennte Daten- und Befehlscaches nach Harvard CPI 1 bis 20 - Durchschnittlich 4 1 bei Basisoperationen - im Schnitt 1,5 Befehlssteuerung Mikrocode im Speicher, aber auch hartverdrahtet Meistens hartverdrahtete Mikroprogramme ohne Mikroprogrammspeicher Beispielprozessoren Intel x86, AMD, Cyrix Sun UltraSparc, PowerPC Welche Befehlssatz-Architekturen kennen Sie? Stack-Architektur? Diese Form benötigt keine Adressen für Operanden und ist somit eine Nulladressmaschine. Quell und Ergebnisoperanden liegen auf einem Operanden-Stack. Vorteil dieser Architektur ist daher die Speicherplatzeinsparung durch die nicht notwendigen Adressen. Akkumulator-Architektur? Um Verknüpfungsoperationen durchzuführen, liegt ein Operand in einem Register und ein Operand typischerweise im Hauptspeicher (Einadressmaschine) . Vorteil ist die einfache Implementierung, da nur ein internes Register benötigt wird. Nachteil ist aber die hohe Speicherlast. Universalregister-Architektur? Ein Satz von gleichberechtigten Registern kann zum Ablegen von Daten genutzt werden. Deshalb sind im Op-Code mehrere Operanden anzugeben (Zwei-, Dreiadressmaschine etc.) Vorteil ist die freie Benutzbarkeit durch Compiler. Ausdrucksberechnungen können somit in beliebiger Reihenfolge erfolgen, was Pipelining möglich macht. Dazu kommt, daß die Speichertransferlast sinkt, die Geschwindigkeit steigt und Superskalartechniken sind effizient einsetzbar. Der Nachteil dieser Architektur sind die teilweise großen Registersets, welche bei jedem Kontextwechsel auszutauschen sind. Außerdem müssen die Operanden Adressiert werden, was zu langen Befehlen führt. Welche Register-Architekturen gibt es? Register-Register ohne Speicheradressen (Sparc,Mips) Verknüpfungsoperationen verwenden nur Register. Nur in Lade- und Speicherbefehlen werden Adressen verwendet. (Load / Store - Architektur). Vorteil ist, dass die Verknüpfungen immer mit Registern geschehen und somit eine Befehlsdekodierung mit fester Länge möglich ist. Vorteile Einheitliche Taktzyklen pro Befehl Pipeline-Prinzip wird dadurch unterstützt Nachteile Code wird größer, da Speichertransfers nur durch zusätzliche Befehle Register-Speicher mit der Möglichkeit von Speicheradressen (Motorola 68000) Vorteile Daten können auch im Speicher referenziert werden, ohne diese vorher Explizit laden zu müssen. Nachteile Durch die variierenden Adressierungen variieren Befehlslänge und Taktzyklen pro Befehl, was äußerst negativ für Verfahren wie Pipelining ist. Speicher-Speicher mit nur Speicheradressen (DEC-VAX) Vorteile Der Programmierer braucht sich nicht um Register kümmern. Deshalb wird die Programmierung transparenter. Nachteile Es entsteht ein hoher Speicherverkehr, was sich Nachteilig auf die Performance auswirkt. Falls doch Register erlaubt werden (Orthogonaler Befehlssatz / CISC), variieren auch hier Befehlslänge und Taktanzahl pro Befehl. Orthogonale Befehlssätze sind solche, welche eine beliebige Kombination von Befehlscode, Adressierungsart und Datentyp zulassen. Was ist Byte-Ordering und Word-Alignment? Alle konventionellen Rechner sind Byte-Adressiert. D.h. das Worte (egal ob 8, 16 oder mehr Bit) bestehen aus einer Folge (aufsteigender) Bytes. Dabei gilt das erste Byte als die Adresse des Wortes. Nimmt die Wertigkeit mit aufsteigender Adresse zu, ist es das Litte-Endian-Format, umgekehrt das Big-Endian-Format. Falls Worte so in den Speicher passen, das keine Verschiebungen auftreten, heißt der Speicher aligned. Prüfen kann man dies durch die Formel Adresse mod Wortlänge = 0? Kapitel 2 - Interrupts und DMA Klassifizieren Sie die verschiedenen Unterbrechungen! Wenn in der Literatur von Interrupts gesprochen wird, so werden oft externe, asynchrone Interrupts g






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Ein zu lesendes Datum wird entweder bei einem Hit aus dem Cache gelesen oder im Falle eines Misses, aus dem Hauptspeicher geholt und parallel in den Cache eingetragen. Im Falle der Aktualisierung, muss erst das Dirty-Bit der zu überschreibenden Cache-Line geprüft werden, um diese gegebenenfalls in den Hauptspeicher zurückzuschreiben. (Write-Back)
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Write-Back-Strategie? Ein zu lesendes Datum wird entweder bei einem Hit aus dem Cache gelesen oder im Falle eines Misses, aus dem Hauptspeicher geholt und parallel in den Cache eingetragen. Im Falle der Aktualisierung, muss erst das Dirty-Bit der zu überschreibenden Cache-Line geprüft werden, um diese gegebenenfalls in den Hauptspeicher zurückzuschreiben. (Write-Back) Vorteil dieser Strategie ist das bei Hits kein Hauptspeicherverkehr oder Busbelastung auftritt. Alle Operationen können schnell innerhalb der Working-Sets mit Cache-Speed erfolgen. Somi

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
aubt : ) Preemptives Multitasking ist echtes Multitasking. Ein externer Timer steuert die Umschaltung der Tasks. Die Tasks können somit keinen Einfluss auf die Betriebsmittelumschaltung nehmen. <span>Kapitel 4 - Speicherhierarchie und Caches Was bedeutet die Eigenschaft Lokalität? Aus programmtechnischer Sicht wiederholen sich oft Befehle und ganze Programmteile. Somit werden Daten oft wiederholt angefordert. Es gibt nun zwei Arten von Lokalität: Was ist Zeitliche Lokalität? Auf ein gerade zugegriffenes Datum wird sicher bald wieder zugegriffen. Was ist Räumliche Lokalität? Auf Daten, deren Adressen benachbart sind, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zugegriffen. Anzumerken ist, daß Datenzugriffe eine geringere Lokalität zeigen als Befehlszugriffe. Nach welchen Merkmalen lassen sich Caches klassifizieren? Cache-Größe (damit verbundener Hardware-Aufwand) Größe einer Cachezeile (Verschmutzungseffekt) Cache-Organisation (Vollassoziativ/Direct Mapped/Satz-Assoziativ) Schreibstrategie (Write-Through /-Allocate oder -Back) Split-Cache-Design (Transfer-Bandbreiten) Multi-level Cache-Hierarchien (Workingssetgrößen) Effective Working Set (Overflow-, Victim-, Trace Cache) Innere Cache-Parallelität (Streaming) Kohärenz-Verfahren (Snooping, MESI) Wie ist ein Cache aufgebaut? Zeile 1 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 2 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 3 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) ... Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile n Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Control-Bits sind z.B. Valid-Bits, Dirty-Bits und Prozess-ID. Das Adress-Tag ist nichts weiter als ein Teil der Adresse, welche bei einem Zugriff als Index gilt. Ein Datenblock ist in der Praxis meistens zwischen 16 und 64 KByte groß. Welche Cache-Arten kennen Sie? Ein Cache-Eintrag besteht aus einem Tag (Identifikator) und den Daten. Die Implementierung unterscheidet sich. Es gibt voll-, einfach assoziative und Satzassoziative Caches . Wie arbeitet ein vollassoziativer Cache? Das Tag Feld ist hier die assoziierende Adresse des Datums im Speicher. Die Hardware ist bei vollassoziativen Caches aufwendig, da diese bei einem Cache Zugriff alle Tags gleichzeitig mit der anliegenden Adresse vergleicht. Dies ist zwar extrem schnell, aber sehr teuer. Außerdem wird er sehr langsam wenn die Anzahl der Cachezeilen hinreichend groß wird. Da bei vollassoziativen Cachen ein Datum an jede Stelle des Caches platziert werden kann, muss eine Logik her, welche eine Entscheidung trifft. Als Plazierungsstrategie wird oft LRU verwendet. Dies ist seht aufwendig! Wie arbeitet ein Direct-Mapped-Cache (einfach assoziativer Cache)? Beim Direct-Mapped-Cache entscheidet eine Map-Funktion, welche Zeile im Cache mit der anliegenden Adresse referenziert wird (somit ist kein LRU o.ä. notwendig). Dabei wird einem Hauptspeicherblock genau ein Cache-Block zugeordnet (n:1 Beziehung). Oft wird eine Funktion wie (A mod Cachesize / Zeilengröße) zur Berechnung der Cachezeile aus der anliegenden Adresse benutzt, da bei diesem Verfahren dann nur (A / Cachesize) als Tag in jeder Cachezeile gespeichert werden muss. Vorteil dieser Variante ist die einfache, kostengünstige Integration (nur Komperator notwendig) und die hohe Geschwindigkeit. Leider neigt ein Direct-Mapped-Cache zu vielen Konflikten (ähnlich den Kollisionen bei Hash-Tables), welche zusätzliche Cache-Misses bildet, da mehrere Adressen auf die gleiche Cachezeile verweisen. Wie arbeitet ein n-Wege-Satz Cache (Satzassoziativer Cache)? Diese Variante ist nichts anderes als eine Implementation mehrerer parallel verknüpfter Direct-Mapped-Caches. Sie stellt quasi einen Kompromiss zwischen Cache-Effizienz und Aufwand dar. Die Arbeitsweise ist die gleiche, nur das die Map-Funktion nicht nur auf eine Zeile im Speicher zeigt, sondern auf n. Die Hardware des Caches vergleicht alle n Tags gleichzeitig, mit dem anliegenden Index. Ist eine der Tags gleich dem Index, ist dies ein Cache-Hit. Diese Technik reduziert die hohe Anfälligkeit von Direct-Mapped-Caches für Konflikte, benötigt aber mehr Chipfläche. Welche Schreibstrategien für Caches gibt es? Write-Back,Write-Throug und Write-Allocate. Write-Back-Strategie? Ein zu lesendes Datum wird entweder bei einem Hit aus dem Cache gelesen oder im Falle eines Misses, aus dem Hauptspeicher geholt und parallel in den Cache eingetragen. Im Falle der Aktualisierung, muss erst das Dirty-Bit der zu überschreibenden Cache-Line geprüft werden, um diese gegebenenfalls in den Hauptspeicher zurückzuschreiben. (Write-Back) Vorteil dieser Strategie ist das bei Hits kein Hauptspeicherverkehr oder Busbelastung auftritt. Alle Operationen können schnell innerhalb der Working-Sets mit Cache-Speed erfolgen. Somit arbeitet die CPU ungebremst. Problematisch wird dies, wenn mehrere Bus-Master am Bus hängen. Um Inkonsistenzen zu vermeiden sind dann spezielle Synchronisationsprotololle wie MESI notwendig. Concurrent Write-Back? Bei einfachen Write-Back-Caches muss die CPU im Falle eines Cache-Misses warten, bis die neue Cache-Line aus dem Speicher geholt wurde. Um diese Wartezeit im Mittel zu eliminieren, wird die alte Zeile zunächst in einen Writebuffer zwischengespeichert und später, parallel zu nachfolgenden Cache-Referenzen in den Hauptspeicher übernommen. (Sonderform: Buffered Line Refill) Wenn auch beim Lesen ein Line-(Read)-Buffer verwendet wird, spricht man von einem Streaming Cache. Write-Through-Strategie? Write-Through schreibt immer in den Hauptspeicher und falls sich eine Kopie auch im Cache befindet, so wird diese aktualisiert. Genau aus diesem Grund ist kein Rückschreiben eines Dirty-Datums notwendig, da es zu keinen Inkonsistenzen zwischen RAM und Cache kommen kann. Nachteil ist aber, dass nur bei Leseoperationen ein Geschwindigkeitsvorteil erzielt werden kann Buffered Write-Through Im Mittel erfolgen nach jeder Write-Operation zwei Read-Operationen. Deshalb kann ein Geschwindigkeitsgewinn erzielt werden, wenn ein schneller Zwischenbuffer (FiFo) vor dem Speicher plaziert wird, welcher einige Write-Operationen aufnehmen kann. Wird nun eine Leseoperation ausgeführt, so kann das Datum falls es noch in dem schnellen Buffer steht, direkt aus diesem gelesen werden. Write Allocate Hier wird immer in den Hauptspeicher und in den Cache geschrieben - auch wenn das Datum sich noch nicht im Cache befand. Zusammenspiel bei Cache-Misses Write-Allocate wird meistens mit Write-Back Strategie gemeinsam verwendet. Write-Allocate bedeutet dabei nichts weiter, als das der Hauptspeicher-Block in den Cache geladen wird. Beim No-write-Allocate (Write-Around) wird das Datum direkt im Hauptspeicher modifiziert, weshalb Write Around meist mit Write-Through verbunden wird. Zusammenfassung Caches Write-Back wird üblicherweise mit Write-Allocate kombiniert. Beim Write Allocate (fetch-on-write) wird ein Block gelesen und in Cache gespeichert. Beim No-write-allocate (write-around) wird der Block in der unteren Ebene der Speicherhierarchie modifiziert und nicht nicht im Cache geladen. No-write-allocate wird deshalb meist bei Write-through verwendet. Was ist der Unterschied zwischen einen logischen und einen physischen Cache? Physische Caches liegen vor der MMU und speichern somit nur physikalische Adressen. Ein logischer Cache liegt zwischen CPU und MMU und speichert logische Adressen. Vorteil von logischen Caches ist daher, dass die Adressumrechnung bei einem Hit entfällt. Ein großer Nachteil sind aber die Synonym-Probleme bei Multiprozessorsystemen. Des weiteren wird bei Taskwechsel ein Cache-Flush notwendig. Multi-Level-Caches und Split-Caches Durch Hintereinanderlegen von verschiedenen Caches kann ein gleitender Übergang zu immer größeren und langsameren Speichern erreicht werden. First Level Caches sind meist n-Wege-Satzassoziativ und folgende Direct-Mapped. Split-Caches trennen Code und Daten und sind somit viel flexibler und besser an das Zugriffsverhalten in Bezug auf Strategie oder Assoziativität zu optimieren. Dabei unterscheidet man eine Havard-Architektur von der multiplexed Havard-Architektur (von Neumann Prinzip). Die reine Harvard trennt nicht nur Cache sondern auch den Hauptspeicher in Daten und Codebereich. Bei von Neumann liegen Daten und Code zusammen im Hauptspeicher und werden nur im Cache getrennt. Durch Trennung von Code und Daten verdoppelt sich die Bandbreite, da zeitgleich zugegriffen werden kann. Was geschieht wenn kein Platz mehr im Cache vorhanden ist? Es muss eine Cache-Line ausgewählt werden, die mit den neuen benötigten Daten überschrieben werden kann. Die Auswahl erfolgt meistens mit LRU - Last Recently Used. D.h. die am längsten nicht genutzte Cache-Line fliegt raus. Was ist ein Burst-Cache? Burst Caches schreiben nicht nur eine Zeile in den Speicher zurück, sondern gleich mehrere, um die Bandbreite auszunutzen und somit Zeit zu sparen. Zusammenhänge zwischen Caches, TLB's und Page Tables Folgende vier Fragen stellen sich bei Caches, TLB's und auch bei Page Tables: Wo kann ein Block eingelagert werden? (Direct Mapped also nur an einem Ort, Set Assoziativ an mehreren Orten oder Voll Assoziativ, also überall) Wie kann ein Block gefunden werden? (indexiert, limitierte Suche, komplette Suche oder lookup table wie Page Tables) Wie wird ein Block bei einem Miss aktualisiert? (normalerweise über LRU oder random Methoden) Wie wird mit Schreiboperationen umgegangen? (Write Through oder Write Back) Ein TLB ist ein Translation Lookaside Buffer und ist ein kleiner Cache für die Page Table, um Seitenzugriffe zu beschleunigen. Was ist ein Trace-Cache Ein Trace Cache ist ein spezieller Befehlscache, der "Traces" des aktuellen Programmlauf protokolliert. Dabei speichert jede Zeile einen Trace, welcher typisch mehrere taken branches enthalten kann. Befehlsfolgen, die aufgrund von taken branches (weit) auseinander liegen, werden in kontinuierlicher Folge abgespeichert. Gepaart mit multiple branch prediction können mehrere zusammenhängende Basisblöcke parallel gefetched werden. (ergibt hohe issue rate) Kapitel 5 - Risc Wie berechnet sich die Prozessorleistung? Die Prozessorleistung ist umgekehrt proportional zur Ausführungszeit eines Algorithmus und wird aus folgenden drei Parametern



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[...] zeigt auf einen Eintrag in einer Deskriptortabelle
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Ein Segmentselektor

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Ein Segmentselektor zeigt auf einen Eintrag in einer Deskriptortabelle

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
s den Index Stapeladressierung Hier ist gar keine Adressangabe notwendig Somit sind die Instruktionen sehr kurz Die Stapeladressierung arbeitet mit der umgekehrten polnischen Notation (Postfix) <span>Kapitel 3 - Speicherschutz und Multitasking Um unberechtigte Zugriffe, Datenaufrufe oder Systemprozedurecalls zu vermeiden und Task-Isolation zu gewährleisten, ist ein ausgeklügeltes Speicherschutzsystem notwendig. Segmente zum schützen von Speicherbereichen Segmente sind logische Speicherbereiche variabler Länge (Pages sind normalerweise gleich groß und ergeben zusammengesetzt ein Segment). In einem Segment ist wiederum eine Aufteilung in Code-, Daten- und Speichersegment zu finden. Jedes Segment definiert ein Objekt, welches eindeutig über einen Deskriptor mit Basisadresse, Zugriffsrechten und Limit beschieben wird. Auf Basis dieser Segmente arbeitet die komplette Speicherverwaltung eines Rechners. Wie wird auf Segmente zugegriffen? Segmente werden über eine Deskriptortabelle indiziert. Die Tabellen enthalten Pointer auf die Speicherbereiche der jeweiligen Segmente. Was ist das besondere am segmentierten Adreßraum? Adressen auf Basis von Segmenten sind im unterschied zu linearen Adressen zweidimensional. Sie bestehen aus Segment und Offset. Berechnet werden sie durch einfache Addition von Segment und Offset. Vor der Addition ist das Segment um 4 Stellen nach links zu verschieben. 0002 : 000F berechnet sich also aus 0020 + 000F = 0001F Was sind die Nachteile des Realmodes? Begrenzung eines Segments auf maximal 64 KB, da Offsetadresse nur 16 Bit groß ist Es nur das erste MByte durch das Betriebssystem adressierbar kein Schutz des Speichers vor anderen Programmen Einträge aus der Interruptvektor-Tabelle sind leicht veränderbar nur ein Programm kann ausgeführt werden Was hat Multitasking mit Protected Mode zu tun? Multitasking kann nur durch Protected Mode arbeiten. Er ist sozusagen Grundlage für alle multitaskingfähigen Betriebssysteme. nsbesondere geht es um gegenseitigen Schutz der laufenden Tasks Taskwechselunterstützung durch das Betriebssystem Privilegierungsmechanismen Betriebssystemfunktionen zur Verwaltung von virtuellen Speicher Getrennte Stacks für Parameterübergabe Lösung des "Trojanischen Pferd" Problems Privilegebenen Im Protected Mode werden Anwendungen und Betriebssystem strikt getrennt. Es gibt vier Privilegstufen (null bis drei), welche über die Ausführung verschiedener Maschinensprachebefehle entscheiden. Befehle der Ebene Null sind z.B. das Laden der globalen Deskriptorentabelle oder des Maschinenstatuswortes. Aus welchen beiden Teilen besteht eine Virtuelle Adresse? Eine virtuelle Adresse beinhaltet den Segmentselektor, welcher auf einen Eintrag in der Deskriptortabelle zeigt. Das Segment-Offset zeigt auf die dazugehörige Adresse in dem selektierten Segment. Aus welchen drei Teilen setzt sich ein Segmentselektor zusammen? Aus dem Index, der den Eintrag in der Deskriptortabelle referenziert, dem Table Indicator, welcher über globalem oder lokalem Adressraum entscheidet und den Privelege Level. TI - Table Indicator 0 = GDT (Global Deskriptor Table für den globalen Adreßraum) 1 = LDT (Local Deskriptor Table für den lokalen Adreßraum) RPL Requestor's Privilege Level Privilegstufe des Segments, auf welches der Selektor verweist Was ist ein Deskriptor? Deskriptoren sind Abbildungen zwischen der virtuellen bzw. logischen Adresse (Segmentselektor:Offset) und der linearen Adresse (Basisadresse und Offset). Aus der linearen Adresse wird dann die physikalische Adresse berechnet. (bei i286 war die lineare Adresse noch gleich der physikalischen Adresse, da es noch keine Paging-Einheit gab) Was steht alles in so einem Eintrag in der Deskriptortabelle? Die "normalen" Deskriptoren, welche einen normalen Adressraum (Daten-, Code- oder Stacksegment) beschreiben, enthalten die Basisadresse des Segmentes im Speicher die Zugriffsrechte die Länge des Segmentes Eine andere Klasse von Deskriptoren sind System-Segment-Deskriptoren und zur Ablaufsteuerung notwendige Deskriptoren. Erstere definieren Einsprungpunkte in spezielle System-Unterroutinen oder Gates. Letztere sind Deskriptoren für Task-State-Segmente oder Local-Deskriptor-Tables. Aktiv sind aber immer nur eine globale, eine lokale Interrupt-Beschreibertabelle und eine Interrupt-Beschreibertabelle. Was ist ein Gate? Gates sind spezielle Eintritts-Deskriptoren in Segmente höherer Privilegstufe. (Interrupt- oder Trap-Gate-Deskriptoren) Worin unterscheiden sich GDT und LDT? Die Global Descriptor Table einhält Segmente des globalen Adressraums, welcher für alle Tasks zur Verfügung steht. Dagegen sind mit Local Descriptor Table allokierte Segmente nur von den Host-Tasks selbst adressierbar. (privater Adressraum) Lokale Deskriptortabellen sind Grundlage für die Task-Isolation und daher extrem wichtig für Sicherheit und Segmentschutz. Beschreiben Sie den Aufbau einer Globalen Deskriptortabelle ... ... Globale C/D2 Globale Code-/Daten-Deskriptoren Globale C/D1 Globale Code-/Daten-Deskriptoren ... ... System D2 Gates bzw. TSS-Deskriptoren System D1 Gates bzw. TSS-Deskriptoren ... ... ... ... LDT 2 Lokale Deskriptoren für individuellen Task LDT 1 Lokale Deskriptoren für individuellen Task ... ... ... ... IDT 2 Interrupt/Exeption Gates bzw. Deskriptoren IDT 1 Interrupt/Exeption Gates bzw. Deskriptoren GTD_alias ermöglicht dynamischen Zugriff auf die GDT 0-Selektor Zugriff auf 0-Selektor führt zu Exeption Was unterscheidet Real-Mode und Protected-Mode? Im Real-Mode gibt es keine Deskriptoren und somit ist auch kein Segmentschutz möglich. Die Basisadresse berechnet sich einfach aus dem Segment-Register, welches maximal 1 MByte adressieren kann, da es nur 20 Bit breit ist. Im Protected-Mode werden die Basisadressen mittels Deskriptoren bestimmt. Auf Grund dieser Unterschiede sind folgende Merkmale für den Protected-Mode signifikant: Virtuelle Speicherverwaltung Speicherschutzmechanismen durch Segmentation (über Deskriptoren) Paging möglich echtes Multitasking möglich I/O-Privilegierung und privilegierte Befehle Was ist Paging und wie funktioniert es? Paging wird ab i386 vom Prozessor unterstützt und ist nichts weiter als eine Einteilung des Speichers in gleich große Seiten. Vorteil des virtuellen Speichers, welcher durch Mapping oder Paging erst möglich ist, sind für Anwendungen theoretisch unendlich großen Arbeitsspeicher. Grund dafür ist, dass der Tertiärspeicher als Zwischenspeicher für schlafende oder temporär nicht notwendige Seiten ausgenutzt wird. Es gibt ausgeklügelte Seitenerstetzungsalgorithmen, welche das Austauschen von Seiten übernehmen. Ein weiteres Problem was beim Paging gelöst werden muss, ist die eventuell entstehende Inkonsistenz. D ieses Problem wird wie bekanntermaßen üblich durch Dirty-Bits in den Pages gelöst. Verwirrend ist anfangs der Zusammenhang von Segmentierung und Paging. Letztendlich laufen beide Technologien gleichzeitig auf einem modernen System und ergänzen sich gegenseitig. Paging ist hinter den Segmentierungsvorgang geschalten, um Transparenz zu gewährleisten. Die durch die Segmentierung berechnete bzw. übergebene lineare Adresse entspricht ohne Paging der physikalischen. Falls Paging aktiv ist, muss noch etwas mehr getan werden. Die Umsetzung von Linearer in Physikalischer Adresse hängt vom verwendeten Paging ab. Normalerweise wird über die ersten Bits die Page-Table referenziert und über die folgenden der Pagetable-Eintrag, aus dem die Basisadresse geholt wird. Der Offset wird normalerweise beibehalten. Beschreiben Sie was bei einem Page-Fault intern alles abläuft? Während Abarbeitung einer Befehlssequenz erfolgen mehrere Seitenzugriffe Es erfolgt ein Zugriff auf eine Seite. Prozessor prüft die Seite (ist sie im Speicher?). Seite gibt Page Not Present State zurück (d.h. Seite nicht im Speicher) CPU löst Page Fault Exception aus (Siehe System-Aufruf-Deskriptoren) Betriebssystem gibt in Auftrag die Seite von Platte zu holen Prozessor aktiviert Festplattenhardware und positioniert Leseköpfe Seite wird über DMA-Transfer von Disk-To-free Memory übertragen Betriebssystem aktualisiert Pagetable einschließlich des TLB (flush TLB) Betriebssystem startet den unterbrochenen Befehl neu Nennen Sie Vorteile und Nachteile des Pagings gegenüber Segmentation-Only! Performanceerhöhung eines Multitasking-Betriebssystems Verwaltung der Swap-Datei wird durch die Verwendung konstanter Speicherblöcke einfacher nur die 4-KByte werden eingelagert, die tatsächlich benötigt werden und nicht das gesamte Segment Nachteile: Ausführung verzögert sich, weil die Adresse erst dekodiert werden muß bei Zugriff auf eine Seite/Page evtl. erst Einlagerung dieser vom Sekundärspeicher notwendig (Present-Bit) Wie kann man die Adressdekodierung beim Paging umgehen? Durch Translation Lookaside Buffer. Ein TLB ist ein assoziativer Vierwege-Cache, welcher die 32 Page-Table-Einträge aufnimmt, auf die der Prozessor zuletzt zugegriffen hat (LRU-Strategie). Ein TLB Eintrag besteht aus drei logischen Blöcken: Datenblock mit Page-Attributen und physikalische Basisadresse einer Page Tagblock enthält die oberen 17 Bit einer linearen Adresse und Schutz-Bits LRU-Block (Least Recently Used) zeigt letzten Zugriff an Page- und Segmentschutz Zuerst wirkt der Segmentschutz und danach Pageschutz. Pageschutz ist nur 2-stufig. Die inneren drei Privilegebenen sind beim Paging als Supervisor-Code geschützt. Die äußere Ebene ist User-Code. Ein Zugriffsversuch einer User-Page auf eine Supervisor-Page löst eine Exception aus. Was unterscheidet kooperatives und preemtives Multitasking? Beim kooperativen Multitasking entscheiden die Tasks selbst über die Umschaltung der Prozessorleistung. (Naives und Gutgläubiges Verfahren, daß an die Vernunft aller Tasks und somit aller Programmierer glaubt : ) Preemptives Multitasking ist echtes Multitasking. Ein externer Timer steuert die Umschaltung der Tasks. Die Tasks können somit keinen Einfluss auf die Betriebsmittelumschaltung nehmen. Kapitel 4 - Speicherhierarchie und Caches Was bedeutet die Eigenschaft Lokalität? Aus programmtechnischer Sicht wiederholen sich oft Befehle und ganze Programmteile. Somit werden Daten






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Write [...]

Hier wird immer in den Hauptspeicher und in den Cache geschrieben - auch wenn das Datum sich noch nicht im Cache befand.

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Write Allocate Hier wird immer in den Hauptspeicher und in den Cache geschrieben - auch wenn das Datum sich noch nicht im Cache befand.

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
aubt : ) Preemptives Multitasking ist echtes Multitasking. Ein externer Timer steuert die Umschaltung der Tasks. Die Tasks können somit keinen Einfluss auf die Betriebsmittelumschaltung nehmen. <span>Kapitel 4 - Speicherhierarchie und Caches Was bedeutet die Eigenschaft Lokalität? Aus programmtechnischer Sicht wiederholen sich oft Befehle und ganze Programmteile. Somit werden Daten oft wiederholt angefordert. Es gibt nun zwei Arten von Lokalität: Was ist Zeitliche Lokalität? Auf ein gerade zugegriffenes Datum wird sicher bald wieder zugegriffen. Was ist Räumliche Lokalität? Auf Daten, deren Adressen benachbart sind, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zugegriffen. Anzumerken ist, daß Datenzugriffe eine geringere Lokalität zeigen als Befehlszugriffe. Nach welchen Merkmalen lassen sich Caches klassifizieren? Cache-Größe (damit verbundener Hardware-Aufwand) Größe einer Cachezeile (Verschmutzungseffekt) Cache-Organisation (Vollassoziativ/Direct Mapped/Satz-Assoziativ) Schreibstrategie (Write-Through /-Allocate oder -Back) Split-Cache-Design (Transfer-Bandbreiten) Multi-level Cache-Hierarchien (Workingssetgrößen) Effective Working Set (Overflow-, Victim-, Trace Cache) Innere Cache-Parallelität (Streaming) Kohärenz-Verfahren (Snooping, MESI) Wie ist ein Cache aufgebaut? Zeile 1 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 2 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 3 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) ... Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile n Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Control-Bits sind z.B. Valid-Bits, Dirty-Bits und Prozess-ID. Das Adress-Tag ist nichts weiter als ein Teil der Adresse, welche bei einem Zugriff als Index gilt. Ein Datenblock ist in der Praxis meistens zwischen 16 und 64 KByte groß. Welche Cache-Arten kennen Sie? Ein Cache-Eintrag besteht aus einem Tag (Identifikator) und den Daten. Die Implementierung unterscheidet sich. Es gibt voll-, einfach assoziative und Satzassoziative Caches . Wie arbeitet ein vollassoziativer Cache? Das Tag Feld ist hier die assoziierende Adresse des Datums im Speicher. Die Hardware ist bei vollassoziativen Caches aufwendig, da diese bei einem Cache Zugriff alle Tags gleichzeitig mit der anliegenden Adresse vergleicht. Dies ist zwar extrem schnell, aber sehr teuer. Außerdem wird er sehr langsam wenn die Anzahl der Cachezeilen hinreichend groß wird. Da bei vollassoziativen Cachen ein Datum an jede Stelle des Caches platziert werden kann, muss eine Logik her, welche eine Entscheidung trifft. Als Plazierungsstrategie wird oft LRU verwendet. Dies ist seht aufwendig! Wie arbeitet ein Direct-Mapped-Cache (einfach assoziativer Cache)? Beim Direct-Mapped-Cache entscheidet eine Map-Funktion, welche Zeile im Cache mit der anliegenden Adresse referenziert wird (somit ist kein LRU o.ä. notwendig). Dabei wird einem Hauptspeicherblock genau ein Cache-Block zugeordnet (n:1 Beziehung). Oft wird eine Funktion wie (A mod Cachesize / Zeilengröße) zur Berechnung der Cachezeile aus der anliegenden Adresse benutzt, da bei diesem Verfahren dann nur (A / Cachesize) als Tag in jeder Cachezeile gespeichert werden muss. Vorteil dieser Variante ist die einfache, kostengünstige Integration (nur Komperator notwendig) und die hohe Geschwindigkeit. Leider neigt ein Direct-Mapped-Cache zu vielen Konflikten (ähnlich den Kollisionen bei Hash-Tables), welche zusätzliche Cache-Misses bildet, da mehrere Adressen auf die gleiche Cachezeile verweisen. Wie arbeitet ein n-Wege-Satz Cache (Satzassoziativer Cache)? Diese Variante ist nichts anderes als eine Implementation mehrerer parallel verknüpfter Direct-Mapped-Caches. Sie stellt quasi einen Kompromiss zwischen Cache-Effizienz und Aufwand dar. Die Arbeitsweise ist die gleiche, nur das die Map-Funktion nicht nur auf eine Zeile im Speicher zeigt, sondern auf n. Die Hardware des Caches vergleicht alle n Tags gleichzeitig, mit dem anliegenden Index. Ist eine der Tags gleich dem Index, ist dies ein Cache-Hit. Diese Technik reduziert die hohe Anfälligkeit von Direct-Mapped-Caches für Konflikte, benötigt aber mehr Chipfläche. Welche Schreibstrategien für Caches gibt es? Write-Back,Write-Throug und Write-Allocate. Write-Back-Strategie? Ein zu lesendes Datum wird entweder bei einem Hit aus dem Cache gelesen oder im Falle eines Misses, aus dem Hauptspeicher geholt und parallel in den Cache eingetragen. Im Falle der Aktualisierung, muss erst das Dirty-Bit der zu überschreibenden Cache-Line geprüft werden, um diese gegebenenfalls in den Hauptspeicher zurückzuschreiben. (Write-Back) Vorteil dieser Strategie ist das bei Hits kein Hauptspeicherverkehr oder Busbelastung auftritt. Alle Operationen können schnell innerhalb der Working-Sets mit Cache-Speed erfolgen. Somit arbeitet die CPU ungebremst. Problematisch wird dies, wenn mehrere Bus-Master am Bus hängen. Um Inkonsistenzen zu vermeiden sind dann spezielle Synchronisationsprotololle wie MESI notwendig. Concurrent Write-Back? Bei einfachen Write-Back-Caches muss die CPU im Falle eines Cache-Misses warten, bis die neue Cache-Line aus dem Speicher geholt wurde. Um diese Wartezeit im Mittel zu eliminieren, wird die alte Zeile zunächst in einen Writebuffer zwischengespeichert und später, parallel zu nachfolgenden Cache-Referenzen in den Hauptspeicher übernommen. (Sonderform: Buffered Line Refill) Wenn auch beim Lesen ein Line-(Read)-Buffer verwendet wird, spricht man von einem Streaming Cache. Write-Through-Strategie? Write-Through schreibt immer in den Hauptspeicher und falls sich eine Kopie auch im Cache befindet, so wird diese aktualisiert. Genau aus diesem Grund ist kein Rückschreiben eines Dirty-Datums notwendig, da es zu keinen Inkonsistenzen zwischen RAM und Cache kommen kann. Nachteil ist aber, dass nur bei Leseoperationen ein Geschwindigkeitsvorteil erzielt werden kann Buffered Write-Through Im Mittel erfolgen nach jeder Write-Operation zwei Read-Operationen. Deshalb kann ein Geschwindigkeitsgewinn erzielt werden, wenn ein schneller Zwischenbuffer (FiFo) vor dem Speicher plaziert wird, welcher einige Write-Operationen aufnehmen kann. Wird nun eine Leseoperation ausgeführt, so kann das Datum falls es noch in dem schnellen Buffer steht, direkt aus diesem gelesen werden. Write Allocate Hier wird immer in den Hauptspeicher und in den Cache geschrieben - auch wenn das Datum sich noch nicht im Cache befand. Zusammenspiel bei Cache-Misses Write-Allocate wird meistens mit Write-Back Strategie gemeinsam verwendet. Write-Allocate bedeutet dabei nichts weiter, als das der Hauptspeicher-Block in den Cache geladen wird. Beim No-write-Allocate (Write-Around) wird das Datum direkt im Hauptspeicher modifiziert, weshalb Write Around meist mit Write-Through verbunden wird. Zusammenfassung Caches Write-Back wird üblicherweise mit Write-Allocate kombiniert. Beim Write Allocate (fetch-on-write) wird ein Block gelesen und in Cache gespeichert. Beim No-write-allocate (write-around) wird der Block in der unteren Ebene der Speicherhierarchie modifiziert und nicht nicht im Cache geladen. No-write-allocate wird deshalb meist bei Write-through verwendet. Was ist der Unterschied zwischen einen logischen und einen physischen Cache? Physische Caches liegen vor der MMU und speichern somit nur physikalische Adressen. Ein logischer Cache liegt zwischen CPU und MMU und speichert logische Adressen. Vorteil von logischen Caches ist daher, dass die Adressumrechnung bei einem Hit entfällt. Ein großer Nachteil sind aber die Synonym-Probleme bei Multiprozessorsystemen. Des weiteren wird bei Taskwechsel ein Cache-Flush notwendig. Multi-Level-Caches und Split-Caches Durch Hintereinanderlegen von verschiedenen Caches kann ein gleitender Übergang zu immer größeren und langsameren Speichern erreicht werden. First Level Caches sind meist n-Wege-Satzassoziativ und folgende Direct-Mapped. Split-Caches trennen Code und Daten und sind somit viel flexibler und besser an das Zugriffsverhalten in Bezug auf Strategie oder Assoziativität zu optimieren. Dabei unterscheidet man eine Havard-Architektur von der multiplexed Havard-Architektur (von Neumann Prinzip). Die reine Harvard trennt nicht nur Cache sondern auch den Hauptspeicher in Daten und Codebereich. Bei von Neumann liegen Daten und Code zusammen im Hauptspeicher und werden nur im Cache getrennt. Durch Trennung von Code und Daten verdoppelt sich die Bandbreite, da zeitgleich zugegriffen werden kann. Was geschieht wenn kein Platz mehr im Cache vorhanden ist? Es muss eine Cache-Line ausgewählt werden, die mit den neuen benötigten Daten überschrieben werden kann. Die Auswahl erfolgt meistens mit LRU - Last Recently Used. D.h. die am längsten nicht genutzte Cache-Line fliegt raus. Was ist ein Burst-Cache? Burst Caches schreiben nicht nur eine Zeile in den Speicher zurück, sondern gleich mehrere, um die Bandbreite auszunutzen und somit Zeit zu sparen. Zusammenhänge zwischen Caches, TLB's und Page Tables Folgende vier Fragen stellen sich bei Caches, TLB's und auch bei Page Tables: Wo kann ein Block eingelagert werden? (Direct Mapped also nur an einem Ort, Set Assoziativ an mehreren Orten oder Voll Assoziativ, also überall) Wie kann ein Block gefunden werden? (indexiert, limitierte Suche, komplette Suche oder lookup table wie Page Tables) Wie wird ein Block bei einem Miss aktualisiert? (normalerweise über LRU oder random Methoden) Wie wird mit Schreiboperationen umgegangen? (Write Through oder Write Back) Ein TLB ist ein Translation Lookaside Buffer und ist ein kleiner Cache für die Page Table, um Seitenzugriffe zu beschleunigen. Was ist ein Trace-Cache Ein Trace Cache ist ein spezieller Befehlscache, der "Traces" des aktuellen Programmlauf protokolliert. Dabei speichert jede Zeile einen Trace, welcher typisch mehrere taken branches enthalten kann. Befehlsfolgen, die aufgrund von taken branches (weit) auseinander liegen, werden in kontinuierlicher Folge abgespeichert. Gepaart mit multiple branch prediction können mehrere zusammenhängende Basisblöcke parallel gefetched werden. (ergibt hohe issue rate) Kapitel 5 - Risc Wie berechnet sich die Prozessorleistung? Die Prozessorleistung ist umgekehrt proportional zur Ausführungszeit eines Algorithmus und wird aus folgenden drei Parametern






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Hier wird immer in [...] geschrieben - auch wenn das Datum sich noch nicht im Cache befand.

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den Hauptspeicher und in den Cache

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Grundprinzipien der Rechnerarchitektur
aubt : ) Preemptives Multitasking ist echtes Multitasking. Ein externer Timer steuert die Umschaltung der Tasks. Die Tasks können somit keinen Einfluss auf die Betriebsmittelumschaltung nehmen. <span>Kapitel 4 - Speicherhierarchie und Caches Was bedeutet die Eigenschaft Lokalität? Aus programmtechnischer Sicht wiederholen sich oft Befehle und ganze Programmteile. Somit werden Daten oft wiederholt angefordert. Es gibt nun zwei Arten von Lokalität: Was ist Zeitliche Lokalität? Auf ein gerade zugegriffenes Datum wird sicher bald wieder zugegriffen. Was ist Räumliche Lokalität? Auf Daten, deren Adressen benachbart sind, wird mit hoher Wahrscheinlichkeit auch zugegriffen. Anzumerken ist, daß Datenzugriffe eine geringere Lokalität zeigen als Befehlszugriffe. Nach welchen Merkmalen lassen sich Caches klassifizieren? Cache-Größe (damit verbundener Hardware-Aufwand) Größe einer Cachezeile (Verschmutzungseffekt) Cache-Organisation (Vollassoziativ/Direct Mapped/Satz-Assoziativ) Schreibstrategie (Write-Through /-Allocate oder -Back) Split-Cache-Design (Transfer-Bandbreiten) Multi-level Cache-Hierarchien (Workingssetgrößen) Effective Working Set (Overflow-, Victim-, Trace Cache) Innere Cache-Parallelität (Streaming) Kohärenz-Verfahren (Snooping, MESI) Wie ist ein Cache aufgebaut? Zeile 1 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 2 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile 3 Adress-Tag Datenblock Control(Bits) ... Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Zeile n Adress-Tag Datenblock Control(Bits) Control-Bits sind z.B. Valid-Bits, Dirty-Bits und Prozess-ID. Das Adress-Tag ist nichts weiter als ein Teil der Adresse, welche bei einem Zugriff als Index gilt. Ein Datenblock ist in der Praxis meistens zwischen 16 und 64 KByte groß. Welche Cache-Arten kennen Sie? Ein Cache-Eintrag besteht aus einem Tag (Identifikator) und den Daten. Die Implementierung unterscheidet sich. Es gibt voll-, einfach assoziative und Satzassoziative Caches . Wie arbeitet ein vollassoziativer Cache? Das Tag Feld ist hier die assoziierende Adresse des Datums im Speicher. Die Hardware ist bei vollassoziativen Caches aufwendig, da diese bei einem Cache Zugriff alle Tags gleichzeitig mit der anliegenden Adresse vergleicht. Dies ist zwar extrem schnell, aber sehr teuer. Außerdem wird er sehr langsam wenn die Anzahl der Cachezeilen hinreichend groß wird. Da bei vollassoziativen Cachen ein Datum an jede Stelle des Caches platziert werden kann, muss eine Logik her, welche eine Entscheidung trifft. Als Plazierungsstrategie wird oft LRU verwendet. Dies ist seht aufwendig! Wie arbeitet ein Direct-Mapped-Cache (einfach assoziativer Cache)? Beim Direct-Mapped-Cache entscheidet eine Map-Funktion, welche Zeile im Cache mit der anliegenden Adresse referenziert wird (somit ist kein LRU o.ä. notwendig). Dabei wird einem Hauptspeicherblock genau ein Cache-Block zugeordnet (n:1 Beziehung). Oft wird eine Funktion wie (A mod Cachesize / Zeilengröße) zur Berechnung der Cachezeile aus der anliegenden Adresse benutzt, da bei diesem Verfahren dann nur (A / Cachesize) als Tag in jeder Cachezeile gespeichert werden muss. Vorteil dieser Variante ist die einfache, kostengünstige Integration (nur Komperator notwendig) und die hohe Geschwindigkeit. Leider neigt ein Direct-Mapped-Cache zu vielen Konflikten (ähnlich den Kollisionen bei Hash-Tables), welche zusätzliche Cache-Misses bildet, da mehrere Adressen auf die gleiche Cachezeile verweisen. Wie arbeitet ein n-Wege-Satz Cache (Satzassoziativer Cache)? Diese Variante ist nichts anderes als eine Implementation mehrerer parallel verknüpfter Direct-Mapped-Caches. Sie stellt quasi einen Kompromiss zwischen Cache-Effizienz und Aufwand dar. Die Arbeitsweise ist die gleiche, nur das die Map-Funktion nicht nur auf eine Zeile im Speicher zeigt, sondern auf n. Die Hardware des Caches vergleicht alle n Tags gleichzeitig, mit dem anliegenden Index. Ist eine der Tags gleich dem Index, ist dies ein Cache-Hit. Diese Technik reduziert die hohe Anfälligkeit von Direct-Mapped-Caches für Konflikte, benötigt aber mehr Chipfläche. Welche Schreibstrategien für Caches gibt es? Write-Back,Write-Throug und Write-Allocate. Write-Back-Strategie? Ein zu lesendes Datum wird entweder bei einem Hit aus dem Cache gelesen oder im Falle eines Misses, aus dem Hauptspeicher geholt und parallel in den Cache eingetragen. Im Falle der Aktualisierung, muss erst das Dirty-Bit der zu überschreibenden Cache-Line geprüft werden, um diese gegebenenfalls in den Hauptspeicher zurückzuschreiben. (Write-Back) Vorteil dieser Strategie ist das bei Hits kein Hauptspeicherverkehr oder Busbelastung auftritt. Alle Operationen können schnell innerhalb der Working-Sets mit Cache-Speed erfolgen. Somit arbeitet die CPU ungebremst. Problematisch wird dies, wenn mehrere Bus-Master am Bus hängen. Um Inkonsistenzen zu vermeiden sind dann spezielle Synchronisationsprotololle wie MESI notwendig. Concurrent Write-Back? Bei einfachen Write-Back-Caches muss die CPU im Falle eines Cache-Misses warten, bis die neue Cache-Line aus dem Speicher geholt wurde. Um diese Wartezeit im Mittel zu eliminieren, wird die alte Zeile zunächst in einen Writebuffer zwischengespeichert und später, parallel zu nachfolgenden Cache-Referenzen in den Hauptspeicher übernommen. (Sonderform: Buffered Line Refill) Wenn auch beim Lesen ein Line-(Read)-Buffer verwendet wird, spricht man von einem Streaming Cache. Write-Through-Strategie? Write-Through schreibt immer in den Hauptspeicher und falls sich eine Kopie auch im Cache befindet, so wird diese aktualisiert. Genau aus diesem Grund ist kein Rückschreiben eines Dirty-Datums notwendig, da es zu keinen Inkonsistenzen zwischen RAM und Cache kommen kann. Nachteil ist aber, dass nur bei Leseoperationen ein Geschwindigkeitsvorteil erzielt werden kann Buffered Write-Through Im Mittel erfolgen nach jeder Write-Operation zwei Read-Operationen. Deshalb kann ein Geschwindigkeitsgewinn erzielt werden, wenn ein schneller Zwischenbuffer (FiFo) vor dem Speicher plaziert wird, welcher einige Write-Operationen aufnehmen kann. Wird nun eine Leseoperation ausgeführt, so kann das Datum falls es noch in dem schnellen Buffer steht, direkt aus diesem gelesen werden. Write Allocate Hier wird immer in den Hauptspeicher und in den Cache geschrieben - auch wenn das Datum sich noch nicht im Cache befand. Zusammenspiel bei Cache-Misses Write-Allocate wird meistens mit Write-Back Strategie gemeinsam verwendet. Write-Allocate bedeutet dabei nichts weiter, als das der Hauptspeicher-Block in den Cache geladen wird. Beim No-write-Allocate (Write-Around) wird das Datum direkt im Hauptspeicher modifiziert, weshalb Write Around meist mit Write-Through verbunden wird. Zusammenfassung Caches Write-Back wird üblicherweise mit Write-Allocate kombiniert. Beim Write Allocate (fetch-on-write) wird ein Block gelesen und in Cache gespeichert. Beim No-write-allocate (write-around) wird der Block in der unteren Ebene der Speicherhierarchie modifiziert und nicht nicht im Cache geladen. No-write-allocate wird deshalb meist bei Write-through verwendet. Was ist der Unterschied zwischen einen logischen und einen physischen Cache? Physische Caches liegen vor der MMU und speichern somit nur physikalische Adressen. Ein logischer Cache liegt zwischen CPU und MMU und speichert logische Adressen. Vorteil von logischen Caches ist daher, dass die Adressumrechnung bei einem Hit entfällt. Ein großer Nachteil sind aber die Synonym-Probleme bei Multiprozessorsystemen. Des weiteren wird bei Taskwechsel ein Cache-Flush notwendig. Multi-Level-Caches und Split-Caches Durch Hintereinanderlegen von verschiedenen Caches kann ein gleitender Übergang zu immer größeren und langsameren Speichern erreicht werden. First Level Caches sind meist n-Wege-Satzassoziativ und folgende Direct-Mapped. Split-Caches trennen Code und Daten und sind somit viel flexibler und besser an das Zugriffsverhalten in Bezug auf Strategie oder Assoziativität zu optimieren. Dabei unterscheidet man eine Havard-Architektur von der multiplexed Havard-Architektur (von Neumann Prinzip). Die reine Harvard trennt nicht nur Cache sondern auch den Hauptspeicher in Daten und Codebereich. Bei von Neumann liegen Daten und Code zusammen im Hauptspeicher und werden nur im Cache getrennt. Durch Trennung von Code und Daten verdoppelt sich die Bandbreite, da zeitgleich zugegriffen werden kann. Was geschieht wenn kein Platz mehr im Cache vorhanden ist? Es muss eine Cache-Line ausgewählt werden, die mit den neuen benötigten Daten überschrieben werden kann. Die Auswahl erfolgt meistens mit LRU - Last Recently Used. D.h. die am längsten nicht genutzte Cache-Line fliegt raus. Was ist ein Burst-Cache? Burst Caches schreiben nicht nur eine Zeile in den Speicher zurück, sondern gleich mehrere, um die Bandbreite auszunutzen und somit Zeit zu sparen. Zusammenhänge zwischen Caches, TLB's und Page Tables Folgende vier Fragen stellen sich bei Caches, TLB's und auch bei Page Tables: Wo kann ein Block eingelagert werden? (Direct Mapped also nur an einem Ort, Set Assoziativ an mehreren Orten oder Voll Assoziativ, also überall) Wie kann ein Block gefunden werden? (indexiert, limitierte Suche, komplette Suche oder lookup table wie Page Tables) Wie wird ein Block bei einem Miss aktualisiert? (normalerweise über LRU oder random Methoden) Wie wird mit Schreiboperationen umgegangen? (Write Through oder Write Back) Ein TLB ist ein Translation Lookaside Buffer und ist ein kleiner Cache für die Page Table, um Seitenzugriffe zu beschleunigen. Was ist ein Trace-Cache Ein Trace Cache ist ein spezieller Befehlscache, der "Traces" des aktuellen Programmlauf protokolliert. Dabei speichert jede Zeile einen Trace, welcher typisch mehrere taken branches enthalten kann. Befehlsfolgen, die aufgrund von taken branches (weit) auseinander liegen, werden in kontinuierlicher Folge abgespeichert. Gepaart mit multiple branch prediction können mehrere zusammenhängende Basisblöcke parallel gefetched werden. (ergibt hohe issue rate) Kapitel 5 - Risc Wie berechnet sich die Prozessorleistung? Die Prozessorleistung ist umgekehrt proportional zur Ausführungszeit eines Algorithmus und wird aus folgenden drei Parametern






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Instruction-level parallelism (ILP) (hardware executes multiple instructions at once) is hidden from programmer
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Multi-and manycore processors require explicitly parallel programming
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Improving one aspect of computer does not yield proportional
improvement in overall performance
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Computer performance depends on workload
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