Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Δημήτρης Γκιζόπουλος Καθηγητής Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Γενικά — 2 Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Γενικά — 3 Η Βασική Εξίσωση Απόδοσης Χρόνος προγράμματος = = εντολές κύκλοι sec πρόγραμμα εντολή κύκλος x x Παράδειγμα: πρόγραμμα 50 ‧ 10 9 (50 δις) εντολών 2 κύκλους ρολογιού ανά εντολή 0.5 ns (=0.5 ‧ 10 -9 s) διάρκεια κύκλου, (ή ρυθμός ρολογιού 2 GHz) Χρόνος = 50 ‧ 10 9 × 2 × 0.5 ‧ 10 -9 = 50 sec Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Γενικά — 4 Γενικά Δημήτρης Γκιζόπουλος , Καθηγητής http://www.di.uoa.gr/~dgizop γραφείο Α36 Διδασκαλία Δευτέρα και Τρίτη 13 00 -15 00 Φροντιστήριο (κατόπιν ενημέρωσης) Δευτέρα 17 00 -19 00 Εργαστήριο Έναρξη σύντομα – δήλωση συμμετοχής στο eclass E-class http://eclass.uoa.gr/courses/D19/ διαφάνειες, υλικό, ασκήσεις, επικοινωνία Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Βαθμολογία μαθήματος Θεωρία 70% + Εργαστήριο 30% RARS + QtRVSim simulators αρχιτεκτονικής RISC-V δηλώσεις για εγγραφή στο εργαστήριο παρακολούθηση + εξέταση Ισχύει για όλους τους φοιτητές με ΑΜ 2010... + Κουίζ (μάθημα της εβδομάδας) – συστηματική συμμετοχή δίνει 1 επιπλέον βαθμό (bonus) στην τελική εξέταση της θεωρίας Γενικά — 5 Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών 2018 – Χρονιά «Σταθμός» Γενικά — 6 Για πρώτη φορά στην ιστορία του ανθρώπου! > 100 Μ τρανζίστορ ανά mm 2 Image courtesy of Intel Corp. HVM: High-Volume Manufacturing Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Central Processing Units (CPUs) Γενικά — 7 Intel Core i9-7980XE (Skylake-X), September 2017 14 nm 18 cores 6–7 B transistors 484 mm 2 die area Images courtesy of Intel Corp. High-End Desktop (HEDT) CPU Intel Xeon Platinum 8180 [Skylake Purley Extreme Core Count (XCC)], July 2017 14 nm 28 cores ~8.4–10 B transistors 698 mm 2 die area Server CPU Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών GPUs Γενικά — 8 Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Εξέλιξη κατασκευής CPU/GPU Γενικά — 9 Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Αρχιτεκτονική Υπολογιστών; Ο ευρύτερος ορισμός: Αρχιτεκτονική Υπολογιστών είναι η σχεδίαση των επιπέδων αφαίρεσης (abstraction layers) που μας επιτρέπει να υλοποιήσουμε εφαρμογές επεξεργασίας πληροφορίας (information processing applications) με αποδοτικο τρόπο χρησιμοποιώντας τις διαθέσιμες τεχνολογίες κατασκευής. Γιατί χρειάζονται επίπεδα αφαίρεσης; Διότι η απόσταση μεταξύ της εφαρμογής και της φυσικής συσκευής που θα την εκτελέσει είναι πολύ μεγάλη Γενικά — 10 Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Επίπεδα αφαίρεσης Στα σύγχρονα υπολογιστικά συστήματα Γενικά — 11 Algorithm Gates/Register-Transfer Level (RTL) Application Instruction Set Architecture (ISA) Operating System/Virtual Machines Microarchitecture Devices Programming Language Circuits Physics Αλγόριθμος Πύλες/Επίπεδο Μεταφοράς Καταχ/τή Εφαρμογή Αρχιτεκτονική Συνόλου Εντολών Λειτουργικό Σύστημα/Εικονικές Μηχ. Μικροαρχιτεκτονική Συσκευές (στοιχεία κυκλώματος) Γλώσσα προγραμματισμού Κυκλώματα Φυσική Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Γιατί τα χρειαζόμαστε; Γενικά — 12 Algorithm Gates/Register-Transfer Level (RTL) Application Instruction Set Architecture (ISA) Operating System/Virtual Machines Microarchitecture Devices Programming Language Circuits Physics 6.7 billion transistors 1 billion gates 10 000 hardware blocks 3684 x86 instructions 354 Arm instructions 300 system calls 32 / 60 C/C++ keywords [~10 10 ] [~10 9 ] [~10 4 ] [~10 3 ] [~10 2 ] [~10 2 ] [~10 1 ] Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Το όνομα του μαθήματος Εμείς έχουμε τα μαθήματα Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Ι βασικές έννοιες οργάνωσης υπολογιστών, αρχιτεκτονικής υπολογιστών, αριθμητικής υπολογιστών, σχεδίασης υπολογιστών Αρχιτεκτονική Υπολογιστών ΙΙ προηγμένες έννοιες αρχιτεκτονικής υπολογιστών και μέθοδοι σχεδίασης υψηλών επιδόσεων άλλα τμήματα τα ονομάζουν Οργάνωση Υπολογιστών Αρχιτεκτονική Υπολογιστών Γενικά — 13 Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Οργάνωση και Σχεδίαση Υπολογιστών: η Διασύνδεση Υλικού και Λογισμικού , 2 η έκδοση RISC-V, (Computer Organization and Design: the Hardware/Software Interface, 2e RISC-V) D.A.Patterson – CS@Berkeley U J.L.Hennessy – Stanford U Elsevier/Morgan Kaufmann Μετάφραση, επιστημονική επιμέλεια στα ελληνικά: Δ.Γκιζόπουλος (εκδόσεις Κλειδάριθμος) Βιβλίο του μαθήματος Γενικά — 14 Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Η ιστορία του βιβλίου Γενικά — 15 Με βάση τους επεξεργαστές MIPS, Arm, RISC-V Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Ξενάγηση στο βιβλίο Γενικά — 16 Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Ξενάγηση στο βιβλίο (συνεχ.) Γενικά — 17 Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Simulators – RARS Γενικά — 18 Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Simulators – QtRVSim Γενικά — 19 Δημήτρης Γκιζόπουλος, Πανεπιστήμιο Αθηνών Περιεχόμενο μαθήματος Γενικά — 20 Μεταγλωτιστής Διασύνδεση Υπολογιστής Είσοδος Έξοδος Μνήμη Επεξεργαστής Αξιολόγηση Απόδοσης Μονάδα ελέγχου (έλεγχος) Διαδρομή δεδομένων