doct / E - Katedra Informatyki > Home
download 
Reklamacja Transkrypt
t / E - Katedra Informatyki > Home
tƐƚħƉĚŽ/ŶĨŽƌŵĂƚLJŬŝ ŚŝƉƐĞƚ ƌĐŚŝƚĞŬƚƵƌĂŬŽŵƉƵƚĞƌĂWĐĚ͘ Zestaw układów scalonych zarządzających transferami pomiędzy procesorem, pamięcią cache, pamięcią główną i kontrolerami magistral Cezary Bolek [email protected] Intel Triton 430 FX,VX,TX,HX,TX (1995-1998) – płyty główne z pojedynczą magistralą systemową 66MHz, magistrala PCI 2.0, wbudowana obsługa dysków EIDE, pamięci EDO, SDRAM (SIMM, DIMM), kontroler USB, kontroler PS2 klawiatury i myszy Uniwersytet Łódzki Wydział Zarządzania Katedra Informatyki Klony: VIA, SiS, Opti, Ali, ... Wstęp do Informatyki [email protected] ŚŝƉƐĞƚĐ͘Ě͘ EŽƌƚŚͲ^ŽƵƚŚ ƌŝĚŐĞ Intel 440 LX,EX,BX,ZX,GX,NX (1997-1999) – płyty główne z magistralą back- i frontside 100MHz, magistrala AGP, obsługa trybów Ultra DMA dysków EIDE, ACPI , czujniki temperatury i obrotów, RAID North Bridge: zarządzanie szybkim transferem pomiędzy procesorem, pamięcią i AGP South Bridge: zarządzanie transferem do urządzeń we/wy Wstęp do Informatyki [email protected] Wstęp do Informatyki [email protected] 1 ŚŝƉƐĞƚĐ͘Ě͘ ŚŝƉƐĞƚĐ͘Ě͘ Intel 810,820,815,850,845 (1999-2002) – płyty główne z magistralą back- i frontside 133,266,400MHz, Accelerated Hub Architecture, AGPx4, pamięci DDR SDRAM, zintegrowany kontroler dźwięku AC97, modem, LAN Accelerated Hub Architecture • Memory Controller Hub • I/O Controller Hub, and • Firmware Hub. Intel Intel E7205 chipset (2002) magistrala pamięci Dual Channel DDR266 (4.2GB/s) 400/533MHz FrontsideBus (3.2GBps - 4.2GB/s) AGP 8x USB 2.0 Intel 875P chipset (2003) 64-bit 800MHz FSB (6.4GB/s) Dual Channel DDR SDRAM: DDR400, DDR333, DDR266 Serial ATA Transfery pomiędzy hub’ami wykorzystują własną wydajną magistralę Intel 865 chipset (2003) Hyper Threading Dual Channel 64-bit DDR Communication Streaming Architecture: gigabit Ethernet Wstęp do Informatyki [email protected] Wstęp do Informatyki [email protected] ŚŝƉƐĞƚĐ͘Ě͘ ŚŝƉƐĞƚĐ͘Ě͘ Intel P45 chipset (2008) North bridge i865 chipset Celeron/Dual-Core, Pentium DualCore, and Core 2 Duo/Quad/Extreme 800/1066/1333MHz FSB Dual-channel DDR2-667/800, DDR3800/1066, 16/8 GB (DDR2/DDR3) PCI Express 2.0 x16 Wstęp do Informatyki South bridge do 6 portów PCIEx1 (PCI-E 1.1) do 4 slotów PCI 6 portów Serial ATA II RAID 0, 1, 0+1 (10), 5 with Matrix RAID function 12 x USB 2.0 devices Gigabit Ethernet High Definition Audio (7.1) [email protected] Wstęp do Informatyki [email protected] 2 WŽƐƚħƉǁǁLJĚĂũŶŽƑĐŝƉƌŽĐĞƐŽƌſǁŝƉĂŵŝħĐŝ ^LJƐƚĞŵƉĂŵŝħĐŝ ŬŽŵƉƵƚĞƌſǁW Podwojenie wydajności procesora: 18 miesięcy Podwojenie wydajności pamięci: 7 lat Na szybkość pamięci składają się dwa parametry: Memory access time: czas transferu podstawowej porcji danych pomiędzy procesorem i pamięcią Memory cycle time: minimalny czas pomiędzy dwoma kolejnymi odczytami/zapisami tej samej komórki pamięci Wstęp do Informatyki [email protected] WĂŵŝħđ ʹ ǁČƐŬŝĞŐĂƌĚųŽƐLJƐƚĞŵƵ Wstęp do Informatyki [email protected] ,ŝĞƌĂƌĐŚŝĐnjŶĂŽƌŐĂŶŝnjĂĐũĂƉĂŵŝħĐŝ CPU i rejestry wewnętrzne Rozwiązanie problemu wolnego dostępu do pamięci: zastosowanie b. szybkich pamięci StaticRAM – rozwiązanie bardzo kosztowne i energochłonne, nadające się tylko do specjalnych zastosowań; L1 Cache zastosowanie wolnych pamięci DRAM i metod poprawy transferu: szerokie magistrale, transfery blokowe; Cache L2 ... kombinacja duŜej i wolnej oraz małej i szybkiej pamięci, zorganizowanej tak aby większość transferów odbywała się z pamięcią szybką (tzw. cache). im dalej od procesora tym wolniejsza pamięć Pamięć główna Wydajny system pamięci musi mieć budowę hierarchiczną! Rozmiar pamięci na kaŜdym poziomie Wstęp do Informatyki [email protected] Wstęp do Informatyki [email protected] 3 <ŽŶĐĞƉĐũĂƉĂŵŝħĐŝƉŽĚƌħĐnjŶĞũͲ ĂĐŚĞ ,ŝĞƌĂƌĐŚŝĐnjŶĂŽƌŐĂŶŝnjĂĐũĂƉĂŵŝħĐŝ Pamięć Cache – relatywnie mała i szybka pamięć, która powiela fragment głównego systemu pamięci, w taki sposób, aby większość odwołań procesora odnosiła się właśnie do pamięci Cache. np. Reguły działania: czas dostępu DEC Alpha 21164 (500MHz) Rejestry procesora Pamięć Cache level 1 (on chip) Pamięć Cache level 2 (on chip) Pamięć Cache level 3 (off chip) Główny system pamięci (DRAM) Pamięć wirtualna (na twardym dysku) 2ns 4ns 5ns 30ns 220ns ms Podczas odczytu danej pamięci: procesor sprawdza czy dana jest w pamięci podręcznej – jeśli jest to ładuje ją, jeśli danej nie ma w Cache, procesor pobiera ją z pamięci głównej i umieszcza w rejestrze wewnętrznym, ale równieŜ w pamięci Cache. Podczas zapisu danej do pamięci: procesor zapisuje daną do pamięci Cache i pamięci głównej jednocześnie (write-through). procesor zapisuje daną tylko do pamięci Cache, a zapis do pamięci głównej odbywa się dopiero gdy inna dana ma być zapisana w tym samym miejscu pamięci Cache (write-back). Hit rate – współczynnik trafień – proporcja liczby udanych transferów z pamięci Cache w stosunku do wszystkich transferów pomiędzy procesorem a pamięcią. Wstęp do Informatyki Wstęp do Informatyki [email protected] KĚĐnjLJƚnjƉĂŵŝħĐŝĂĐŚĞ [email protected] ĂƉŝƐĚŽƉĂŵŝħĐŝĂĐŚĞ adres adres dane Procesor Procesor Cache Dana jest juŜ w pamięci Cache podczas próby odczytu dane inne dane (o ile były zmienione) Zapis do Cache i pamięci głównej (write-thruogh) adres adres dane Procesor dane Procesor Cache Danej nie ma w pamięci Cache podczas próby odczytu Wstęp do Informatyki Cache inne dane (o ile były zmienione) [email protected] dane Cache inne dane (o ile były zmienione) Zapis do Cache i w razie potrzeby do pamięci głównej (write-back) Wstęp do Informatyki [email protected] 4 DĞƚŽĚLJĚŽųČĐnjĞŶŝĂƉĂŵŝħĐŝĐĂĐŚĞ ĚŽƉƌŽĐĞƐŽƌĂ Procesor odwołuje się do cache wykorzystując magistralę pamięciową. Look – Aside (dostęp bezpośredni) Pamięć operacyjna RAM Procesor CPU Podłączona równolegle z pamięcią operacyjną RAM. Częstotliwość pracy obu pamięci jest taka sama Magistrala jest blokowana przy kaŜdym dostępie procesora do cache i nie moŜe być w tym samym czasie udostępniona innym urządzeniom Pamięć podręczna CACHE Układ pamięci podręcznej pośredniczy w dostępie procesora do RAM. Look – Throgh (dostęp „przez”) Pamięć podręczna CACHE Procesor CPU Pamięć operacyjna RAM Look – Backside (dostęp od tyłu) Procesor CPU magistrala FSB Pamięć operacyjna RAM magistrala BSB ĂƐĂĚLJůŽŬĂůŶŽƑĐŝƉƌŽŐƌĂŵſǁ Procesor odwołuje się do układu cache, natomiast ten układ jest dołączony przez magistralę pamięciową do RAM. Układ pamięci podręcznej jest dołączony do procesora przez oddzielną magistralę BSB (Back Side Bus). Druga magistrala FSB (Front Side Bus) łączy procesor z pamięcią główną. Dlaczego pamięć Cache istotnie poprawia wydajność skoro obejmuje tylko mały fragment pamięci operacyjnej? Zasada lokalności w przestrzeni: jeśli jakaś instrukcja lub dana była raz odczytana, to inne instrukcje lub dane blisko niej będą równieŜ odczytane. Zasada lokalności w czasie: jeśli jakaś instrukcja lub dana była raz odczytana, to będzie prawdopodobnie odczytana wkrótce jeszcze raz . Częstotliwości obu magistral są niezaleŜne. MoŜliwe jest wykorzystanie FSB przez inne urządzenia zapisujące do pamięci RAM, gdy procesor komunikuje się z cache po BSB. Pamięć podręczna CACHE Wstęp do Informatyki [email protected] KƌŐĂŶŝnjĂĐũĂƉĂŵŝħĐŝĂĐŚĞ Wstęp do Informatyki [email protected] WĂŵŝħđ ĂĐŚĞ >ϭ Pamięć główna Cache Główny element decydujący od wydajności systemu Linia 0 Linia 1 Linia 2 Linia 3 etc... Zawsze zintegrowana z mikroprocesorem w jednym układzie scalonym, co ogranicza jej rozmiar (4-256kB) Zbudowana jako pamięć Static RAM (przerzutniki) Pamięć Cache składa się z linii, zawierających pewną liczbę bajtów występujących kolejno po sobie w pamięci głównej. Czas dostępu niemal tak szybki jak do rejestrów procesora Zasada lokalności w czasie i przestrzeni dotyczy programów (instrukcji) i danych, ale nie ma Ŝadnej korelacji pomiędzy instrukcjami i danymi Zawsze dwa oddzielne bloki: dla instrukcji i dla danych Zalecane jest istnienie oddzielnych pamięci Cache dla instrukcji i danych tzw. architektura typu Harvard. Wstęp do Informatyki [email protected] Strategie: write-back (szybsza) i write-through (wolniejsza) Wstęp do Informatyki [email protected] 5 WĂŵŝħđ ŐųſǁŶĂ WĂŵŝħđ ĂĐŚĞ >Ϯ Wykonywana jako część procesora lub oddzielny układ scalony, montowany na płycie głównej obok procesora „na stałe” lub w gniazdach Słabsze ograniczenia rozmiaru, typowo od 256kB do 12MB Zbudowana jako pamięć Static RAM (przerzutniki) Czas dostępu znacznie wolniejszy od rejestrów procesora, ale znacznie szybszy od pamięci głównej Strategie write-back (szybsza) i write-through (wolniejsza) Współpraca z procesorem w trybie burst poprzez magistralę backside procesora Cache L3 – rozwinięcie koncepcji hierarchii pamięci poprzez dodanie jeszcze jednego poziomu, zwykle o rozmiarze kilku MB, dla wydajnych systemów serwerowych. Wstęp do Informatyki [email protected] ^ZD Zawsze wykonywana jako pamięć Dynamic RAM (DRAM), współpracująca z procesorem przez magistralę systemową lub magistralę frontside Wszystkie procesory typu Pentium (po 1993) mają magistralę danych o szerokości co najmniej 64bitów (8 bajtów) DRAM Fast Page Mode DRAM Extended Data Out DRAM Burst Extended Data Out DRAM Synchronous DRAM – 4.77-40MHz – FPM DRAM (16-66MHz) – EDO DRAM (33-75MHz) – BEDO DRAM (60-100MHz) – SDRAM (100,133MHz) Double Data Rate SDRAM DDR2 SDRAM DDR3 SDRAM – DDR SDRAM (200,266,333,400 MHZ, ...) Wstęp do Informatyki [email protected] Z^ZD Synchronous Dynamic Random Access Memory – pamięć z interfejsem synchronicznym. Pamięć tradycyjna (DRAM) posiada interfejs asynchroniczny – odpowiedź jest generowana niezaleŜnie od taktowania zegara FSB. SDRAM czeka na cykl zegara FSB, będąc z nim zsynchronizowana. Dane pojawiają się po określonej liczbie cykli zegara od momentu wysłania Ŝądania odczytu. Koncepcja podobna do SDRAM Dwukrotne zwiększenie przepustowości poprzez transfer danych podczas narastającego i opadającego zbocza zegara. Pojedynczy transfer danych - 64 bitów. Transfer DDR SDRAM = (częstotliwość zegara) × 2 (dwa zbocza) × 64 (liczba bitów na transfer) / 8 (liczba bitów/byte). Dla taktowania 100 MHz, transfer 1600 MB/s. Maksymalna przepustowość pamięci: PC100 SDRAM = 8 * 100MHz = 800MB/s PC133 SDRAM = 8 * 133MHz = 1.1GB/s Wstęp do Informatyki [email protected] Wstęp do Informatyki [email protected] 6 ZϮ^ZD Zϯ^ZD • WyŜsza efektywna częstotliwością taktowania (533, 667, 800, 1066 MHz) • Dwukrotne zwiększenie przepustowości w stosunku do DDR • W pojedynczym cyklu zegara – 4 bity • WyŜsze czasy latencji (latency) • NiŜszy pobór prądu. Wstęp do Informatyki [email protected] DŽĚƵųLJƉĂŵŝħĐŝ • Ośmiokrotny transfer danych w cyklu zegara (osiem bitów). • Większy czas latencji (latency) • NiŜszy pobór prądu. Wstęp do Informatyki [email protected] njĂƐŽƉſǍŶŝĞŶŝĂƉĂŵŝħĐŝZD ;>ĂƚĞŶĐLJͿ ;ŶĂũƉŽƉƵůĂƌŶŝĞũƐnjĞͿ DIP (dual inline package) – DRAM, najstarsze typy pamięci do komputerów z procesorami 8086, 80286 SIMM (single inline memory module) – FPM, EDO do komp. z procesorami 386 (30 końcówki, 16 bit), 486 (moduły 72 końcówkowe 32 bitowe), Pentium (72 końcówki 32b, stosowane parami) DIMM (dual inline memory module) – komputery z procesorami Pentium II i MMX (moduły 100 końcówkowe, FPM, EDO) i nowsze (moduły 168 końcówek, 64 bitowe, SDRAM, DDR RAM) Pamięć RAM charakteryzuje się opóźnieniami generowanymi podczas operacji dostępu (odczyt adresu – kolumny i wiersza, zatrzaskiwanie adresu, transfer danych) • Dla pamięci statycznych SRAM, uŜywanymi w pamięciach Cache L2, czas opóźnienia (latency) jest na poziomie 5-12 ns, co dla zegara 200 MHz magistrali pamięci memory odpowiada 1-2 cykli zegara procesora • Dla pamięci dynamicznych DRAM (pamięć główna), czas opóźnienia (latency) wynosi 25-60 ns, co dla zegara 200 MHz odpowiada 5-10 cyklom zegara procesora. SO-DIMM (Small Outline DIMM) – do komputerów typu laptop, 72 lub 144 końcówki (32 lub 64 bitowe) Wstęp do Informatyki [email protected] Wstęp do Informatyki [email protected] 7 ĞĐŚLJŵŽĚƵųſǁƉĂŵŝħĐŝ WĂŵŝħđ ƚLJƉƵ&ůĂƐŚ Wykrywanie typu (presence detection) – w kaŜdym module pamięci znajduje się zapisana informacja o typie pamięci, parametrach, producencie, etc. (zwykle jako mała dodatkowa pamięć) Pamięć półprzewodnikowa, której zawartość nie zanika po wyłączeniu zasilania (technologie typu EEPROM) Kompromis pomiędzy pamięcią ROM i RAM, idealny dla urządzeń przenośnych typu Palmtop, DigiCam, etc... Bity parzystości (parity bits) – moduły o podwyŜszonym stopniu niezawodności posiadają dodatkowy bit parzystości dla kaŜdego bajtu, umoŜliwiający wykrywanie błędów pamięci Znacznie wolniejsza od typowych pamięci komputerowych, (w szczególności wolny zapis), nie nadaje się (na razie) na pamięć główną komputera PC Ograniczona liczba cyklów zapisu (setki tysięcy) Korekcja błędów ECC (error check code) – moduły z moŜliwością korekcji błędów, poprzez stosowanie kilku dodatkowych bitów dla kaŜdego bajtu oraz wbudowanego algorytmu korekcji danych – stosowane tylko do komputerów o wymaganej bardzo wysokiej niezawodności. Wstęp do Informatyki [email protected] WƌĂǁŽDŽŽƌĞ͛Ă Zastosowania: pamięci dla BIOS w komputerach PC, pamięci konfiguracyjne kart rozszerzeń komputera PC, układy pamięci zewnętrznej (PenDrive, karty SmartMedia i CompactFlash,...) Wstęp do Informatyki [email protected] ųŽǏŽŶŽƑđ ŵŝŬƌŽƉƌŽĐĞƐŽƌſǁŝƉĂŵŝħĐŝ 1T Gordon E. Moore, 1965. "Cramming more components onto integrated circuits," Electronics, v.38, no 8 (19 April), 1012 256G 64G 1011 Wstęp do Informatyki [email protected] DRAMs 1010 Liczba tranzys torów • Wzrost liczby elementów układów mikroprocesorowych ma charakter wykładniczy • Liczba tranzystorów mikroprocesorów podwaja się średnio co 18 miesięcy (1980) • Wydajność obliczeniowa mikroprocesorów podwaja się średnio co 18 miesięcy (1990) • Wydajność komputerów w odniesieniu do ceny podwaja się średnio co 18 miesięcy (1990) 4G 1G 109 McKinley Itanium (Merced) 256M 108 64M 16M 107 4M 1M 106 256k i486 64k 105 104 16G 16k 4k 80386 80286 8086 Intel Motorola 1k 103 1970 Pentium IV Pentium III Pentium II PPC 620 Pentium Pro Pentium Processory 4004 Wstęp do Informatyki 1980 1990 2000 2010 2020 [email protected] 8 <ŽƐnjƚǁLJĚĂũŶŽƑĐŝŬŽŵƉƵƚĞƌſǁ <ŽƐnjƚƉĂŵŝħĐŝ Cena 1 Mbit DRAM MIPS / $1000 (1997 Dolary) 150 000 $ Przeszłość 3 Gateway-485DX2/55 Power Tower 150e Macintosh-128K Mac II AT&T Commodore Globalyst 600 IBM PC Apple II 64 IBM DG Eclipse Sun-2 PS/290 CDC 7600 Sun-3 DEC PDP-10 IBM 1130 VAX 11/750 IBM 7090 DEC VAX 11/780 Whirlwind DEC-KL-10 IBM 704 DG Nova UNIVAC I SDS 920 ENIAC IBM 350/75 IBM 7040 Colossus Burroughs 5000 IBM 1620 IBM 650 Burroughs Class 16 Zuse-1 IBM Tabulator Monroe Calculator 1900 Wstęp do Informatyki 1920 ASCC (Mark 1) 1940 1960 1$ [email protected] 26 C 5C 3C 1973 1980 Ŝ 10 $ 1977 1981 1984 1987 1991 1995 1999 1 spinacz 60 $ 1 kartka paieru 240 $ 1 naklejka 10-6 Ŝ 800 $ 1 elka -3 10 10 000 $ 1 guma do ucia 1 10-9 Prognoza Gateway G6-200 PowerMac 8100/80 10 2002 2005 1C 2009 0,5 C 0,1 C 2013 2017 2000 2020 2040 Wstęp do Informatyki [email protected] 9
