Referat – Prozessorarchitektur – Singnalverarbeitungssysteme – Handout 24.11.2015 Bearbeitet von: Stefan Pfitz, Jules Frankin Ndjingue Ndjiha, Gustav Knaub, Andreas Kubatschek Von Neumann-Architektur - Referenzmodell für Universalrechner Gemeinsamer Bus für Daten und Befehle Daten und Befehle liegen in einem gemeinsamen Speicher Sequentielle Befehlsabarbeitung Vorteile: minimaler Hardware-Aufwand; keine Race-Conditions Nachteile: Von-Neumann-Flaschenhals (= 1 Bus für Daten und Befehle, kann zum Engpass werden); Gleiche Wortbreite bei Daten und Befehlen, Buffer-Overflow möglich Harvard-Architektur - Getrennte Bussysteme für Daten und Befehle Daten und Befehle sind physisch in zwei Speicherchips getrennt Vorteile: schnell, da Daten und Befehle gleichzeitig geladen werden können Nachteile: Daten können nur im Datenspeicher untergebracht werden, auch wenn im Programmspeicher freier Speicherplatz vorhanden ist, umgekehrt gilt dasselbe; Race-Conditions Modified Harvard-Architektur Daten können auch im Programmspeicher abgelegt werden Klassifikation nach Flynn - SISD (Single Instruction, Single Data) = Traditioneller Ein-Kern-Prozessor SIMD (Singel Instruction, Multiple Data) = Großrechner/Supercomputer mit Array/Vektorprozessoren MISD (Multiple Instructions, Single Data) = Großrechner/Supercomputer (theoretisch keine Realisierung) MIMD (Multiple Instructions, Multiple Data) = Mehrkernprozessoren, verteilte Systeme ISA (Instruktionssatzarchitektur) = Spezifikation bestimmter Verhaltensweisen eines Prozessors, Schnittstelle zwischen Hard- und Softwareentwicklern Bestandteile: Instruktionssatz (Befehle, die der Prozessor verarbeiten kann); Instruktionsformat (Bedeutung und Größe der Instruktion), Speicher CISC (Complex Instruction Set Computer) - Komplexer Instruktionssatz komplexe Einzelbefehle Kann unterschiedlich breite Datenworte verwenden RISC (Reduced Instruction Set Computer) - Wenige und einfache Befehle - Hardware aufwendig gestaltet - Hohe Ausführungsgeschwindigkeit - Viele Register VLIW (Very Long Instruction Word) EPIC (Explicit Parallel Instruction Computing) Breites Befehlsformat wird vom Compiler parallelisiert Verwendet VLIW Bündelung von Instruktionen Pipelining - Effiziente Abarbeitung von Aufgaben „Parallelverarbeitung“ Verbesserung des Durchsatzes und der Geschwindigkeit durch Aufteilen der Aufgaben in kleinere, einfache Teilaufgaben, hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit, höherer Takt möglich Superskalarität: Pipelining mit mehreren Ausführungseinheiten Probleme: Struktur-Hazards: Ressourcen-Probleme (Zugriff auf nicht freie Ressource) – Lösung: Anhalten der Pipeline oder Harvard verwenden Daten-Hazards: Abhängigkeits-Problem (Operand oder Ziel noch nicht frei) - Lösung: Pipeline anhalten Steuerfluss-Hazards: Problem mit Sprungbefehlen – Lösung: Pipeline anhalten oder Sprungziele „vorraussagen“ Cache - Schneller Zwischenspeicher der CPU Sitzt auf dem Die Verschiedene Ebenen vorhanden: je höher die Ebene, desto höher die Kapazität, aber langsamer die Zugriffszeit Anwendungen DSP (Digital Signal Processor): Nutzt Harvard-Architektur, VLIW-Befehlssatz; Verwendung in verschiedenen Audio- und Funkgeräten CPU (Central Processing Unit): „Universal Rechner“, verschiedene Variationen, Mehrkernprozessor, Parallelprozessor, usw. GPU (Graphic Processing Unit): Grafikberechnung, Parallelverarbeitung
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