Computer Architectures for Medical Applications - Exam

Aufgabe 1)

In einem modernen Prozessor spielen der Zimmeraufbau und die Organisation der verschiedenen Funktionseinheiten und Datenpfade eine entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit. Verschiedene Komponenten wie die ALU und die FPU, die Register und das Steuerwerk sind zentrale Bestandteile des Prozessors. Darüber hinaus sind Datenpfade wie Busse und Multiplexer essenziell für die Kommunikation zwischen diesen Einheiten. Die Speicherhierarchie mit Caches, Registern und dem Hauptspeicher hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung, ebenso wie die Techniken des Pipelining mit seinen verschiedenen Stufen. Parallelitätstechniken wie superskalare Ausführung und Multithreading verbessern die Effizienz weiter. Schließlich spielen die Steuerung des Prozessors und die Ein-/Ausgabeschnittstellen eine wichtige Rolle für die Gesamtfunktionalität.

a)

a) Erkläre den Aufbau und die Funktion der ALU (Arithmetic Logic Unit) sowie der FPU (Floating Point Unit). Welche Unterschiede bestehen zwischen diesen beiden Funktionseinheiten in Bezug auf ihre Aufgaben und ihre Implementierung?

Lösung:

a) Erkläre den Aufbau und die Funktion der ALU (Arithmetic Logic Unit) sowie der FPU (Floating Point Unit). Welche Unterschiede bestehen zwischen diesen beiden Funktionseinheiten in Bezug auf ihre Aufgaben und ihre Implementierung?

Die ALU (Arithmetic Logic Unit) und die FPU (Floating Point Unit) sind zwei wesentliche Funktionseinheiten eines Prozessors, die für unterschiedliche Arten von Berechnungen zuständig sind.

• ALU (Arithmetic Logic Unit):Die ALU ist eine zentrale Komponente des Prozessors, die für ganzzahlige arithmetische und logische Operationen zuständig ist. Dazu gehören:

• Arithmetische Operationen: Addition, Subtraktion, Multiplikation, Division
• Logische Operationen: AND, OR, NOT, XOR
• Vergleichsoperationen: Größer als, Kleiner als, Gleichheit

Die ALU ist in mehrere Einheiten unterteilt, die jeweils bestimmte Operationen durchführen. Zum Beispiel gibt es separate Adder für Addition und Subtraktion, sowie Logikeinheiten für die logischen Operationen. Die ALU arbeitet typischerweise mit ganzzahligen Daten, die in Registern gespeichert werden.

• FPU (Floating Point Unit):Die FPU ist spezialisiert auf die Durchführung von Gleitkommaoperationen, die für wissenschaftliche Berechnungen und Anwendungen, die eine hohe Genauigkeit erfordern, notwendig sind. Zu den Aufgaben der FPU gehören:

• Gleitkomma-Addition und -Subtraktion
• Gleitkomma-Multiplikation und -Division
• Berechnung von Quadratwurzeln und anderen mathematischen Funktionen

Die FPU verwendet einen anderen Datentyp als die ALU, nämlich Gleitkommazahlen, die durch Mantisse und Exponent dargestellt werden. Dies ermöglicht eine größere Genauigkeit und einen breiteren Wertebereich im Vergleich zu ganzzahligen Operationen. Die Implementierung der FPU ist komplexer, da sie IEEE 754-Standards für Gleitkommazahlen folgen muss, die genaue Vorschriften für Rundung, Überlauf und andere numerische Eigenschaften enthalten.

Unterschiede zwischen ALU und FPU:

• Aufgaben: Die ALU bearbeitet ganzzahlige und logische Operationen, während die FPU für Gleitkommaoperationen zuständig ist.
• Implementierung: Die ALU ist in der Regel einfacher aufgebaut und schneller, da sie keine Gleitkommadaten verarbeiten muss. Die FPU ist komplexer und erfordert mehr Hardware-Ressourcen, um die Genauigkeit und den großen Wertebereich von Gleitkommazahlen zu gewährleisten.
• Datentypen: Die ALU arbeitet mit ganzzahligen Daten, wohingegen die FPU Gleitkommazahlen verarbeitet.

In modernen Prozessoren sind sowohl ALU als auch FPU essentiell, da sie unterschiedliche Berechnungen effizient durchführen können und somit zur Gesamtleistung und Flexibilität des Prozessors beitragen.

b)

b) Beschreibe eine typische Instruktionspipeline in einem modernen Prozessor. Zähle die wichtigsten Stufen der Pipeline auf und erläutere kurz ihre Aufgaben. Warum ist Pipelining wichtig für die Performance eines Prozessors?

Lösung:

b) Beschreibe eine typische Instruktionspipeline in einem modernen Prozessor. Zähle die wichtigsten Stufen der Pipeline auf und erläutere kurz ihre Aufgaben. Warum ist Pipelining wichtig für die Performance eines Prozessors?

Eine Instruktionspipeline ist eine Reihe von Verarbeitungsstufen, die eine Anweisung durchläuft, bevor sie abgeschlossen ist. Dieser Prozess ist ähnlich der Fließbandproduktion in einer Fabrik, bei der verschiedene Stationen nacheinander verschiedene Aufgaben an einem Produkt ausführen. Die wichtigsten Stufen einer typischen Instruktionspipeline sind:

• 1. Fetch (Abholen):In dieser ersten Phase wird die nächste Anweisung aus dem Speicher (meist dem Cache) abgerufen und in das Instruktionsregister geladen.
• 2. Decode (Dekodierung):Die abgerufene Anweisung wird decodiert, um festzustellen, welche Operation durchgeführt werden soll und welche Operanden benötigt werden.
• 3. Execute (Ausführen):Die eigentliche Operation wird ausgeführt. Bei arithmetischen oder logischen Operationen erfolgt dies in der ALU oder FPU. Bei Speicheroperationen wird die Adresse berechnet.
• 4. Memory Access (Speicherzugriff):Falls die Anweisung einen Speicherzugriff erfordert, wird in dieser Phase entweder auf den Speicher zugegriffen, um Daten zu lesen oder zu schreiben.
• 5. Write Back (Rückschreiben):Die Ergebnisse der ausgeführten Anweisung werden in die entsprechenden Register geschrieben.

Warum ist Pipelining wichtig für die Performance eines Prozessors?

• Erhöhte Parallelität: Pipelining ermöglicht es, dass mehrere Anweisungen gleichzeitig in verschiedenen Stufen der Pipeline verarbeitet werden, was die Effizienz und den Durchsatz erhöht.
• Verbesserte Auslastung der Ressourcen: Da verschiedene Funktionseinheiten (wie ALU, FPU, Speicher) parallel arbeiten können, wird die Gesamtauslastung der Ressourcen verbessert.
• Höherer Anweisungsdurchsatz: Durch das Überlappen der Verarbeitung mehrerer Anweisungen kann der Prozessor mehr Anweisungen pro Zeiteinheit ausführen.
• Reduzierung der Latenz: Obwohl die gesamte Latenzzeit für eine einzige Anweisung durch die Pipeline möglicherweise nicht reduziert wird, verringert sich die Durchschnittszeit pro Anweisung, wenn mehrere Anweisungen gleichzeitig verarbeitet werden.

Zusammengefasst trägt Pipelining erheblich zur Leistungsfähigkeit moderner Prozessoren bei, indem es die Parallelität und Effizienz der Anweisungsverarbeitung maximiert.

c)

c) Nimm an, ein Prozessor nutzt einen vierstufigen Pipeline-Prozess, der aus den Stufen Fetch, Decode, Execute und Write-Back besteht. Wenn eine Instanz des Pipelining bei der Stufe Execute 2 Takte und bei den anderen Stufen jeweils 1 Takt benötigt, berechne die effektive Taktrate des Prozessors. Wie beeinflusst Pipelining die Berechnung im Vergleich zu einem Prozessor ohne Pipelining?

Lösung:

c) Nimm an, ein Prozessor nutzt einen vierstufigen Pipeline-Prozess, der aus den Stufen Fetch, Decode, Execute und Write-Back besteht. Wenn eine Instanz des Pipelining bei der Stufe Execute 2 Takte und bei den anderen Stufen jeweils 1 Takt benötigt, berechne die effektive Taktrate des Prozessors. Wie beeinflusst Pipelining die Berechnung im Vergleich zu einem Prozessor ohne Pipelining?

Um die effektive Taktrate des Prozessors zu berechnen, müssen wir zunächst die benötigte Taktzyklen für eine vollständige Ausführung eines Befehls in der Pipeline verstehen:

• Fetch: 1 Takt
• Decode: 1 Takt
• Execute: 2 Takte
• Write-Back: 1 Takt

Ein vollständiger Befehl benötigt somit insgesamt 5 Takte zur vollständigen Ausführung, wenn keine Überlappung durch Pipelining vorliegt. Bei einem nicht-pipelisierten Prozessor würde jeder Befehl 5 Takte benötigen. Die effektive Taktrate wäre dann 1 / 5 der nominellen Taktrate, da nur alle 5 Takte ein neuer Befehl vollständig abgearbeitet ist.

Betrachten wir nun die Pipeline:

1. Zeitpunkt Takt 1: Fetch des ersten Befehls
2. Zeitpunkt Takt 2: Decode des ersten Befehls, Fetch des zweiten Befehls
3. Zeitpunkt Takt 3: Execute des ersten Befehls, Decode des zweiten Befehls, Fetch des dritten Befehls
4. Zeitpunkt Takt 4: Execute (Fortsetzung) des ersten Befehls, Execute des zweiten Befehls (Beginn), Decode des dritten Befehls, Fetch des vierten Befehls
5. Zeitpunkt Takt 5: Write-Back des ersten Befehls, Execute (Fortsetzung) des zweiten Befehls, Execute des dritten Befehls (Beginn), Decode des vierten Befehls, Fetch des fünften Befehls

Ab Takt 5 wird jeder neue Befehl nach zusätzlichen 2 Takten vollständig bearbeitet, da die Pipeline überlappend arbeitet und damit die längste einzelne Phase der Ablaufzeit dominiert.

Dies bedeutet, dass nach der Initiierung der Pipeline und dem Auffüllen der Stufen jeder neue Instruction alle 2 Takte abgeschlossen wird. Daher ist die effektive Taktrate des Prozessors in Bezug auf abgeschlossene Befehle deutlich erhöht.

Zusammenfassung der Berechnung:Im pipelinenen Zustand hat jeder nachfolgende Befehl eine effektive Ausführungszeit von 2 Takten, statt der 5 Takte in der nicht-pipelisierten Variante. Dies impliziert einen Durchsaz von Befehlen die um das 2,5-fache höher ist, was eine stark verbesserte Performance bedeutet.

Pipelining erhöht somit nicht die Nominale Taktrate des Prozessors, sondern Optimiert die Effektive Taktrate durch parallele opterationen und reduzierter Parallele Latenzzeiten. Folglich verbessert Pipelining die Effektivität und Effizienz der Prozessor-ausführung signifikant.

Aufgabe 2)

Die Arithmetic Logic Unit (ALU) ist eine wesentliche Komponente der zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) und führt arithmetische und logische Operationen aus. Sie ist in der Lage, Berechnungen wie Addition, Subtraktion, Multiplikation und Division durchzuführen sowie logische Operationen wie AND, OR, NOT und XOR auszuführen. Dabei verwendet die ALU Register für Datenoperationen und empfängt Befehle vom Steuerwerk.

a)

Theoretische Frage: Erkläre die Rolle der Register in der Funktion der ALU. Warum sind Register für die Ausführung arithmetischer und logischer Operationen wichtig? Diskutiere, wie die Zusammenarbeit zwischen der ALU und den Registern die Effizienz des gesamten Rechensystems beeinflusst.

Lösung:

Theoretische Frage: Erkläre die Rolle der Register in der Funktion der ALU. Warum sind Register für die Ausführung arithmetischer und logischer Operationen wichtig? Diskutiere, wie die Zusammenarbeit zwischen der ALU und den Registern die Effizienz des gesamten Rechensystems beeinflusst.

• Rolle der Register: Register sind kleine Speicherbereiche innerhalb der CPU, die temporäre Daten speichern, die von der ALU benötigt oder erzeugt werden. Sie sind extrem schnell im Zugriff, weil sie sich direkt in der CPU befinden. Register werden verwendet, um Operanden für arithmetische und logische Operationen zu speichern und die Ergebnisse dieser Operationen aufzubewahren.
• Wichtigkeit der Register: Register sind entscheidend für die Ausführung von Operationen, weil sie die Daten genau dort zur Verfügung stellen, wo sie benötigt werden. Ohne Register müsste die CPU ständig auf den Hauptspeicher zugreifen, was wesentlich langsamer ist. Dies würde die Geschwindigkeit und Effizienz der gesamten CPU stark beeinträchtigen.
• Zusammenarbeit zwischen ALU und Registern: Die enge Integration und Zusammenarbeit zwischen der ALU und den Registern ermöglicht es der CPU, Operationen extrem schnell durchzuführen. Die ALU nimmt Daten direkt aus den Registern, führt die notwendigen Berechnungen durch und schreibt die Ergebnisse zurück in die Register. Dadurch wird der Overhead durch langsame Speicherzugriffe minimiert und die ALU kann fast ohne Unterbrechung arbeiten.
• Effizienz des Rechensystems: Die Effizienz des gesamten Rechensystems wird durch diese Zusammenarbeit erheblich verbessert. Register bieten einen schnellen Zugang zu Daten und helfen dabei, die ALU voll zu nutzen. Da weniger Zeit für Speicherzugriffe benötigt wird, kann die CPU mehr Operationen in kürzerer Zeit durchführen, was zu einer höheren Leistung und einer besseren Nutzung der Systemressourcen führt.

b)

Mathematische Aufgabe: Implementiere in Pseudocode eine Funktion, die zwei 8-Bit Binärzahlen nimmt und deren Addition unter Verwendung der ALU Operationen (Add, AND, OR) durchführt. Gehe dabei von einem vorher festgelegten Instruktionssatz aus, z.B.:

SUM <- BinaryAdd(A, B)

• BinaryAdd: Führt die Addition von zwei Binärzahlen aus.

Beschreibe die Schritte und Bedingungen, die in dieser Funktion berücksichtigt werden müssen, um Überläufe zu handhaben. Nimm keine eingebauten Funktionalitäten der Programmiersprache in Anspruch.

Lösung:

Mathematische Aufgabe: Implementiere in Pseudocode eine Funktion, die zwei 8-Bit-Binärzahlen nimmt und deren Addition unter Verwendung der ALU-Operationen (Add, AND, OR) durchführt. Gehe dabei von einem vorher festgelegten Instruktionssatz aus, z. B.:

SUM <- BinaryAdd(A, B)

• BinaryAdd: Führt die Addition von zwei Binärzahlen aus.

Beschreibe die Schritte und Bedingungen, die in dieser Funktion berücksichtigt werden müssen, um Überläufe zu handhaben. Nimm keine eingebauten Funktionalitäten der Programmiersprache in Anspruch.

• Pseudocode-Implementierung:

  function BinaryAdd(A, B):    # Initialisiere Variablen    SUM = 0    Carry = 0    Mask = 1        # Schleife über die 8 Bits    for i from 0 to 7:        AI = A AND Mask  # Bit i von A        BI = B AND Mask  # Bit i von B        tempSum = AI XOR BI XOR Carry   # Berechnung des i-ten Bit Summenwerts        newCarry = (AI AND BI) OR (Carry AND (AI XOR BI))  # Berechnung des neuen Übertragswerts                # Setze das resultierende Bit in SUM        SUM = SUM OR (tempSum shl i)                # Update Carry        Carry = newCarry shl 1                # Verschiebe das Masken-Bit um eins nach links        Mask = Mask shl 1            # Rückgabe des Ergebnisses    return SUM

• Schritte und Bedingungen zur Handhabung von Überläufen:Beim Hinzufügen von zwei 8-Bit-Binärzahlen muss besonders auf Überläufe geachtet werden. Ein Überlauf tritt auf, wenn die Addition der zwei Bits und des Carry-Bits einen Wert ergibt, der mehr als 1 Bit umfasst. In diesem Fall wird der Übertrag erstellt und zum nächsten höherwertigen Bit addiert. Überlaufbedingungen werden durch den Carry-Mechanismus behandelt, welcher sicherstellt, dass alle Überträge durch die Schleife hindurch ordnungsgemäß berücksichtigt werden. Handhabungsschritte:
  • Nutze eine Schleife, die alle 8 Bit der Binärzahlen iteriert.
  • Berechne den Summenwert des aktuellen Bits durch XOR von A, B und Carry.
  • Berechne den neuen Übertragswert durch AND- und OR-Operationen.
  • Setze den resultierenden Bitwert in die endgültige Summe.
  • Aktualisiere den Carry-Wert für das nächste Bit.
  • Der resultierende Summenwert ist frei von Überläufen innerhalb des 8-Bit-Bereichs.

c)

Praktische Aufgabe: Ein CPU-Designteam plant, eine neue ALU zu entwickeln, die zusätzlich zu den bisherigen Funktionen die Option bietet, eine Modulo-Berechnung durchzuführen. Beschreibe den Designansatz, der verfolgt werden sollte, und lege dar, wie diese Funktionalität in bestehende ALU-Operationen integriert werden kann. Bedenke dabei Aspekte wie Hardwarelimits, benötigte Register und eventuelle Änderungen im Steuerwerk.

Lösung:

Praktische Aufgabe: Ein CPU-Designteam plant, eine neue ALU zu entwickeln, die zusätzlich zu den bisherigen Funktionen die Option bietet, eine Modulo-Berechnung durchzuführen. Beschreibe den Designansatz, der verfolgt werden sollte, und lege dar, wie diese Funktionalität in bestehende ALU-Operationen integriert werden kann. Bedenke dabei Aspekte wie Hardwarelimits, benötigte Register und eventuelle Änderungen im Steuerwerk.

• Designansatz:Um die Modulo-Berechnung in die ALU zu integrieren, muss der bestehende ALU-Designansatz erweitert werden, um die dafür erforderlichen Operationen zu unterstützen. Modulo-Berechnungen erfordern im Wesentlichen eine Division und die Ermittlung des Restes. Da die Standard-ALU bereits Division unterstützt, kann diese verwendet werden, um den Modulo-Wert zu berechnen. Der Modulo-Wert ist dabei der Rest der Division.
• Integrierung der Modulo-Funktionalität:Die Funktionalität kann durch die folgenden Maßnahmen integriert werden:
  • Erweiterung des bestehenden Befehlssatzes: Ein neuer Befehl, beispielsweise „MOD“, könnte eingeführt werden, um Modulo-Operationen anzuweisen. Dieser Befehl muss spezifische Register für Dividend und Divisor sowie das Zielregister für den Modulo-Wert vorsehen.
  • Nutzung der vorhandenen Divisionslogik: Die Modulo-Operation könnte auf der vorhandenen Divisionslogik in der ALU aufbauen. Der bestehende Divisionsalgorithmus berechnet den Quotienten und den Rest. Die Modulo-Operation extrahiert einfach den Rest.
• Hardwarelimits und benötigte Register:Es könnte notwendig sein, zusätzliche Register zu verwenden, um die Zwischenergebnisse der Division zu speichern. Typischerweise umfasst eine Division die Speicherung des Dividenden, Divisors, Quotienten und Rests. Im gegebenen Kontext sollten zumindest ein zusätzlicher Verwendungsregister für den Modulo-Rest eingeführt werden.
• Änderungen im Steuerwerk:Das Steuerwerk muss erweitert werden, um den neuen „MOD“-Befehl zu erkennen und die entsprechenden Kontrollsignale zu generieren. Diese Erweiterung umfasst:
  • Einführung eines neuen Befehlsdecoders für den „MOD“-Befehl.
  • Update des Kontrollflusses, um die zusätzlichen Schritte für die Modulo-Berechnung zu berücksichtigen.
  • Anpassung der ALU-Steuermodule, um entsprechend auf die Modulo-Anforderungen zu reagieren.
  • Sicherstellung, dass der Restwert korrekt in das spezifizierte Zielregister übertragen wird.
• Zusammenfassend:Der Designansatz zur Integration der Modulo-Berechnung in eine ALU erfordert eine Erweiterung sowohl der Hardware als auch des Steuerwerks. Durch die Nutzung und Erweiterung der vorhandenen Divisionslogik, die Einführung eines neuen Modulo-Befehls sowie die entsprechenden Anpassungen im Steuerwerk kann eine effiziente Handhabung ermöglicht werden - ohne die grundsätzliche Struktur der ALU signifikant zu verändern.

Aufgabe 3)

Betrachte die grundlegenden Unterschiede zwischen CISC- und RISC-Architekturen, wie in den folgenden Punkten beschrieben:

• CISC: Complex Instruction Set Computer
• RISC: Reduced Instruction Set Computer
• CISC: Beliebt in traditionellen PCs und Servern
• RISC: Weit verbreitet in mobilen Geräten und eingebetteten Systemen
• CISC: Befehlssatz komplex, oft mehrtaktige Befehle
• RISC: Befehlssatz einfach, meistens eintaktige Befehle
• CISC: Größerer Stromverbrauch
• RISC: Energieeffizienter
• Microcode in CISC, direkte Hardwareausführung in RISC
• Pipeline-Effizienz: RISC tendenziell höher

a)

1. Unterschiede in der Befehlssatzarchitektur: Erläutere den Hauptunterschied zwischen CISC- und RISC-Architekturen in Bezug auf deren Befehlssatz. Welche Vorteile bringt die Einfachheit der RISC-Befehle in der Praxis? Gehe dabei besonders auf die Pipeline-Effizienz ein und vergleiche sie mit der von CISC.

Lösung:

1. Unterschiede in der Befehlssatzarchitektur:

Der Hauptunterschied zwischen CISC- und RISC-Architekturen liegt in ihrem Befehlssatz. CISC (Complex Instruction Set Computer) ist so konzipiert, dass er eine Vielzahl von komplexen Befehlen unterstützt, die jeweils eine Vielzahl von Aufgaben in einem einzigen Befehl ausführen können. Das bedeutet, dass ein einzelner CISC-Befehl mehrere Taktzyklen zur Ausführung benötigt, da er oft viele Mikrooperationen umfasst.Im Gegensatz dazu zeichnet sich RISC (Reduced Instruction Set Computer) durch einen einfachen und begrenzten Befehlssatz aus. Jeder RISC-Befehl ist so konzipiert, dass er eine relativ einfache Operation durchführt und in der Regel nur einen Taktzyklus zur Ausführung benötigt.

Vorteile der Einfachheit der RISC-Befehle in der Praxis:

• Pipeline-Effizienz: Einer der größten Vorteile der Einfachheit von RISC-Befehlen ist die verbesserte Pipeline-Effizienz. Da jeder RISC-Befehl in der Regel in einem einzigen Taktzyklus ausgeführt werden kann, ist es einfacher, die Befehlspipeline kontinuierlich mit neuen Befehlen zu füllen und Engpässe zu vermeiden. Dies führt zu einer höheren Durchsatzrate und insgesamt zu einer besseren Leistung.
• Vorhersagbarkeit: Die Einfachheit der RISC-Befehle erleichtert auch die Vorhersagbarkeit der Ausführungszeit. Bei CISC-Befehlen kann die Ausführungszeit variieren, da einige Befehle viele Mikrooperationen umfassen. Mit RISC jedoch lässt sich die Leistung leichter vorhersagen und optimieren.
• Hardwarevereinfachung: Da RISC-Befehle einfach und einheitlich sind, können die Prozessor-Hardware und die Steuerlogik vereinfacht werden. Dies führt zu einer geringeren Komplexität des Prozessordesigns und potenziell zu niedrigeren Herstellungskosten sowie einem geringeren Energieverbrauch.

Im Vergleich dazu hat CISC eine niedrigere Pipeline-Effizienz, da die komplexen Befehle unterschiedlich lange dauern können, was zu Staus und Verzögerungen in der Pipeline führen kann. Dies macht das Design und die Optimierung von CISC-Prozessoren herausfordernder und kann zu weniger effizienter Verarbeitung führen.

b)

2. Leistungsanalyse: Berechne die Anzahl der Taktzyklen, die für die Ausführung eines komplexen Befehlssatzes (CISC) und eines einfachen Befehlssatzes (RISC) notwendig sind. Angenommen, bei CISC dauert ein komplexer Befehl durchschnittlich 4 Takte und bei RISC dauert ein einfacher Befehl durchschnittlich nur 1 Takt. Wie viele Taktzyklen werden für die Ausführung von 20 komplexen Befehlen bei CISC und der dazu äquivalenten Anzahl einfacher Befehle bei RISC benötigt? Vergleiche die Effizienz beider Architekturen in diesem Szenario.

Lösung:

• CISC: 20 Befehle * 4 Takte = 80 Taktzyklen
• RISC: 20 Befehle * 1 Takt = 20 Taktzyklen

Lösung:

2. Leistungsanalyse:

Um die Anzahl der Taktzyklen für die Ausführung eines komplexen Befehlssatzes (CISC) und eines einfachen Befehlssatzes (RISC) zu berechnen, nutzen wir die gegebenen Informationen:

• Bei CISC dauert ein komplexer Befehl durchschnittlich 4 Takte.
• Bei RISC dauert ein einfacher Befehl durchschnittlich nur 1 Takt.

Berechnung:

• CISC: Um 20 komplexe Befehle auszuführen, benötigt CISC:20 Befehle * 4 Takte/Befehl = 80 Taktzyklen
• RISC: Um die äquivalente Anzahl einfacher Befehle auszuführen, benötigt RISC:20 Befehle * 1 Takt/Befehl = 20 Taktzyklen

Vergleich der Effizienz:

In diesem Szenario zeigt sich, dass:

• CISC 80 Taktzyklen benötigt, um 20 komplexe Befehle auszuführen.
• RISC hingegen nur 20 Taktzyklen benötigt, um die gleiche Anzahl äquivalenter einfacher Befehle auszuführen.

Dies verdeutlicht, dass RISC in diesem Szenario eine wesentlich höhere Effizienz aufweist, da es für die gleiche Anzahl an Befehlen nur ein Viertel der Taktzyklen benötigt im Vergleich zu CISC. Dies spiegelt sich auch in der besseren Pipeline-Effizienz und dem niedrigeren Energieverbrauch von RISC-Architekturen wider.

c)

3. Energieverbrauch: Diskutiere die Bedeutung des Energieverbrauchs in verschiedenen Anwendungen der beiden Architekturen. Warum könnte RISC in mobilen Geräten bevorzugt werden, während CISC in Serveranwendungen dominanter ist?

Lösung:

3. Energieverbrauch:

Der Energieverbrauch ist ein entscheidender Faktor bei der Wahl der geeigneten Architektur für verschiedene Anwendungen. Betrachten wir die Unterschiede zwischen CISC- und RISC-Architekturen in Bezug auf ihren Energieverbrauch und die daraus resultierenden Einsatzgebiete:

• Energieverbrauch von CISC: Die komplexen Befehle von CISC-Architekturen erfordern in der Regel mehrere Taktzyklen und umfangreichere Steuerlogiken, wodurch der Stromverbrauch höher ausfällt. Diese Architekturen sind jedoch leistungsfähig und in der Lage, mehrfache Operationen innerhalb eines einzigen Befehls auszuführen.
• Energieverbrauch von RISC: RISC-Architekturen zeichnen sich durch einen einfacheren Befehlssatz und eine meist eintaktige Befehlausführung aus, was zu einem geringeren Energieverbrauch führt. Die Hardware wird dadurch weniger komplex und effizienter im Umgang mit der Energie.

Bedeutung in verschiedenen Anwendungen:

• Mobile Geräte: In mobilen Geräten wie Smartphones, Tablets und Wearables ist Energieeffizienz von größter Bedeutung, da diese Geräte auf Batterien angewiesen sind. RISC-Architekturen sind aufgrund ihres niedrigeren Stromverbrauchs und der höheren Effizienz ideal für solche Anwendungen. Die Fähigkeit von RISC, weniger Energie zu verbrauchen, verlängert die Akkulaufzeit, was für Nutzer mobiler Geräte von zentraler Bedeutung ist.
• Serveranwendungen: Serveranwendungen und traditionelle PCs benötigen oft eine hohe Rechenleistung, um komplexe und vielseitige Aufgaben zu bewältigen. Hier kommt die Stärke von CISC-Architekturen zum Tragen, da sie in der Lage sind, komplexe Befehle effizient auszuführen. Der höhere Stromverbrauch ist in diesen Umgebungen weniger kritisch, da Server häufig in Rechenzentren mit gutem Zugang zu Strom betrieben werden und eine konstante Stromversorgung gewährleistet ist.

Fazit: RISC-Architekturen werden in mobilen Geräten bevorzugt, da sie eine bessere Energieeffizienz bieten, was eine längere Akkulaufzeit ermöglicht. CISC-Architekturen dominieren dagegen in Serveranwendungen und traditionellen PCs, da sie bei der Ausführung komplexer Aufgaben leistungsfähiger sind und der höhere Stromverbrauch in diesen Umgebungen weniger problematisch ist.

d)

4. Microcode vs. Direkte Hardwareausführung: Erkläre den Unterschied zwischen Microcode in CISC und der direkten Hardwareausführung in RISC. Welche Auswirkungen haben diese Unterschiede auf die Flexibilität und die Leistungsfähigkeit der jeweiligen Architektur?

Lösung:

4. Microcode vs. Direkte Hardwareausführung:

Der Unterschied zwischen Microcode in CISC (Complex Instruction Set Computer) und der direkten Hardwareausführung in RISC (Reduced Instruction Set Computer) hat wesentliche Auswirkungen auf die Flexibilität und Leistungsfähigkeit der jeweiligen Architektur.

• Microcode in CISC:

Microcode ist eine Zwischenschicht, die in CISC-Architekturen verwendet wird. Er besteht aus einer Reihe von Mikrooperationen, die komplexe Maschinenbefehle in einfachere, grundlegende Hardwarebefehle zerlegen. Diese Mikrooperationen sind im Prozessor fest codiert und ermöglichen die Ausführung komplexer Befehle.

• Vorteile:
  • Flexibilität: Microcode erlaubt es, komplexe und variable Befehle zu implementieren, was die Programmierung von Maschinen vereinfacht und mehr Funktionalität bietet.
  • Möglichkeit zur Fehlerbehebung und Updates: Da Microcode in Firmware gespeichert ist, kann er bei Bedarf aktualisiert werden, um Fehler zu beheben oder neue Funktionen hinzuzufügen.
• Nachteile:
  • Komplexität: Die Verwendung von Microcode erhöht die Komplexität des Prozessors.
  • Leistungsüberhead: Das Dekodieren und Ausführen von Mikrooperationen durch Microcode kann zusätzliche Taktzyklen erfordern, was die Ausführungszeit erhöht.

• Direkte Hardwareausführung in RISC:

In RISC-Architekturen werden Maschinenbefehle direkt in der Hardware ohne die Zwischenstufe des Microcodes ausgeführt. Der Befehlssatz ist einfach und für die unmittelbare Hardwareumsetzung ausgelegt.

• Vorteile:
  • Leistung: Die direkte Hardwareausführung ermöglicht eine schnellere Befehlsverarbeitung, da keine zusätzlichen Taktzyklen für Microcode-Dekodierung benötigt werden. Dies führt zu einer höheren Gesamtleistung und einer effizienteren Nutzung der Taktzyklen.
  • Effizienz: Durch den reduzierten Befehlssatz und die direkte Hardwareausführung ist der Prozessoraufbau weniger komplex und energieeffizienter.
• Nachteile:
  • Begrenzte Flexibilität: Der einfache Befehlssatz kann weniger flexibel sein und weniger komplexe Operationen direkt unterstützen, was umfangreichere Softwareoptimierungen erfordert.

Auswirkungen auf Flexibilität und Leistungsfähigkeit:

• Flexibilität: CISC-Prozessoren bieten aufgrund des Microcodes eine höhere Flexibilität und können eine Vielzahl von komplexen Befehlen und Funktionen unterstützen. Dies ermöglicht eine reichhaltigere Anwendungssoftware und detaillierte Maschinensteuerung. Im Gegensatz dazu sind RISC-Prozessoren aufgrund des einfachen Befehlssatzes und der direkten Hardwareausführung weniger flexibel, aber sie kompensieren dies durch schnellere Befehlsverarbeitung und einfacheres Hardwaredesign.
• Leistungsfähigkeit: RISC-Prozessoren profitieren von einer höheren Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Befehlsausführung und Energieeffizienz, da sie auf einen reduzierten Befehlssatz und direkte Hardwareumsetzung setzen. CISC-Prozessoren hingegen können beim Ausführen von komplexen, vielfach verschachtelten Befehlen weniger effizient sein, da die Dekodierung und Ausführung von Microcode zusätzliche Ressourcen und Zeit in Anspruch nimmt.

Aufgabe 4)

Pipeline-Prozessoren verwenden eine Technik, bei der verschiedene Phasen der Instruktionsausführung überlappen, um die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Typische Pipeline-Stufen umfassen: Fetch, Decode, Execute, Memory Access und Write Back. Jede Stufe führt eine andere Phase der Instruktionsverarbeitung aus, was zur Verbesserung der Durchsatzrate und Reduzierung der Latenz beiträgt. Allerdings können während der Ausführung Hazards auftreten, insbesondere Strukturhazards, Datenhazards und Kontrollhazards. Techniken wie Forwarding und Stall-Zyklen werden verwendet, um diese Hazards zu vermeiden.

a)

Analysiere die folgende Instruktionssequenz und identifiziere mögliche Datenhazards. Stelle dar, an welchen Stellen Forwarding zum Einsatz kommen muss, um die Hazards zu vermeiden, und erläutere warum:

 Instr 1: R1 = R2 + R3 Instr 2: R4 = R1 * R5 Instr 3: R6 = R4 - R7 Instr 4: R8 = R1 + R9 

Lösung:

Analysieren wir die gegebene Instruktionssequenz und identifizieren mögliche Datenhazards:

 Instr 1: R1 = R2 + R3 Instr 2: R4 = R1 * R5 Instr 3: R6 = R4 - R7 Instr 4: R8 = R1 + R9 

Wir müssen mögliche Datenhazards identifizieren und Lösungen dafür finden.

• Instr 1: R1 = R2 + R3: Diese Instruktion wird in Registern R2 und R3 gelesen und das Ergebnis in R1 geschrieben.

• Instr 2: R4 = R1 * R5: Hier wird R1 aus Instr 1 gelesen und R5 genutzt, das Ergebnis wird in R4 geschrieben. Dies verursacht einen Datenhazard, da R1 in Instr 1 geschrieben wird und unmittelbar in Instr 2 gelesen wird.
• Forwarding: Um diesen Datenhazard zu vermeiden, muss das Ergebnis von R1 aus der Execute-Stufe der Instr 1 direkt in die Execute-Stufe der Instr 2 weitergeleitet werden.-> Um dies zu gewährleisten, wird Forwarding verwendet, um das Ergebnis von R1 direkt in die ALU der Instr 2 weiterzuleiten, sobald es verfügbar ist, anstatt zu warten, bis R1 in der Write Back-Stufe geschrieben wird.

• Instr 3: R6 = R4 - R7: Diese Instruktion liest R4 aus Instr 2 und R7, das Ergebnis wird in R6 geschrieben. Es liegt ein weiterer Datenhazard vor, da R4 in Instr 2 geschrieben und in Instr 3 gelesen wird.
• Forwarding: Um diesen Datenhazard zu vermeiden, muss das Ergebnis von R4 aus der Execute-Stufe der Instr 2 direkt in die Execute-Stufe der Instr 3 weitergeleitet werden.-> Forwarding wird verwendet, um das Ergebnis von R4 direkt während der ALU-Operation der Instr 3 bereitzustellen.

• Instr 4: R8 = R1 + R9: Diese Instruktion liest R1, das in Instr 1 geschrieben wird, und R9. Es liegt ein weiterer Datenhazard vor, da R1 in Instr 1 geschrieben und in Instr 4 gelesen wird.
• Forwarding: Um diesen Datenhazard zu vermeiden, muss das Ergebnis von R1 aus der Write Back-Stufe der Instr 1 direkt in die Execute-Stufe der Instr 4 weitergeleitet werden.-> In diesem Fall kann Forwarding das Ergebnis von R1 in die ALU der Instr 4 führen.

Zusammengefasst:

• Instr 2 hat einen Hazard mit Instr 1 (Forwarding von R1 zu Instr 2 notwendig).
• Instr 3 hat einen Hazard mit Instr 2 (Forwarding von R4 zu Instr 3 notwendig).
• Instr 4 hat einen Hazard mit Instr 1 (Forwarding von R1 zu Instr 4 notwendig).

Diese Analyse zeigt, wie Forwarding genutzt werden kann, um Datenhazards zu vermeiden und so die Pipeline-Effizienz zu maximieren.

b)

Beschreibe, wie ein Kontrollhazard durch eine bedingte Verzweigungsinstruktion auftritt. Nutze das Beispiel einer Pipeline mit 5 Stufen (Fetch, Decode, Execute, Memory Access, Write Back) und erkläre, wie ein Branch Prediction Algorithmus hierbei das Problem mindern kann. Berechne anhand einer Wahrscheinlichkeit von 80% korrekter Vorhersagen, wie viele zusätzliche Zyklen erforderlich sind, wenn die Verzweigungen nicht korrekt vorhergesagt werden, und leite davon die durchschnittliche Anzahl der Zyklen pro Instruktion ab:

• Fetch (F) = 1 Zyklus
• Decode (D) = 2 Zyklen
• Execute (E) = 1 Zyklus
• Memory Access (M) = 2 Zyklen
• Write Back (W) = 1 Zyklus

Lösung:

Kontrollhazards treten bei bedingten Verzweigungsinstruktionen (Branching) auf, da die Entscheidung, ob verzweigt wird oder nicht, erst während der Instruktion getroffen wird. Dies führt zu Unsicherheiten darüber, welche Instruktionen als nächstes in die Pipeline geladen werden sollen.

Nehmen wir eine Pipeline mit den folgenden 5 Stufen an:

• Fetch (F) = 1 Zyklus
• Decode (D) = 2 Zyklen
• Execute (E) = 1 Zyklus
• Memory Access (M) = 2 Zyklen
• Write Back (W) = 1 Zyklus

Eine bedingte Verzweigungsinstruktion wird in der Execute-Phase abgeschlossen, da erst dort die Bedingung überprüft wird. Bis dahin können nachfolgende Instruktionen bereits teilweise durch die Pipeline verarbeitet werden. Dies kann zu falschen oder unnötigen Instruktionen führen.

Ein Branch Prediction Algorithmus versucht das nächste Instruktionsziel zu antizipieren, um die Pipeline weiter zu betreiben, während die Verzweigungsentscheidung getroffen wird. Mit einer Richtigkeit von 80% bedeutet dies, dass 80% der Zeit die Vorhersage korrekt ist und kein Hazard auftritt, während 20% der Zeit die Vorhersage falsch ist und die falschen Instruktionen aus der Pipeline entfernt (geflushed) und die richtigen Instruktionen geladen werden müssen.

Berechnung der zusätzlichen Zyklen:

Wenn die Vorhersage falsch ist, verursacht dies zusätzliche Zyklen:

• Zyklen für Fetch und Decode verbringen: 1 + 2 = 3 Zyklen

Bei einer Richtigkeitsquote von 80%:

• Anteil korrekter Vorhersagen: 80% = 0,8
• Anteil falscher Vorhersagen: 20% = 0,2

Zusätzliche Zyklen durch falsche Vorhersagen: 0,2 * 3 = 0,6 Zyklen pro Instruktion

Berechnung der durchschnittlichen Anzahl der Zyklen pro Instruktion:

Ohne Verzweigungsinstruktion:

• Totalzyklus = 1 (Fetch) + 2 (Decode) + 1 (Execute) + 2 (Memory Access) + 1 (Write Back) = 7 Zyklen

Mit Berücksichtigung des Branch Prediction Algorithmus:

• Durchschnittliche Zyklen pro Instruktion: 7 + 0,6 = 7,6 Zyklen pro Instruktion

Zusammengefasst:

• Kontrollhazards treten bei bedingten Verzweigungsinstruktionen auf und können zu falschen Instruktionen in der Pipeline führen.
• Ein Branch Prediction Algorithmus reduziert das Problem, solange die Vorhersage korrekt ist.
• Mit einer Richtigkeitsquote von 80% sind 0,6 zusätzliche Zyklen pro Instruktion erforderlich, was zu einer durchschnittlichen Zykluszahl von 7,6 Zyklen pro Instruktion führt.

c)

Ein Strukturhazard tritt auf, wenn mehrere Instruktionen gleichzeitig auf dieselbe Ressource zugreifen wollen. Angenommen, ein Prozessor hat nur eine gemeinsame Speichereinheit, die für den Fetch- und den Memory Access-Zyklus verwendet wird. Stelle die Abfolge der Instruktionen in der Pipeline grafisch dar, wenn folgende Instruktionssequenz ausgeführt wird:

 Instr 1: A = Load Mem[100] Instr 2: B = Load Mem[200] Instr 3: C = A + B Instr 4: Store Mem[300], C 

Lösung:

Ein Strukturhazard tritt auf, wenn mehrere Instruktionen gleichzeitig auf dieselbe Ressource zugreifen wollen. In diesem Beispiel gehen wir davon aus, dass der Prozessor nur eine gemeinsame Speichereinheit für den Fetch- (F) und den Memory Access- (M) Zyklus verwendet. Schauen wir uns an, wie sich eine solche Instruktionssequenz in der Pipeline verhält.

Instr 1: A = Load Mem[100] Instr 2: B = Load Mem[200] Instr 3: C = A + B Instr 4: Store Mem[300], C

• Instr 1: Lädt den Wert von Speicheradresse 100 und speichert ihn in Register A.
• Instr 2: Lädt den Wert von Speicheradresse 200 und speichert ihn in Register B.
• Instr 3: Addiert die Werte in den Registern A und B und speichert das Ergebnis in Register C.
• Instr 4: Speichert den Wert aus Register C in Speicheradresse 300.

Betrachten wir den Ablauf der Instruktionen in der Pipeline:

In diesem Ablauf können wir zwei Strukturhazards erkennen:

• Strukturhazard 1: In Zyklus 4 greifen Instr 4 (Fetch) und Instr 1 (Memory Access) auf die gemeinsame Speichereinheit zu. Daher muss Instr 4 um einen Zyklus verschoben werden.
• Strukturhazard 2: In Zyklus 7 greifen Instr 3 (Memory Access) und Instr 4 (Execute) auf die gemeinsame Speichereinheit zu. Daher muss Instr 4 um einen Zyklus verschoben werden.

Wie viele Zyklen notwendig sind:

• Die Ausführung aller Instruktionen benötigt insgesamt 9 Zyklen.

Zusammengefasst:

• Ein Strukturhazard tritt auf, wenn Fetch- und Memory Access-Zyklen gleichzeitig Zugriff auf die gemeinsame Speichereinheit benötigen.
• In diesem Beispiel wurden zwei Strukturhazards identifiziert, die um insgesamt 2 Zyklen verschoben wurden.
• Die gesamte Instruktionsfolge benötigt 9 Zyklen zur Ausführung.