Arvutiarhitektuur: ISA, mikroarhitektuur, süsteemidisain ja implementatsioon

Sügav juhend arvutiarhitektuurist: ISA, mikroarhitektuur, süsteemidisain ja implementatsioon — õppige CPU, mälu, vahemälu ja riistvara projekteerimist praktiliselt.

Arvutitehnikas on arvutiarhitektuur arvutisüsteemi kontseptuaalne disain ja põhiline tööstruktuur. See on tehniliste jooniste ja kõigi projekteerimisnõuete (eriti kiiruste ja ühenduste) funktsionaalne kirjeldus, see on see, kuidas projekteerida ja rakendada arvuti erinevaid osi - keskendudes peamiselt sellele, kuidas keskprotsessor (CPU) sisemiselt töötab ja kuidas ta pöördub mälu aadresside poole.

Seda võib määratleda kui riistvarakomponentide valimise ja ühendamise teadust ja kunsti, et luua funktsionaalsetele, jõudlus- ja kulueesmärkidele vastavaid arvuteid.

Arvutite arhitektuur hõlmab vähemalt kolme peamist alaliiki:

1. Käskude komplekti arhitektuur ehk ISA on arvutisüsteemi abstraktne mudel, mida näeb masinakeele (või assembleri) programmeerija, sealhulgas käsukomplekt, mälu aadressirežiimid, protsessoriregistrid ning aadressi- ja andmeformaadid.
2. Mikroarhitektuur, tuntud ka kui arvutikorraldus, on madalam tase, süsteemi üksikasjalik kirjeldus, mis on piisav, et kirjeldada täielikult arvutisüsteemi kõigi osade toimimist ja seda, kuidas need on omavahel seotud ja toimivad omavahel, et rakendada ISA. Näiteks arvuti vahemälu suurus on organisatsiooniline küsimus, millel ei ole üldjuhul ISAga midagi pistmist.
3. Süsteemidisain, mis hõlmab kõiki teisi arvutisüsteemi riistvarakomponente, näiteks:

·         Süsteemidevahelised ühendused, näiteks arvutibussid ja lülitid.

·         Mälu kontrollerid ja hierarhiad.

·         protsessori väljalülitamise mehhanismid, näiteks otsene juurdepääs mälule.

·         Probleemid nagu multiprotsessorlus.

Kui nii ISA kui ka mikroarhitektuur on kindlaks määratud, tuleb tegelik arvutisüsteem projekteerida riistvarasse. Seda projekteerimisprotsessi nimetatakse implementatsiooniks. Rakendamine on tavaliselt riistvara projekteerimise protsess.

Rakendamise võib jagada edasi kolmeks, kuid mitte täiesti eraldiseisvaks osaks:

• Loogika rakendamine: Mikroarhitektuuris määratletud plokkide projekteerimine, peamiselt registrite ja väravate tasandil.
• Ringluse rakendamine: Põhielementide (väravad, multiplekserid, flip-flopid jne) ning mõnede suuremate plokkide (ALUd, vahemälud jne) transistoritasandi projekteerimine, mida võib jõudluse tõttu rakendada sellel tasemel või isegi madalamal füüsilisel tasemel.
• Füüsiline rakendamine: Füüsilised vooluahelad joonistatakse välja, erinevad vooluahela komponendid paigutatakse kiibiplaadile või plaadile ja neid ühendavad juhtmed juhitakse.

Protsessorite puhul nimetatakse kogu rakendusprotsessi sageli protsessori disainiks; see võib olla ka seotud protsessori disainide perekond, näiteks RISC ja CISC.

Lisainformatsioon ja kaasaegsed praktikad

ISA (käskude komplekti arhitektuur) määratleb programmi ja opsüsteemi vaate protsessorile: millised käsud on saadaval, kuidas andmed ja aadressid esitatakse, kuidas kutsutakse üles intsidendid nagu katkestused ja kuidas toimub funktsioonide kutsumine (ABI). ISA kujundus mõjutab tugevalt kompilaatori ja operatsioonisüsteemi keerukust. Kaasaegsed näited: x86 (CISC), RISC-põhised arhitektuurid nagu ARM või RISC-V.

Mikroarhitektuuri tasandil otsustatakse, kuidas ISA realiseerida praktiliste ja jõudlusnõuetega. Siia kuuluvad kujundused ja tehnikad nagu:

• Pipelining (käskade osade kaupa töötlemine etappides), et tõsta läbivoolu (throughput).
• Superskalaarsus — mitme käsu samaaegne väljastamine ja täitmine.
• Väljapooljärjestikune (out-of-order) täitmine ja register-ümbernimetamine, et vältida juhuslikke andmesõltuvusi.
• Haru prognoosimine ja spekulatiivne täitmine, et vähendada toru tühikäiku.
• Väärtuspõhised ja bititõhusad vektoritöötlemise ühikud (SIMD/Vector), et kiirendada massandmetöötlust.
• TLB-d, hierarhilised cache-d, vahemälu haldamine ja andmete eeltoomine (prefetching).

Süsteemidisaini küsimused

Süsteemidisain hõlmab kõiki protsessori kõrval olevaid komponente ja nende koostoimet:

• Mälu hierarhia: peamälu, vahemälud, TLB, mitme taseme vahemälude poliitikad ja nende mõju latentsusele ning läbilaskele.
• Koherentsus ja multiprotsessorlus: jagatud mälu süsteemides kasutatakse protokolle (nt MESI) andmete koherentsuse hoidmiseks; kaasaegsed serverid kasutavad NUMA/CC-NUMA lähenemisi ja keerukaid sünkroniseerimismehhanisme.
• Interconnect ja I/O: bussiarhitektuurid, lülitid, välisseadmete liidesed (nt PCIe), DMA ja sünkroonimine.
• Energia ja soojus: võimsusjuhtimine (DVFS), soojuse hajutamine ja piirangud, mis mõjutavad kella sagedust ja kiibi topoloogiat.
• Turvalisus ja eraldatus: riistvaraline toetuvus krüptole, usalduse alustalad (trusted execution), virtualiseerimise tugi ja mälu kaitse mehhanismid.

Implementatsiooni etapid ja tööriistad

Rakendamine sisaldab mitut olulist etappi, mida sageli nimetatakse ka protsessori/kiibi disaini vooguks:

• RTL (Register Transfer Level) ja loogika disain: mikroarhitektuur kirjeldatakse VHDL/Verilog/SystemVerilog keeles.
• Süntees: RTL teisendatakse loogikapõhisteks elementideks (väravad, flip-flopid) ja optimeeritakse aja- ning ruumipiirangute alusel.
• Paigutus ja juhtmestik (place & route): komponendid paigutatakse kiibile ja juhtmed juhitakse — see mõjutab latentsust ja signaalide ajastust.
• Ajastus- ja jõudluse sulgemine: timing closure, kus tagatakse, et kõik signaalid jõuavad nõutud aja jooksul ja süsteem töötab soovitud kellakiirusel.
• Verifitseerimine: simulatsioonid, vormiline verifitseerimine, emulatsioon ja FPGA-prototüüpimine, et avastada vigu enne tootmist.
• Tootmine (tape-out) ja testimine: füüsilise kiibi valmistus, testimine ja valideerimine.

Mõõdikud ja disainieesmärgid

Arhitektuuri ja implementatsiooni edu mõõdetakse tavaliselt järgmiste parameetritega:

• IPC (instructions per cycle) ja ka kella sagedus — kumbki mõjutab lõplikku jõudlust.
• Latentsus vs läbilase — ühe käsu viide vs samaaegne töötlus.
• Energiatarve ja jõudluse-tarbimise suhe (performance per watt).
• Piirangud nagu pindala (kiip), tootmiskulud ja hind.
• Usaldusväärsus, hooldatavus ja laiendatavus (skaleeritavus).

Tarkvara roll arhitektuuris

Arhitektuuri kujundus mõjutab tugevalt tarkvaratööriistu: kompilaatorid peavad ISA-st ja mikroarhitektuuri omadustest teadlikud olema, et toota tõhusat koodi (näiteks registrite kasutus, vektorkäskude ärakasutamine, hajutatud mälu juhtimine). Operatsioonisüsteem juhib protsesside eraldamist, mälu haldust ja riistvaralisi erandeid. ABI (Application Binary Interface) määratleb, kuidas programmid omavahel ja süsteemiga suhtlevad.

Kokkuvõte

Arvutiarhitektuur on mitmetasandiline valdkond, mis ühendab abstraktseid disaine (ISA), detailseid realiseerimisviise (mikroarhitektuur) ja kogu süsteemi planeerimist (süsteemidisain). Implementatsioon viib need stiliseeritud ideed füüsiliseks riistvaraks läbi mitme etapi, alates loogikalisest kirjeldusest kuni kiibi tootmise ja testimiseni. Hea arhitektuur tasakaalustab jõudluse, energiatõhususe, kulude ja tarkvaralise ühilduvuse nõuded.

Kui soovite, võin lisada näiteid konkreetsest mikroarhitektuurist (näiteks tuua RISC ja CISC lahknevad lähenemised, ARM vs x86 vs RISC-V) või selgitada üksikasjalikumalt verifitseerimis- ja tootmisvoogu.

Küsimused ja vastused

K: Mis on arvuti arhitektuur?

K: Millised on arvutite arhitektuuri kolm peamist alaliiki?

K: Mida hõlmab ISA?

K: Mida hõlmab mikroarhitektuur?

K: Mida hõlmab süsteemidisain?

K: Kuidas jaguneb rakendamine kolmeks osaks?

Otsing