Conception de circuits numériques et architecture des ordinateurs

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1 Conception de circuits numériques et architecture des ordinateurs Frédéric Pétrot Année universitaire Structure du cours C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 Codage des nombres en base 2, logique booléenne, portes logiques, circuits combinatoires Circuits séquentiels Conception de portes CMOS Construction circuits complexes Micro-architecture et fonctionnement des mémoires s à état Synthèse de circuits PC/PO Optimisation de circuits PC/PO Introduction aux caches 2 / 15 détaillé du cours d'aujourd'hui / 15

2 1 2 4 / 15 Structure d'une machine CPU (circuit intégré) Banc de registres ALU Bus mémoire Mémoire centrale Interface Bus système Pont E/S mémoire USB Carte graphique Bus périphérique de disque Extensions (réseau, son,...) Souris Clavier Moniteur Disque 5 / 15 Structure d'une machine Accès mémoire centrale Processeur émet requête activant : Interface processeur bus système pont bus mémoire contrôleur mémoire mémoire Purement électronique, symétrique Processeur en attente du résultat Accès disque Processeur émet (commande, numéro de secteur, adresse) : Interface E/S bus système pont bus périphérique contrôleur de disque Contrôleur disque disque bus périphérique pont bus mémoire contrôleur mémoire mémoire (DMA) Contrôleur disque processeur (interruption). Électronique et mécanique Transfert asymétrique Processeur en attente ou passe à une autre tâche 6 / 15

3 À propos du stockage des données Évolution de la taille et du temps d'accès Mémoire statique $/MB 19,200 2, Tacc (ns) Mémoire dynamique $/MB 8, ,000 Tacc (ns) Taille typ.(mb) ,000 8, ,000 Disque $/MB ,600,000 Tacc (ms) Taille typ.(mb) ,000 20, ,000 1,500,000 1,500,000 7 / 15 À propos de la fréquence des CPU INTEL :1980 CPU Pentium P-III P-4 Core 2 Core i7 MHz T cycle (ns) C urs T e (ns) ,000 Tendance similaire chez les autres constructeurs 8 / 15 Tendance Écart grandissant entre temps cycle CPU et temps accès mémoire 100,000,000.0 Disk 10,000, ,000, ,000.0 SSD 10,000.0 Disk seek time Flash SSD access time ns 1, DRAM DRAM access time SRAM access time CPU cycle time Effective CPU cycle time CPU Année 9 / 15

4 / 15 Principe de la hiérarchie mémoire Constat Larges espaces de stockage lents et lointains Petits espaces de stockage proches et rapides Idée Copier les zones utiles de la grosse mémoire dans la petite Et le faire automatiquement sans intervention du programme 11 / 15 Pourquoi cela marche-t-il? Repose sur une propriété fondamentale des programmes : la localité Principe de localité Les programmes tendent à utiliser des instructions et des données dont les adresses sont identiques ou proches de celles qu'ils ont utilisé récemment Localité temporelle Des variables accédées récemment ont de fortes chances d'être accédées de nouveau dans le futur proche Localité spatiale Des variables qui ont des adresses proches ont de fortes chances d'être accédés à des temps proches 12 / 15

5 Utilisation de la localité Spatiale et temporelle Lecture d'un mot 1 recopie le mot et ses n voisins (une ligne) de la mémoire centrale dans le cache s'il n'y est pas 2 retourne le mot qui est dans le cache 13 / 15 Architecture d'un cache à correspondance directe Principe Structure : l = 2 n lignes de m = 2 p mots on ignore les octets dans le mot : les adresses considérés nissent par 00 adresse d'une ligne en mémoire : alignée sur la taille de la ligne, i.e. multiple de m 4 numéro de ligne de cache index dans le cache d'une donnée placée en am : index = am n+p+1..p+1 adresse oset de la donnée dans la ligne : oset = am p+1..2 comment diérencier les diérentes lignes? nécessaire de conserver am 31..n+p+2 pour comparaison 14 / 15 Architecture d'un cache à correspondance directe ADDR[31:0] tag index offset 31 n+p+2 n+p+1 p+2p DOUT[31:0] DIN[31:0] SDx SD0 WEDx WED0 OE WE CE ADDR[m-1:0] DATA[u-2:v] DATA[u-1] DATA[v-1:0] == HIT 15 / 15

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