Mikroprozessoren Vorlesung im Sommersemester 2001 Wolfgang Karl Universität Karlsruhe Fakultät für Informatik

Organisatorisches Vorlesung Infos zur Vorlesung und zu den Übungen LV-Art: weiterführende Veranstaltung LV-Nr. 24688 Termin: Dienstag, 11.30 Uhr – 13.00 Uhr, SR 062 Infos zur Vorlesung und zu den Übungen http:// Wolfgang Karl SS 2001

Organisatorisches Sprechstunde: Wolfgang Karl Prüfung Dienstag, 14.30 – 16.00 Uhr und nach Vereinbarung Raum 161, Gebäude 20.20 Email: karl@ira.uka.de, karlw@in.tum.de Prüfung Ende des Sommersemester, Kolloquium, Schein Der Termin wird noch bekannt gegeben. Wolfgang Karl SS 2001

Persönliches Dr. Wolfgang Karl Vertretung der Professur T. Ungerer an der Universität Karlsruhe im Sommersemester 2001 Vorlesung Rechnerstrukturen Vorlesung Mikroprozessoren Seminar Cluster- und Grid-Computing Technische Universität München Institut für Informatik Lehrstuhl für Rechnertechnik und Rechnerorganisation (LRR) Akademischer Oberrat Wolfgang Karl SS 2001

SCI-based PC clusters PCs with PCI-SCI adapter SCI interconnect Global address space Bus-like services: read-, write-, and synchronization transactions Hardware-supported DSM with low-latency remote memory access and fast message-passing Split-transactions: request and response packets - latency hiding A 64 Bit global address space across SCI nodes is defined as well as set of read, write, and synchronization transactions, enabling SCI based systems to provide a hardware supported DSM with low-latency remote memory accesses.In addition to the communication via DSM SCI also provides fast message passing. The logical layer of SCI defines a packet switched communication protocol. AN SCI split transaction requires a request package to be sent from an SCI node to another node with a response packet in reply to it. Several SCI transaction can be overlapped, so that latencies are hidden. The core feature of SCI based networks are the ability to perform remote memory accesses through direct hardware DSM support.For cluster systems, this hardware support is provided by a SCI network adapter plugged into the system or PCI bus of every PC. A global SCI physical address space is set up allowing the addressing of any physical memory location on any node via a 64 Bit identifier. Wolfgang Karl SS 2001

SMiLE software layers NT prot. stack SCI-Hardware: SMiLE & Dolphin adapter, HW-Monitor NDIS driver SCI-VM SCI Drivers & SISCI API SCI-VM lib SISCI PVM TreadMarks compatible API Target applications / Test suites SISAL on MuSE SCI-Messaging AM 2.0 SS-lib CML User/Kernel boundary Low-level SMiLE High-level SMiLE SPMD style model The major goal of our SMiLE project is to develop concepts, provide programming models, and offer tools for the efficient use of DSM systems with a NUMA characteristic.Especially, we are providing a comprehensive software infrastructure. The components comprises the message passing communication libraries and the software layers to support shared memory programming. Wolfgang Karl SS 2001

SMiLE software layers Message Passing User Level Communication Target applications / Test suites High-level SMiLE NT prot. stack SISAL on MuSE SISCI PVM SPMD style model TreadMarks compatible API Low-level SMiLE AM 2.0 SS-lib CML SCI-VM lib SCI-Messaging User/Kernel boundary The message passing components comprises Active Messages, SCI sockets which exports conventional BS sockets for the communication within an SCI cluster, and a package of basic communication mechanisms to be used for both: MPI and PVM implementations over SCI. The common approach for the communication substrates supporting high-level communication libraries is to remove the OS from the critical path of sending and receiving messages. Mapping parts of the NI into the users address space such that messages can be handled at user level avoids expensive system calls as well as buffering in the network layer. NDIS driver SCI driver & SISCI API SCI-VM SCI-Hardware: SMiLE & Dolphin adapter, HW-Monitor Wolfgang Karl SS 2001

Example Application Electrical Field Simulation POLOPT: Optimisation of high-performance transformers ABB Corporate Research Heidelberg Wolfgang Karl SS 2001

Example Application Computational Fluid Dynamics CFX-TASCflow: Flow computation of cars, pumps, or motors AEA Technology, Otterfing Wolfgang Karl SS 2001

SMiLE software layers True Shared Memory Programming NT prot. stack SCI-Hardware: SMiLE & Dolphin adapter, HW-Monitor NDIS driver SCI-VM SMiLE driver & Dolphin IRM driver SCI-VM lib SISCI PVM TreadMarks compatible API Target applications / Test suites SISAL on MuSE SCI-Messaging AM 2.0 SS-lib CML User/Kernel boundary Low-level SMiLE High-level SMiLE SPMD style model Target applications / Test suites High-level SMiLE NT prot. stack SISAL on MuSE SISCI PVM SPMD style model TreadMarks compatible API Low-level SMiLE AM 2.0 SS-lib CML SCI-VM lib SCI-Messaging User/Kernel boundary NDIS driver SCI Drivers & SISCI API SCI-VM SCI-Hardware: SMiLE & Dolphin adapter, HW-Monitor Wolfgang Karl SS 2001

Example Application Positron-Emission Tomography Human brain after running spectral analysis Wolfgang Karl SS 2001

The SMiLE Hardware Monitor PCI local bus PCI-SCI Bridge SCI Network SCI in SCI out Probe SMiLE Monitor B-Link Interface Counter Module PCI Unit Dynamic Counter Array Static Counter Array Event Filter Wolfgang Karl SS 2001

Multi-Layered SMiLE monitoring Tools OMIS/OCM Monitor for DSM systems Prog. Model Extension Prog. Environment Extension OMIS / OCM Core SyncMod High-level Prog. Environment SCI-VM Shmem Programming Model (Specific information) OMIS SCI DSM Extension (Statistics of Synchronization mechanisms) (Virt./Phys. Address mappings, Statistics) SMiLE PCI-SCI bridge and monitor (Physical addresses, Node IDs, Counters, Histograms) Node Local Resources (CPU counters, Cache statistics, OS information) Wolfgang Karl SS 2001

Cluster- und Grid-Computing Seminar im Hauptdiplom Blockveranstaltung nach Vereinbarung Vorbesprechung wird noch bekannt gegeben Cluster Aufbau von Clustern Beispiele von Clustern Systemsoftware Anwendungen The Grid Infrastruktur Beispiele Wolfgang Karl SS 2001

Weitere Forschungsprojekte (1) Embedded Parallel Processors (EPP) Kooperation mit Infineon Technologies AG, München Weiterer Kooperationspartner: HNI/Uni-Paderborn (Prof. Rückert) Evaluierung der Architektureigenschaften und Merkmale von eingebetteten parallelen Prozessoren Ausgangspunkt: Standardbenchmarks: EENBC Simulationswerkzeuge Wolfgang Karl SS 2001

Weitere Forschungsprojekte (2) Projekt DiME Kooperation mit Uni Erlangen (Prof. Rüde) Daten-Cache-Optimierungen Code-Transformationen zur Optimierung der Datenlokalität von Mehrgitterverfahren Wolfgang Karl SS 2001

Weitere Forschungsprojekte (3) Projekt Hot-Swap Projekt mit FORCE Computers GmbH Hochverfügbare Rechensysteme auf der Basis von CompactPCI Elektrisches Verhalten Bus-Protokolle, Fehlerdiagnose Betriebssystemaspekte für Hot-Swap Modellierung hochverfügbarer Systeme Mitarbeit an Standardisierung Wolfgang Karl SS 2001

Aufbau von Arbeitsplatzrechnern Schnittstelle Mikro- prozessor L2 Cache DRAM Prozessor/Speicherbus Bus- Steuerung S y s t e m b u SCSI- Controller Netz- Graphic- Frame-Puffer Monitor s u b e r i e h p r i e P LAN E/A Festplatte CD ROM Floppy- Disc Wolfgang Karl SS 2001

Hintergrund (1) Rechnerarchitektur Allgemeine Strukturlehre mit deren Hilfsmittel Ingenieurwissenschaftliche Disziplin, die bestehende und zukünftige Rechenanlagen beschreibt, vergleicht, beurteilt, verbessert und entwirft. Betrachtet den Aufbau und die Eigenschaften des Ganzen (Rechenanlage), seiner Teile (Komponenten) und seiner Verbindungen (Globalstruktur, Infrastruktur) Wolfgang Karl SS 2001

Hintergrund (1) Entwurf einer Rechenanlage Ingenieurmäßige Aufgabe der Kompromissfindung zwischen Randbedingungen (Technologie, Größe, Geld, Umwelt,...) Gestaltungsgrundsätzen (Modularität, Sparsamkeit, ...) Zielsetzungen Wolfgang Karl SS 2001

Hintergrund (1) Beispiele für Zielsetzungen und Anforderungen Anwendungsbereich Spezialanwendungen: Rechensysteme, die auf eine spezielle Anwendung zugeschnitten sind; hohe Leistungsfähigkeit für spezielle Anwendung Allzweckanwendung: ausgewogene Leistung für ein breites Spektrum von Anwendungen Wolfgang Karl SS 2001

Hintergrund (1) Beispiele für Zielsetzungen und Anforderungen Software-Kompatibilität (bestimmt verfügbare Software) auf Programmiersprachenebene: ermöglicht dem Entwickler größere Flexibilität beim Entwurf; neue Übersetzer Binär- oder Objektcode-Kompatibilität Wolfgang Karl SS 2001

Hintergrund (1) Anforderungen auf Betriebssystem-Ebene: Standards: Virtuelle Speicherverwaltung, Schutzmechanismen, Kontextwechsel, Unterbrechungsbehandlung Standards: Gleitkomma-Formate: IEEE, DEC, IBM Ein-/Ausgabebus: SCSI, VME, PCI Betriebssysteme: UNIX, MS-DOS, Windows NT, Linux Netze: Ethernet, FDDI, SCI Programmiersprachen: Einfluß auf Befehlssatz Bus-Systeme: PCI, SCI, MBus, SBus Wolfgang Karl SS 2001

Vorlesung Mikroprozessoren Betrachtet den Aufbau und die Eigenschaften von: Mikroprozessorsystemen, deren Komponenten: Mikroprozessoren, Speicherkomponenten, Ein-/Ausgabeeinheiten Verbindungsstrukturen Wolfgang Karl SS 2001

Ziele der Vorlesung Überblick über den Aufbau und die Eigenschaften von Mikroprozessorensystemen Detaillierte Kenntnisse über die Struktur und Funktionsweise von Mikroprozessoren Architektur Implementierung und Organisation Realisierung Detaillierte Hardware-Kenntnisse Hardware-nahe Software-Aspekte Wolfgang Karl SS 2001

Aufbau der Vorlesung Einführung in die Mikroprozessortechnik Mikroprozessoren Architektur und Organisation Programmiermodell und Programmierung Unterstützung von Betriebssystemfunktionen Multiprozessorunterstützung Superskalare Mikroprozessoren Weitergehende Konzepte EPIC, Speculation, Predikation, Binärcode-Transformation, Multithreading Wolfgang Karl SS 2001

Aufbau der Vorlesung Mikroprozessoren, die in komplexen mehrbusorientierten Mikroprozessorsystemen (PCs, Arbeitsplatzrechnern und symmetrischen Multiprozessorsystemen mit gemeinsamen Speicher) eingesetzt werden. Detaillierte Kenntnisse über die Architektur, Organisation und Programmierung dieser modernen Mikroprozessoren vermitteln. Darstellen der grundlegenden Eigenschaften dieser “Allzweck’--Mikroprozessoren an konkreten Fallbeispielen Wolfgang Karl SS 2001