Architektura procesoru

[zapotocnylubos]

Von Neumann architektura

Základní model moderního počítače.

• CPU, paměť, sběrnice – jak spolu komunikují
• Harvardská architektura jako alternativa
• Registry, ALU, řadič

Instrukce a instrukční sada (ISA)

Co procesor umí a jak mu říkáme co má dělat.

• Co je instrukce – opcode, operandy
• RISC vs CISC – filozofie návrhu, příklady (ARM vs x86)
• Základní typy instrukcí – aritmetika, přesuny, skoky

Fetch-Decode-Execute cyklus

Jak procesor provádí jednu instrukci krok za krokem.

• Fetch – načtení instrukce z paměti
• Decode – dekódování, co instrukce znamená
• Execute – provedení, zápis výsledku
• Příklad průchodu konkrétní instrukce

Pipelining

Překrývání fází pro vyšší výkon.

• Analogie: výrobní linka
• 5-stupňová pipeline (IF, ID, EX, MEM, WB)
• Hazardy – datové, řídící, strukturální
• Řešení hazardů – stall, forwarding, flush

Cache

Proč přístup do RAM je příliš pomalý.

• Princip lokality – časová a prostorová
• L1, L2, L3 – hierarchie a velikosti
• Cache hit vs miss – dopad na výkon
• Cache line, asociativita

Branch Prediction

Jak procesor řeší podmíněné skoky v pipeline.

• Proč větvení pipeline zpomaluje (flush)
• Statická vs dynamická predikce
• Moderní prediktory – saturating counter, BTB
• Spectre/Meltdown jako důsledek agresivní predikce

Out-of-Order Execution

Přeuspořádání instrukcí pro maximální využití CPU.

• Proč pořadí instrukcí v kódu nemusí = pořadí provedení
• Reorder Buffer (ROB)
• Tomasulo algoritmus – dynamické plánování
• Commit a retire – zachování správného výsledku

Superscalar architektura

Více instrukcí najednou.

• Více execution units
• Issue width – kolik instrukcí za cyklus
• Limity – závislosti, hazardy, paměť