Pokročilé architektury počítačů (PAP_06.ppt) Karel Vlček, katedra Informatiky, FEI VŠB Technická Univerzita Ostrava

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 2 Specializované procesory Architektury specializovaných procesorů se objevují již u sálových počítačů: Kanálový procesor pro vstupní/výstupní operace s vlastním souborem instrukcí (1964) Komunikační procesor pro dálkový přenos dat u počítačů IBM 370 (1971) Procesor jazyka Fortran FFP (Fast Fortran Processor) (1986) FFT (Fast Fourier Transform) procesory

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 3 Maticové a vektorové procesory Jsou univerzální nebo specializované? To je možné rozhodnout známe-li kriterium algoritmické závislosti Je-li struktura hardware ovlivněna výpočetním algoritmem, jedná se o specializovaný procesor Pouhé rozšíření množiny datových typů netvoří specializovanou architekturu

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 4 Grafické procesory Kategorie Grafické procesory pro osobní počítač PC Grafické procesory profesionálních a grafických systémů Experimentální a výzkumné projekty vysoce výkonných grafických systémů

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 5 Počítačová grafika Systém s rastrovým displejem Procesor Hlavní paměť Paměť snímku Řadič displeje Displej Systémová sběrnice Periferní jednotky

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 6 Rastrový displej Rastrový displej se vyznačuje vyhrazenou pamětí pro ukládání snímku (pamětí videa) Každý obrazový prvek (pixel) je popsán jedním nebo více bity Pro konverzi pro zobrazení na monitoru se používá číslicových - analogových převodníků DAC (Digital to Analogue Converter)

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 7 Paměť snímku Paměť snímku je konstrukčně odlišná od hlavní paměti, jak umístěním, tak typem přístupu Do paměti snímku má přístup systémový procesor, ale i řadič displeje Paměť je tedy zpravidla dvoubránová, což minimalizuje počet konfliktů

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 8 Organizace paměti snímku Logická organizace paměti snímku Paměť snímku Lineární adresa Adresa X Adresa Y Hodnoty pixelů Generátor řádkového rozkladu

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 9 Paměť barevného snímku Barevné zobrazení vyžaduje, aby každý pixel byl popsán 24 - bitovým slovem (true color) Mapa barev (Colour mapping) je uchovávána v tzv. LUT (Look-up Table) Tím se ušetří kapacita paměti, protože hodnota RGB (Red, Green, Blue) je v paměti barevného snímku komprimována

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 10 Principy 2D grafiky Grafický subsystém konvertuje data z údajů potřebných pro rastrové zobrazení do podoby vhodné k 2D resp. 3D zobrazení Technické prostředky pro zobrazení 2D grafiky se nazývají grafická karta nebo grafický akcelerátor

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 11 Grafický subsystém Nadřízený počítač Grafický subsystém Hlavní paměť a procesor Řadič Paměť snímku DAC Disk Displej R G B Uspořádání grafického subsystému

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 12 Moderní grafické procesory (1) Moderní grafické procesory jsou zaměřeny na použití 3D grafiky Jejich výpočetní operace jsou orientovány na intenzívní spolupráci s pamětí a operace s aplikacemi textur Důraz je kladen také na geometrické výpočty jako posun v různých souřadnicových systémech

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 13 Moderní grafické procesory (2) Moderní GPUs zahrnují převzorkování a interpolační techniky, které minimalizují aliasing Zlepšuje se rovněž přesnost vyjádření barev Většina těchto výpočtů nevyjadřuje přímo grafické informace, ale práci s maticemi a vektory

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 14 Moderní grafické procesory (3) Moderní grafické procesory se využívají i pro práci s maticemi a vektory Od roku 2000 jsou grafické procesory vybavovány schopností pro výpočet ztrátových kompresních algoritmů MPEG jako je kompenzace pohybu a inversní DCT Poslední grafické karty dokonce umí dekódovat HDTV, které dostanou z CPU

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 15 Moderní grafické procesory (4) The most powerful class of GPUs typically interface with the motherboard by means of an expansion slot such as PCI Express (PCIe) or Accelerated Graphics Port (AGP) and can usually be replaced or upgraded with relative ease, assuming the motherboard is capable of supporting the upgrade.motherboardexpansion slot PCI ExpressAccelerated Graphics Port

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 16 Moderní grafické procesory (5) Některé grafické procesory se stále používají jako desky připojované přes sběrnici PCI (Peripheral Component Interconnect) Častější je však dnes už provedení AGP (Accelerated Graphic Processor) Část grafických procesorů zůstává na základní desce (Motherboard), aby mohla být připojena zvláštní obrazová RAM

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 17 Moderní grafické procesory (6) Některé karty s grafickými procesory mohou pracovat dvě dohromady na jednom obraze Tím je dosahováno toho, že počet pixelů je zdvojený a je dosaženo efektu nazývaného antialiasing Zpravidla je to zajištěno rozdělením obrazu na levou a pravou polovinu Připojení zajišťuje SLI (Scalable Link Interface) nebo ATI CrossFire

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 18 Moderní grafické procesory (7) Integrated graphics solutions, nebo shared graphics solutions jsou grafické procesory, které mají k dispozici část paměti RAM Takové řešení je lacinější než „dedicated graphics solutions“, s pamětí specializovanou Integrated solutions často nestačí k zobrazování scény 3D her nebo programů např. Adobe Flash, které pracují s grafikou intenzívně

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 19 Integrated graphics solutions Intel GMA X3000 IGP (pod chladičem) Intel GMA

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 20 Moderní grafické procesory (8) Řešení s GPU (Graphical Processing Unit) pracuje intensivně, s pamětí v uvedeném „integrated solution“ Systémová RAM může být schopna dodávat informace rychlostí 2 GB/s až 12.8 GB/s Zvláštní „dedicated“ paměti pro GPU dosahují 10 GB/s, až 160 GB/s, což je závislé na modelu procesoru

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 21 Moderní grafické procesory (9) Nová koncepce grafických procesorů je založena na proudovém zpracování a je nazývána GPGPU (General Purpose Graphics Processing Unit) Tato koncepce přináší výpočetní výkon v podobě mnoha jednotek pro výpočet v pohyblivé řádové čárce Inspiruje se u jednoduchých, ale moderně řešených grafických akcelerátorů

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 22 Moderní grafické procesory (10) Jedná se o masivně aplikované vektorové operace, které může zajišťovat o několik řádů výkonnější linka vektorových procesorů Tento trh ovládají dva největší výrobci GPU, firma ATI ze Stanfordské university a Tzv. Stream Processing/GPGPU, které nabízí firma NVIDIA, specializující se na GPU na bázi distribuovaného zpracování

Karel VlčekPokročilé architektury procesorů 23 Literatura: Dvořák, V.: Architektura a programování paralelních systémů, VUTIUM Brno, (2004), ISBN X Dvořák, V., Drábek, V.: Architektura procesorů, VUTIUM Brno, (1999), ISBN Drábek, V.: Výstavba počítačů, PC-DIR, s.r.o. Brno, (1995), ISBN Mueller, S.: Osobní počítač, Computer Press, Praha, (2001), ISBN Pluháček, A.: Projektování logiky počítačů, Vydavatelství ČVUT Praha, (2003), ISBN