Αρχιτεκτονική Υπολογιστών - Εργασία 1

Βουλγαράκης Ρωμανός | Μουστάκας Βασίλειος-Παναγιώτης

9383 | 9424

Αρχικά εκτελείται η εξής εντολή:

$ cd  ./build/ARM/gem5.opt -d hello_result configs/example/arm/starter_se.py--cpu="minor" "tests/test-progs/hello/bin/arm/linux/hello"

Ερώτηση 1

Μέσα στο starter_se.py εντοπίζονται τα εξής χαρατηριστικά:

• CPU type: MinorCPU
• System clock: 1GHz
• Voltage 3.3V
• L1 (instruction & data) cache
• L2 cache
• Memory mode : timing
• 2 memory controllers
• Memory size: 2147483648 bytes = 2 GB

Ερώτηση 2

Τα παραπάνω επαληθεύονται από τις κάτωθι γραμμές:

• sim_freq 1000000000000 # Frequency of simulated ticks
• system.voltage_domain.voltage 3.300000 # Voltage in Volts
• mem_mode: "timing"
• mem_ranges: "0:2147483648"
• sim_insts 5028 # Number of instructions simulated
• sim_ops 5834 # Number of ops (including micro ops)
• system.cpu_cluster.l2.overall_accesses::total 479 # number of overall (read+write) accesses

Η διαφορά ανάμεσα στα commited ops/instructions οφείλεται στο γεγονός ότι κάποια instructions - παρότι ανήκουν σε RISC ISA - αποτελούνται από περισσότερα του ενός micro ops.

Τα L2 cache accesses θα μπορούσαν θεωρητικά να υπολογιστούν από τα L1 cache (instruction + data) misses. Παρατηρείται όμως ότι αν και αυτό επαληθεύεται για την icache, δεν ισχύει το ίδιο για την dcache.

Ερώτηση 3

Σύντομη περιγραφή των μοντέλων επεξεργαστή του gem5:

To SimpleCPU είναι ένα καθαρά λειτουργικό in-order μοντέλο το οποίο χωρίζεται σε 3 κλάσεις, την BaseSimpleCPU, την AtomicSimpleCPU και την TimingSimpleCPU. Η BaseSimpleCPU δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί από μόνη της, σε αντίθεση με τις άλλες δύο τις οποίες κληρονομεί. Η βασική διαφορά μεταξύ των AtomicSimpleCPU και TimingSimpleCPU είναι ο τύπος πρόσβασης μνήμης που χρησιμοποιούν. Η πρώτη χρησιμοποιεί atomic memory accesses, ενώ η δεύτερη timing memory accesses.

Το O3CPU είναι ένα out-of-order μοντέλο. Σε αντίθεση με τα περισσότερα μοντέλα, τα οποία εκτελούν τις εντολές είτε στην αρχή είτε στο τέλος του pipeline, το συγκεκριμένο εκτελεί τις εντολές στην αρχή του pipeline και στην συνέχεια τις περνάει σε ένα timing backend.

Το μοντέλο Trace CPU στοχεύει στην μελέτη της απόδοσης της μνήμης του συστήματος με ακρίβεια και ταχύτερα σε σχέση με τον μοντέλο O3CPU. Αυτό επιτυγχάνεται με την χρήση ελαστικών ιχνών, τα οποία παράγονται από το Elastic Trace Probe που βρίσκεται στο μοντέλο O3CPU.

Το MinorCPU είναι ένα in-order μοντέλο με σταθερό pipeline αλλά με διαμορφώσιμες δομές δεδομένων και συμπεριφοράς κατά την εκτέλεση. Στόχος του είναι η παροχή ενός framework για την μίκρο-αρχιτεκτονική συσχέτιση του μοντέλου με συγκεκριμένους επεξεργαστές παρόμοιων δυνατοτήτων.

Πηγή: https://www.gem5.org/documentation/general_docs/cpu_models/SimpleCPU

Επιλέχθηκε το εξής πρόγραμμα στη C με όνομα simple_c.c .

#include <stdio.h>
int main() {
    int num;
    num = 13;
    // True if num is perfectly divisible by 2
    if(num % 2 == 0)
        printf("%d is even.", num);
    else
        printf("%d is odd.", num);
    
    return 0;
}

To compilation σε ARM έγινε με την εξής εντολή:

arm-linux-gnueabihf-gcc --static simple_c.c -o simple_c_arm

Στη συνέχεια το binary εκτελέστηκε με την εξής εντολή:

./build/ARM/gem5.opt -d c_program_minor_standard configs/example/se.py --cpu-type="MinorCPU" --caches --cmd=tests/test-progs/hello/bin/arm/linux/simple_c_arm

Χρησιμοποιήθηκε το script "se.py" με τύπο CPU: "Minor"

Χρόνος εκτέλεσης στον simulated επεξεργαστή: 0.000033 s.

Χρησιμοποιώντας "TimingSimpleCPU":

./build/ARM/gem5.opt -d c_program_timing_standard configs/example/se.py --cpu-type="TimingSimpleCPU" --caches --cmd=tests/test-progs/hello/bin/arm/linux/simple_c_arm

Χρόνος εκτέλεσης στον simulated επεξεργαστή: 0.000038 s.

Η διαφορά στον χρόνο εκτέλεσης είναι σχετικά μικρή, καθώς και τα δύο μοντέλα είναι αναλυτικά.

Τρέχοντας τις παρακάτω εντολές, προέκυψαν οι πίνακες χρόνου εκτέλεσης που ακολουθούν:

./build/ARM/gem5.opt -d c_program_minor_clock configs/example/se.py --sys-clock=10Mhz --cpu-type="MinorCPU" --caches --cmd=tests/test-progs/hello/bin/arm/linux/simple_c_arm

./build/ARM/gem5.opt -d c_program_timing_clock configs/example/se.py --sys-clock=10Mhz --cpu-type="TimingSimpleCPU" --caches --cmd=tests/test-progs/hello/bin/arm/linux/simple_c_arm

./build/ARM/gem5.opt -d c_program_minor_mem configs/example/se.py --mem-type=DDR4_2400_8x8 --cpu-type="MinorCPU" --caches --cmd=tests/test-progs/hello/bin/arm/linux/simple_c_arm

./build/ARM/gem5.opt -d c_program_timing_mem configs/example/se.py --mem-type=DDR4_2400_8x8 --cpu-type="TimingSimpleCPU" --caches --cmd=tests/test-progs/hello/bin/arm/linux/simple_c_arm

Συνοπτικοί πίνακες με τους χρόνους εκτέλεσης (σε seconds) του κάθε επεξεργαστή για διάφορες παραμέτρους:

Clock frequency	10MHz	100MHz	1GHz
MinorCPU	0.000631	0.000085	0.000033
TimingSimpleCPU	0.000636	0.000090	0.000038

Memory type	DDR3	DDR4_2400_8x8	DDR4_2400_4x16
MinorCPU	0.000033	0.000032	0.000033
TimingSimpleCPU	0.000038	0.000037	0.000039

Το TimingSimpleCPU σε αντίθεση με το MinorCPU δεν διαθέτει pipeline. Ταυτόχρονα σε αντίθεση με το AtomicSimpleCPU, όπου τα memory requests ικανοποιούνται αμέσως, στο TimingSimpleCPU απαιτείται χρόνος για την είσοδο και την επιστροφή από την μνήμη. Αυτό σε συνδυασμό με την μη ύπαρξη pipeline οδηγεί τη CPU να σταματά σε κάθε memory access περιμένοντας απάντηση. Συνεπώς, ο μεγαλύτερος χρόνος εκτέλεσης που παρατηρείται σε σχέση με το MinorCPU είναι αναμενόμενος.

Παρατηρούμε ότι όσο αυξάνει η συχνότητα του ρολογιού, μειώνονται οι χρόνοι εκτέλεσης, καθώς μειώνεται ο χρόνος που απαιτείται για κάθε κύκλο. Αλλάζοντας τον τύπο της μνήμης από DDR3 σε DDR4 υπάρχει μια οριακή βελτίωση στον χρόνο εκτέλεσης, αν και στη διάταξη 4x16 αυτή η βελτίωση εξαφανίζεται.