Лабораторная работа: Работа и устройство процессоров

Эффективность процессоров

Процессоры Athlon XP, созданные в компании AMD, отличаются прекрасными рабочими характеристиками и обладают целым рядом других качеств, но при этом, к сожалению, возрождают печально известные традиции оценки эффективности. Обычно приводится некая условная величина, выраженная в мегагерцах, которая не столько определяет фактическое быстродействие той или иной микросхемы, сколько указывает на приблизительную оценку ее эффективности по отношению к процессору Intel Pentium 4 первого поколения, имеющему примерно те же параметры. Как бы странно это ни звучало, но это действительно так! Испытание рабочих характеристик, проведенное в компании AMD, показывает, что процессор Athlon, имеющий тактовую частоту 1,8 ГГц, работает примерно с той же производительностью, что и процессор Pentium 4 с рабочей частотой 2,2 ГГц. На этом основании данному процессору присваивается имя "Athlon XP 2200+", где число "2200+" обозначает его эффективность по отношению к процессору Pentium 4, выраженную в мегагерцах. Подобная схема сбыта продукции, при которой процессору присваивается значение, определяющее не столько реальную, сколько относительную оценку эффективности, ничего хорошего не дает. В определенных случаях такой маркетинг оставляет у потребителей весьма негативное впечатление, особенно когда выясняется реальная рабочая частота приобретенных ими процессоров и систем. Рабочие характеристики процессоров, приводимые AMD, можно приравнять к коэффициенту резкости погоды, который часто используется в прогнозах погоды в зимнее время. С одной стороны, существует реальная температура, а с другой — есть так называемый коэффициент резкости погоды, который представляет собой приблизительную оценку холода таким, каким он "ощущается". Расчетные значения, присваиваемые новым процессорам AMD Athlon XP, напоминают подобный "коэффициент производительности", величина которого определяет эффективность того или иного процессора по сравнению с Pentium 4. (Правда, AMD настаивает, что приводимые оценки эффективности не имеют непосредственного отношения к Pentium 4.)Проблема маркетинга AMD выражается в следующем: как продавать процессор, который выполняет те или другие операции быстрее, чем аналогичные модели основного конкурента с практически равными тактовыми частотами? Например, процессор AMD Athlon XP, имеющий тактовую частоту 1,8 ГГц, работает значительно быстрее, чем процессор Pentium 4 с частотой 1,8 ГГц, и достигает производительности, характерной для Pentium 4 с рабочей частотой 2,2 ГГц. Столь очевидная несоразмерность производительности процессоров связана с применением в микросхемах P4 совершенно новой архитектуры с более глубокой конвейерной обработкой команд. Pentium 4 имеет 20-ступенчатый конвейер, соответствующий 11-ступенчатому конвейеру процессоров Athlon или 10-ступенчатому конвейеру процессоров Pentium Ш/Celeron. При более глубокой конвейерной обработке команды разбиваются на небольшие микрокоманды, что позволяет достичь более высокой тактовой частоты при использовании одной и той же кремниевой технологии. Однако это также означает, что по сравнению с процессором Athlon (или Pentium III) в каждом цикле выполняется меньше команд.

Дело в том, что при сбоях на этапе предсказания множественного перехода или упреждающего выполнения (что свойственно процессору при попытке предварительного определения команд) происходит удаление всех имеющихся данных и повторное заполнение конвейера**. Таким образом, сравнивая рабочие характеристики процессоров Athlon, Pentium III и Pentium 4, работающих на одной и той же тактовой частоте, можно обнаружить, что при выполнении стандартных эталонных тестов процессоры Athlon и Pentium III оказываются более эффективными, поскольку выполняют в течение цикла большее количество команд, чем Pentium 4.На первый взгляд это кажется недостатком процессора Pentium 4, но в действительности мы имеем дело с особенностью его конструкции. Разработчики Intel приводят следующие аргументы: несмотря на то что использование более глубокой конвейерной обработки команд может привести к 30%-му снижению общей эффективности процессора, это позволяет увеличить его тактовую частоту по крайней мере на 50% по сравнению с процессорами Athlon или Pentium III, имеющими более короткие конвейеры. Применение 20-ступенчатого конвейера в архитектуре P4 позволяет достичь более высоких тактовых частот при использовании стандартной кремниевой технологии. Например, оригинальные процессоры Athlon XP и Pentium 4 создавались с помощью одной и той же 0,18-микронной технологии (этот показатель определяет линейную ширину компонентов, вытравленных на микросхемах). 20-ступенчатый конвейер архитектуры P4 позволяет при использовании 0,18-микронной технологии достичь тактовой частоты 2,0 ГГц, в то время как при тех же условиях частота процессора Athlon с 11-ступенчатым конвейером достигает 1,73 ГГц, а процессоров Pentium III/Celeron с 10-ступенчатым конвейером — всего лишь 1,13 ГГц. Благодаря использованию новой 0,13-микронной технологии тактовая частота процессора Pentium 4 увеличилась до 2,53 ГГц, в то время как максимальная рабочая частота Athlon XP достигла всего лишь 1,8 ГГц. Несмотря на то, что Pentium 4 выполняет в каждом цикле меньшее количество команд, более высокая частота периодической подачи импульсов позволяет в полной мере компенсировать снижение эффективности. Таким образом, сравнение процессоров Pentium 4 и Athlon XP указывает на то, что высокая тактовая частота первого процессора практически уравновешивается более высокой скоростью обработки данных второго. К сожалению, при высоких тактовых частотах оценка эффективности процессоров становится все более сложной. Это связано с тем, что в процессорах Intel с рабочей частотой более 2 ГГц использован 0,13-микронный (уменьшенный) кристалл, удвоена кэш-память второго уровня (с 256 до 512 Кбайт), а рабочая частота шины процессора увеличена с 400 до 533 МГц. Существующая система оценки эффективности, которая может использоваться только для сравнения создаваемых процессоров с более старым (и более медленным) 0,18-микронным процессором Pentium 4, не совсем подходит для более новых 0,13-микронных Pentium 4, особенно для тех, которые имеют шину процессора с тактовой частотой 533 МГц. Проблема заключается в шкале сравнительной оценки компании AMD, где в качестве точки отсчета используется некая переменная величина. Существует еще одна проблема: результаты сравнительной оценки непосредственно зависят от выполняемых эталонных тестов. Переработка приложений и операционных систем для повышения эффективности 20-ступенчатого конвейера процессора Pentium 4 позволила снизить количество командных предсказаний и возможных ошибок внутреннего процессора, что привело к уменьшению времени, необходимого для удаления имеющихся данных и повторного заполнения конвейера. В свою очередь, это привело к повышению общей эффективности выполнения команд для Pentium 4, в результате чего современное программное обеспечение, оптимизированное для более глубокого конвейера, будет выполняться процессором Pentium 4 значительно быстрее. Подобная ситуация приводит к сохранению негативного отношения к относительным оценкам компании AMD, следствием чего может быть их неточная интерпретация в будущем.Нет никаких сомнений в том, что параметры новых процессоров Athlon XP, представленные компанией AMD, достаточно точны: они превосходят менее эффективные процессоры, имеющие более высокую тактовую частоту. Единственное отличие состоит в том, что архитектура Pentium 4 позволяет достичь значительно более высокой рабочей частоты посредством одного и того же технологического процесса. Во многих системах тактовая частота процессора выводится на экран компьютера непосредственно во время начальной загрузки. В операционной системе Windows XP тактовая частота центрального процессора указана во вкладке General (Общие) меню System Properties (Система: Свойства). В то же время AMD предпочла бы не указывать непосредственное быстродействие процессора. Фактически AMD не рекомендует использовать без специальной проверки системные платы, предназначенные для Athlon XP, в том случае, если они указывают действительную тактовую частоту процессора. В будущем любопытному пользователю, желающему выяснить фактическую тактовую частоту процессора, придется воспользоваться соответствующей программой сторонних разработчиков, например SiSoft Sandra или Intel Frequency ID Utility.Одно можно сказать достаточно определенно: приблизительные значения тактовой частоты, выраженные в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц), далеко не всегда являются надежным способом сравнения процессоров, поэтому генерирование псевдомегагерц может еще больше запутать непосвященного человека.

Конвейер

Конвейер (англ. conveyer, от convey — перевозить), транспортёр, машина непрерывного действия для перемещения сыпучих, кусковых или штучных грузов. Идея конвейера, давным-давно предложенная Генри Фордом, состоит в том, что производительность цепочки последовательных действий определяется не сложностью этой цепочки, а лишь длительностью самой сложной операции. Иными словами, совершенно неважно, сколько человек занимаются производством автомобиля и как долго длится его изготовление в целом, - важно то, что если каждый человек в цепочке тратит, скажем, на свою операцию одну минуту, то с конвейера будет сходить один автомобиль в минуту, ни больше и ни меньше; независимо от того, сколько операций нужно совершить с отдельным автомобилем и сколько заняла бы его сборка одним человеком. Применительно к процессорам принцип конвейера означает, что если мы сумеем разбить выполнение машинной инструкции на несколько этапов, то тактовая частота (а вернее, скорость, с которой процессор забирает данные на исполнение и выдает результаты) будет обратно пропорциональна времени выполнения самого медленного этапа. Если это время удастся сделать достаточно малым (а чем больше этапов на конвейере, тем они короче), то мы сумеем резко повысить тактовую частоту, а значит, и производительность процессора. Процедуру выполнения практически любой инструкции можно разбить как минимум на пять непересекающихся этапов:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17