Лабораторная работа: Работа и устройство процессоров

1.Выборка инструкции (FETCH) из памяти. Из программы извлекается инструкция, которую нужно выполнить.

2.Декодирование инструкции (DECODE). Процессор обрабатывает полученную команду, и переправляет запрос на нужное исполнительное устройство.

3.Подготовка исходных данных для выполнения инструкции.

4.Собственно выполнение инструкции (EXECUTE).5.Сохранение полученных результатов.

Конвейеризация потенциально применима к любой процессорной архитектуре, независимо от набора команд и положенных в ее основу принципов. Даже самый первый x86-процессор, Intel 8086, уже содержал своеобразный примитивный "двухстадийный конвейер" - выборка новых инструкций (FETCH) и их исполнение осуществлялись в нем независимо друг от друга. Однако реализовать что-то более сложное для CISC-процессоров оказалось трудно: декодирование неоднородных CISC-инструкций и их очень сильно различающаяся сложность привели к тому, что конвейер получается чересчур замысловатым, катастрофически усложняя процессор(о CISC и RISC пойдет немного дальше). Подобных трудностей у RISC-архитектуры гораздо меньше (а SPARC и MIPS, например, и вовсе были специально оптимизированы для конвейеризации), так что конвейеризированные RISC-процессоры появились на рынке много раньше, чем аналогичные x86.Недостатки конвейера неочевидны, но, как обычно и бывает, из-за нескольких "мелочей" реализовать грамотно организованный конвейер совсем не просто.

Основных проблем три.

1.Необходимость наличия блокировок конвейера. Дело в том, что время исполнения большинства инструкций может очень сильно варьироваться. Скажем, умножение (и тем более деление) чисел требуют (на стадии EXECUTE) нескольких тактов, а сложение или побитовые операции - одного такта; а для операций Load и Store, которые могут обращаться к разным уровням кэш-памяти или к оперативной памяти, это время вообще не определено (и может достигать сотен тактов). Соответственно, должен быть какой-то механизм, который бы "притормаживал" выборку и декодирование новых инструкций до тех пор, пока не будут завершены старые. Методов решения этой проблемы много, но их развитие приводит к одному - в процессорах прямо перед исполнительными устройствами появляются специальные блоки-диспетчеры (dispatcher), которые накапливают подготовленные к исполнению инструкции, отслеживают выполнение ранее запущенных инструкций и по мере освобождения исполнительных устройств отправляют на них новые инструкции. Даже если исполнение займет много тактов - внутренняя очередь диспетчера позволит в большинстве случаев не останавливать подготавливающий все новые и новые инструкции конвейер [Новые инструкции тоже не каждый такт удается декодировать, так что возможна и обратная ситуация: новых инструкций за такт не появилось, и диспетчер отправляет инструкции на выполнение "из старых запасов"]. Так в процессоре возникает разделение на две независимо работающие подсистемы: Front-end (блоки, занимающиеся декодированием инструкций и их подготовкой к исполнению) и Back-end (блоки, собственно исполняющие инструкции).

2.Необходимость наличия системы сброса процессора. Поскольку операции FETCH и EXECUTE всегда выделены в отдельные стадии конвейера, то в тех случаях, когда в программном коде происходит разветвление (условный переход), зачастую оказывается, что по какой из веток пойти - пока неизвестно: инструкция, вычисляющая код условия, еще не выполнена. В результате процессор вынужден либо приостанавливать выборку новых инструкций до тех пор, пока не будет вычислен код условия (а это может занять очень много времени и в типичном цикле страшно затормозит процессор), либо, руководствуясь соображениями блока предсказания переходов, "угадывать", какой из переходов скорее всего окажется правильным.3.Наконец, конвейер обычно требует наличия специального планировщика (scheduler), призванного решать конфликты по данным. Если в программе идет зависимая цепочка инструкций (когда инструкция-2, следующая за инструкцией-1, использует для своих вычислений данные, только что вычисленные инструкцией-1), а время исполнения одной инструкции (от момента запуска на стадию EXECUTE и до записи полученных результатов в регистры) превосходит один такт, то мы вынуждены придержать выполнение очередной инструкции до тех пор, пока не будет полностью выполнена ее предшественница. К примеру, если мы вычисляем выражение вида A•B+C с сохранением результата в переменной X (XfA•B+C), то процессор, выполняя соответствующую выражению цепочку из двух команд типа R4fR1•R2; R0fR3+R4, должен вначале дождаться, пока первая инструкция сохранит результат умножения A•B, и только потом прибавлять к полученному результату число С. Цепочки зависимых инструкций в программах - скорее правило, нежели исключение, а исполнение команды с записью результата в регистры за один такт - наоборот, скорее исключение, нежели правило, поэтому в той или иной степени с проблемой зависимости по данным любая конвейерная архитектура обязательно сталкивается. Оттого-то в конвейере и появляются сложные декодеры, заранее выявляющие эти зависимости, и планировщики, которые запускают инструкции на исполнение, выдерживая паузу между запуском главной инструкции и зависимой от нее. Идея конвейера в процессоре очень красива на словах и в теории, однако реализовать ее даже в простом варианте чрезвычайно трудно. Но выгода от конвейеризации столь велика и несомненна, что приходится с этими трудностями мириться, ведь ничего лучшего до сих пор не придумано. В 1991-92 годах корпорация Intel, освоив производство сложнейших кристаллов с более чем миллионом транзисторов, выпустила i486 - классический CISC-процессор архитектуры x86, но с пятистадийным конвейером. Чтобы вы смогли оценить этот рывок, приведу две цифры: тактовую частоту по сравнению с i386 введение конвейера позволило увеличить втрое, а производительность на единицу частоты - вдвое. В i386 многие инструкции выполнялись за несколько тактов; а в i486 среднее "время" исполнения инструкции в тактах удалось снизить почти вдвое. Правда, расплатой за это стала чудовищная сложность ядра i486; но такие "мелочи" по меркам индустрии центральных процессоров - пустяк: быстро растущие технологические возможности кремниевой технологии уже через пару лет позволили освоить производство i486 всем желающим. Но к тому моменту RISC-архитектуры сделали еще один шаг вперед - к суперскалярным процессорам.

Кэш-память

Следует заметить, что, несмотря на повышение скорости ядра процессора, быстродействие памяти остается на прежнем уровне. При этом возникает вопрос: как добиться повышения производительности процессора, если память, используемая для передачи данных, работает довольно медленно? Ответ прост: "кэш". Попросту говоря, кэш-память представляет собой быстродействующий буфер памяти, используемый для временного хранения данных, которые могут потребоваться процессору. Это позволяет получать необходимые данные быстрее, чем при извлечении из оперативной памяти. Одним из дополнительных свойств, отличающих кэш-память от обычного буфера, являются встроенные логические функции. Кэш-память можно по праву назвать разумным буфером. Буфер содержит случайные данные, которые обычно обрабатываются по принципу "первым получен, первым выдан" или "первым получен, последним выдан". Кэш-память, в свою очередь, содержит данные, которые могут потребоваться процессору с определенной степенью вероятности. Это позволяет процессору работать практически с полной скоростью без необходимости ожидания данных, извлекаемых из более медленной оперативной памяти. Кэш-память реализована в виде микросхем статической оперативной памяти (SRAM), установленных на системной плате или встроенных в процессор. В современных ПК используются два уровня кэш-памяти, получившие название кэш-памяти первого (L1) и второго (L2) уровней.

Кэш-память первого уровня

Во всех процессорах, начиная с 486-го, имеется встроенный (первого уровня) кэш-контроллер с кэш-памятью объемом 8 Кбайт в процессорах 486DX, а также 32, 64 Кбайт и более в современных моделях. Кэш — это быстродействующая память, предназначенная для временного хранения программного кода и данных. Обращения к встроенной кэш-памяти происходят без состояний ожидания, поскольку ее быстродействие соответствует возможностям процессора, т. е. кэш-память первого уровня (или встроенный кэш) работает на частоте процессора. Использование кэш-памяти сглаживает традиционный недостаток компьютера, состоящий в том, что оперативная память работает более медленно, чем центральный процессор (так называемый эффект "бутылочного горлышка"). Благодаря кэш-памяти процессору не приходится ждать, пока очередная порция программного кода или данных поступит из относительно медленной основной памяти, что приводит к ощутимому повышению производительности. В современных процессорах встроенный кэш играет еще более важную роль, потому что он часто является единственным типом памяти во всей системе, который может работать синхронно с процессором. В большинстве современных процессоров используется множитель тактовой частоты, следовательно, они работают на частоте, в несколько раз превышающей тактовую частоту системной платы, к которой они подключены. Например, тактовая частота (1,4 ГГц), на которой работает процессор Pentium III, в 10,5 раз превышает тактовую частоту системной платы, равную 133 МГц. Поскольку оперативная память подключена к системной плате, она также может работать только на тактовой частоте, не превышающей 133 МГц. В такой системе из всех видов памяти только встроенный кэш может работать на тактовой частоте 1,4 ГГц. Рассмотренный в этом примере процессор Pentium III на 1,4 ГГц имеет встроенный кэш первого уровня общим объемом 32 Кбайт (в двух отдельных блоках по 16 Кбайт) и кэш второго уровня объемом 512 Кбайт, работающий на полной частоте ядра процессора. Если данные, необходимые процессору, находятся уже во внутренней кэш-памяти, то задержек не возникает. В противном случае центральный процессор должен получать данные из кэш-памяти второго уровня или (в менее сложных системах) из системной шины, т. е. непосредственно из основной памяти. Чтобы понять значение кэш-памяти, необходимо сравнить относительные скорости процессоров и ОЗУ Основная проблема заключается в том, что быстродействие процессора выражается обычно в МГц (в миллионах тактов в секунду), в то время как скорость памяти выражается в наносекундах (т е в миллиардных долях секунды)Для процессора, работающего на частоте 200 МГц, потребуется 4 нс памяти. Обратите внимание, что с процессором 233 МГц обычно используется системная плата с тактовой частотой 66 МГц, что соответствует скорости 15 нс на цикл. Основная память, скорость которой равна 60 нс (общий параметр практически для всех систем класса Pentium), приравнивается к тактовой частоте, примерно равной 16 МГц. Таким образом, в типичную систему Pentium 233 входит процессор, работающий на частоте 233 МГц (4,3 нс на цикл), системная плата, тактовая частота которой 66 МГц (15 нс на цикл) и основная память, работающая на частоте 16 МГц (60 нс на цикл).

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