Лабораторная работа: Работа и устройство процессоров
Организация
работы кэш-памяти
Организация кэш-памяти в
процессорах 486 и семействе Pentium называется четырехстраничным набором
ассоциативного кэша (four-way set associative cache), что подразумевает
разделение кэш-памяти на четыре блока. Каждый блок, в свою очередь,
организуется в виде 128 или 256 строк по 16 байт в каждой. Чтобы понять, как
работает четырехстраничный кэш, рассмотрим следующий пример. В простейшем
случае кэш состоит из одного блока, в который можно загрузить содержимое соответствующего
блока основной памяти. Это похоже на закладку, используемую для того, чтобы
отметить нужную страницу в книге. Если основная память — это вся книга, то по
закладке можно определить, какая страница находится в кэше. Но этого бывает
достаточно только в том случае, если все необходимые данные находятся на
странице, отмеченной закладкой. Если же вам нужно вернуться к одной из уже
прочитанных страниц, то закладка будет бесполезной. Можно воспользоваться
несколькими закладками (выписками), отмечая сразу несколько мест в книге. При
этом, конечно, усложняется схема процессора, но зато можно проверить сразу
несколько закладок. Каждая дополнительная закладка усложняет систему, но
вероятность того, что нужная страница уже отмечена (выписана), повышается. Если
ограничиться четырьмя отметками-выписками, то можно получить четырехстраничный
кэш. Вся кэш-память разбивается на четыре блока, в каждом из которых хранятся
копии различных фрагментов основной памяти. Хорошим примером работы процессора
сразу с несколькими областями памяти является использование многозадачной
операционной системы Windows. Здесь четырехстраничный кэш значительно повышает
производительность процессора. Содержимое кэша всегда должно соответствовать
содержимому основной памяти, чтобы процессор работал с самыми свежими данными.
Поэтому в семействе процессоров 486 используется кэш со сквозной записью
(write-through), при которой данные, записанные в кэш, автоматически
записываются и в основную память. В процессорах Pentium используется
двунаправленный кэш (write-back), который работает при выполнении как операций
считывания, так и операций записи. Это позволяет еще больше повысить
производительность процессора. Хотя встроенный кэш в процессоре 486
используется только при чтении, внешний кэш в системе может быть
двунаправленным. Кроме того, в процессорах 486 предусмотрен дополнительный
4-байтовый буфер, в котором можно хранить данные вплоть до передачи в память.
Это необходимо в том случае, если шина памяти занята. Еще одна из особенностей улучшенной архитектуры кэша состоит
в том, что кэш-память является неблокируемой. Это свойство позволяет уменьшать
или скрывать задержки памяти, используя перекрытие операций процессора с
выборкой данных. Неблокируемая кэш-память дает возможность продолжать выполнение
программы одновременно с неудачными обращениями в кэш при наличии некоторых
ограничений. Другими словами, кэш-память улучшает обработку промаха кэша и
позволяет процессору продолжать выполнение операций, не связанных с
отсутствующими данными. Кэш-контроллер, встроенный в
процессор, также используется для наблюдения за состоянием системной шины при
передаче управления шиной альтернативным процессорам, которые называются
хозяевами шины (bus masters). Процесс наблюдения, в свою очередь, называется
отслеживанием шины (bus snooping). Если устройство, управляющее передачей
данных по шине (т. е. хозяин шины), записывает какие-либо данные в область
памяти, копия которой хранится в кэше процессора, то содержимое кэша перестает
соответствовать содержимому основной памяти. В этом случае кэш-контроллер
отмечает эти данные как ошибочные и при следующем обращении к памяти обновляет
содержимое кэша, поддерживая тем самым целостность всей системы. При увеличении тактовой частоты время цикла уменьшается. В
новых системах не используется кэш на системной плате, поскольку быстрые модули
DDR-SDRAM или RDRAM, применяемые в современных системах Pentium II/Celeron/III,
могут работать на тактовой частоте системной платы. Как видите, кэш-память двух
уровней улучшает взаимодействие между быстрым центральным процессором и более
медленной оперативной памятью, а также позволяет минимизировать периоды
ожидания, возникающие при обработке данных. Решающую роль в этом играет
кэш-память второго уровня, расположенная в кристалле процессора. Это дает
возможность процессору работать с тактовой частотой, наиболее близкой к его максимальной
частоте.
Свойства
процессора
По мере появления новых
процессоров их архитектура дополняется все новыми и новыми возможностями,
которые позволяют не только улучшить эффективность выполнения тех или иных
приложений, но и повысить надежность центрального процессора в целом. В
следующих разделах представлено краткое описание различных технологий, включая
режим управления системой, суперскалярное выполнение, технологии MMX и SSE.
SMM
Задавшись целью создания
все более быстрых и мощных процессоров для портативных компьютеров, Intel
разработала схему управления питанием. Эта схема позволяет процессорам экономно
использовать энергию батареи и таким образом продлить срок ее службы. Такая
возможность впервые была реализована компанией Intel в процессоре 486SL,
который является усовершенствованной версией процессора 486DX. Впоследствии,
когда возможности управления питанием стали более универсальными, их начали
встраивать в Pentium и во все процессоры более поздних поколений. Система
управления питанием процессоров называется SMM (System Management Mode — режим
управления системой).SMM физически интегрирована в процессор, но функционирует
независимо. Благодаря этому она может управлять потреблением мощности, в
зависимости от уровня активности процессора. Это позволяет пользователю
определять интервалы времени, по истечении которых процессор будет частично или
полностью выключен. Данная схема также поддерживает возможность приостановки/возобновления,
которая позволяет мгновенно включать и отключать мощность, что обычно
используется в портативных компьютерах. Соответствующие параметры
устанавливаются в BIOS.
Суперскалярное
выполнение
В процессорах Pentium
пятого и последующих поколений встроен ряд внутренних конвейеров, которые могут
выполнять несколько команд одновременно. Процессор 486 и все предшествующие в
течение определенного отрезка времени могли выполнять только одну команду.
Технология одновременного выполнения нескольких команд называется
суперскалярной. Благодаря использованию данной технологии и обеспечивается
дополнительная эффективность по сравнению с процессором 486.Суперскалярная
архитектура обычно ассоциируется с микросхемами RISC (Reduced Instruction Set
Computer — компьютер с упрощенной системой команд). Процессор Pentium — одна из
первых микросхем CISC (Complex Instruction Set Computer — компьютер со
сложной системой команд), в которой применяется суперскалярная технология,
реализованная во всех процессорах пятого и последующих поколений. Рассмотрим на примере установки электрической лампочки
инструкции CISC.
1. Возьмите электрическую
лампочку.
2. Вставьте ее в патрон.
3. Вращайте до отказа.
И аналогичный пример в
виде инструкций RISC.
1. Поднесите руку к лампочке.
2. Возьмите лампочку.
3. Поднимите руку к
патрону.
4. Вставьте лампочку в
патрон.
5. Поверните ее.
6. Лампочка
поворачивается в патроне? Если да, то перейти к п. 5.
7. Конец.
Многие инструкции RISC
довольно просты, поэтому для выполнения какой-либо операции потребуется больше
таких инструкций. Их основное преимущество состоит в том, что процессор
выполняет меньшее количество операций, что, как правило, сокращает время
выполнения отдельных команд и соответственно всей задачи (программы). Можно
долго спорить о том, что же в действительности лучше — RISC или CISC, хотя,
если говорить честно, такого понятия, как "чистая" микросхема RISC
или CISC, не существует. Подобная классификация не более чем вопрос
терминологии. Процессоры Intel и совместимые с ними
процессоры можно определить как микросхемы CISC. Несмотря на это, процессоры
пятого и шестого поколения обладают различными атрибутами RISC и разбивают во
время работы команды CISC на более простые инструкции RISC.
Технология MMX
В зависимости от
контекста, MMX может означать multi-media extensions (мультимедийные
расширения) или matrix math extensions (матричные математические расширения).
Технология MMX использовалась в старших моделях процессоров Pentium пятого
поколения в качестве расширения, благодаря которому ускоряется
компрессия/декомпрессия видеоданных, манипулирование изображением, шифрование и
выполнение операций ввода-вывода — почти все операции, используемые во многих
современных программах. В архитектуре процессоров MMX есть
два основных усовершенствования. Первое, фундаментальное, состоит в том, что
все микросхемы MMX имеют больший внутренний встроенный кэш, чем их собратья, не
использующие эту технологию. Это повышает эффективность выполнения каждой
программы и всего программного обеспечения независимо от того, использует ли
оно фактически команды MMX. Другое
усовершенствование MMX состоит в расширении набора команд процессора 57 новыми
командами, а также во введении новой возможности выполнения команд, называемой
одиночный поток команд — множественный поток данных (Single Instruction —
Multiple Data, SIMD). В современных мультимедийных и
сетевых приложениях часто используются циклы; хотя они занимают около 10% (или
даже меньше) объема полного кода приложения, на их выполнение может уйти до 90%
общего времени выполнения. SIMD позволяет одной команде осуществлять одну и ту
же операцию над несколькими данными, подобно тому, как преподаватель, читая
лекцию, обращается ко всей аудитории, а не к каждому студенту в отдельности.
Технология SIMD позволяет ускорить выполнение циклов при обработке графических,
анимационных, видео- и аудиофайлов; в противном случае эти циклы отнимали бы
время у процессора. Intel также добавила 57 новых команд,
специально разработанных для более эффективной обработки звуковых, графических
и видеоданных. Эти команды предназначены для выполнения с высокой степенью
параллелизма последовательностей, которые часто встречаются при работе
мультимедийных программ. Высокая степень параллелизма в данном случае означает,
что одни и те же алгоритмы применяются ко многим данным, например к данным в
различных точках при изменении графического изображения. Такие компании, как AMD и Cyrix, лицензировали у Intel
технологию MMX и реализовали ее в собственных процессорах.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 |
