Повышение производительности компьютерных систем

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ПОВТАС

Реферат

Проблемы повышения производительности вычислительных систем и методы их преодоления

Оренбург 1999

Содержание.

|1.Немного истории. |3 |
|2.Повышение производительности в компьютерных сетях. |6 |
|3.Повышение производительности процесоров |8 |
|4. ММХ-революция в микропроцессорной эволюции. |9 |
|5.Основные проблемы. |12 |
|6.Одно из перспективных решений. |12 |
|7.Влияние архитектуры микропроцессоров на повышение |14 |
|производительности. | |
|8.Список литературы. |26 |

Немного истории.

Электронный компьютер был разработан в 50-е годы как устройство для производства быстрых вычислений. В то время никто не задумывался над его информационными приложениями и усилия разработчиков были направлены в основном на повышение быстродействия компьютера.
В 60-е годы была сделана попытка использовать компьютер для осуществления информационных операций индексирования и анализа текста. С помощью соответствующего программного обеспечения в память компьютера стали записывать тексты и искать возможности оперирования с ними. В настоящее время существует множество фирм, производящих компьютеры. Это, например,
Dell, Acer, IBM. Для тех, кто профессионально с компьютером не связан, расскажем очень кратко о некоторых принципах функционирования компьютера.
Структурно компьютер состоит из пяти основных функциональных блоков, объединенных общей задачей быстро производить арифметические и логические действия над числами. Характер действий и их последовательность определяются программой, представляющей собой определенным образом организованную совокупность машинных операций, называемых командами.
Руководит работой компьютера устройство управления. Оно получает команды из памяти, декодирует их и генерирует необходимые для их выполнения сигналы.
Каждая команда в памяти находится по определенному адресу, который указывается программным счетчиком, находящимся в устройстве памяти. Для запоминания команд в устройстве управления имеется специальный регистр команд.
Устройств ввода и вывода служат для преобразования информации с тех языков программирования и тех скоростей, на которых работает компьютер, на те, которые воспринимает человек или другая система, работающая с данным компьютером. Важнейшим функциональным блоком компьютера является процессор.
В нашей стране получили широкое распространение процессоры фирм Intel, AMD и др.
Команды от оператора поступают через устройство ввода в регистр инструкций. По этим инструкциям блок управления вырабатывает команды для всех функциональных блоков компьютера Система регистров общего пользования служит оперативной памятью для поступающих на вход данных.
Арифметическое устройство производит арифметические и логические операции над поступающими от регистра общего назначения данными. О том, какие именно следует выполнять функции, говорят команды блока управления.
Адресный регистр обеспечивает правильную адресацию данных в системе памяти, он также снабжает каждую следующую инструкцию указаниями адресов памяти, где она будет запоминаться.
Одним из ключевых функциональных блоков компьютера является программный счетчик, назначение которого состоит в обновлении каждой инструкции и временном запоминании ее номера. Если записанная программа перейдет в другой инструктивный номер, это изменение будет зафиксировано программным счетчиком. Информация об этом изменении поступает также в регистр инструкций. При каждом следующем шаге рабочей программы происходит обращение к программному счетчику с запросом о выполнении соответствующей операции.
Каждая ячейка памяти компьютера запоминает одно машинное слово.
Возможности компьютера определяются числом команд, которое можно ввести в оперативную память. Максимальная емкость оперативной памяти в миникомпьютерах не превышает обычно 32M слов, в суперкомпьютерах емкость оперативной памяти достигает 1000M слов (M = 1 048 576).
Резкое повышение производительности миникомпьютеров при сравнительно небольшом удорожании привело к созданию мегамини- или супермини- компьютеров. Появление компьютеров нового класса связано с успехами в технологии их изготовления, с расширением их функциональных возможностей.
Так, увеличилась скорость, и расширился набор команд центрального процессора, выросла пропускная способность устройств ввода-вывода, расширен диапазон адресов, увеличился ассортимент внешних устройств.
Одновременно с этим появилась возможность создать для супермини- компьютеров богатое программное обеспечение, существенно отличающееся от математического обеспечения типичных миникомпьютеров. В то же время это математическое обеспечение ориентировано на интерактивный режим работы пользователя с машиной, т. е. на непосредственное общение. Крупными производителями программного обеспечения можно считеть: Microsoft,
Symantec, Borland, Microprose и др.
В начале 70-х годов американская фирма Intel предложила вместо интегрального модуля с жесткой логикой разработать стандартный логический блок, конкретное назначение которого можно определить после его изготовления, т. е. создать программируемую интегральную схему. Так появился микропроцессор - многофункциональный цифровой микроэлектронный модуль с программируемой логикой, сделавший революцию в электронике и технике обработки информации.
Основой микропроцессора является большая интегральная схема, в которой происходят все функциональные и вычислительные операции. Микропроцессор составляет основу микрокомпьютера.
В 1980 г. основу почти всех микрокомпьютеров составляли однокристальные микропроцессоры, у которых на одном кристалле выполнены центральный процессор, устройство памяти, устройство ввода-вывода и другие логические схемы. Число транзисторов на одном кристалле достигало примерно 70 тыс. штук. В настоящее время уже имеются монокристаллические микросхемы с числом элементарных вентилей до 5 млн. штук, что закладывает основу для перехода к микрокомпьютерам следующего нового поколения.
Производство микрокомпьютеров происходит в нарастающем темпе.
К первому поколению персональных компьютеров американского производства относятся компьютер TRS-80 на базе микропроцессора Z80 фирмы Zilog, компьютер Apple - II фирмы Apple Computer, компьютер PET фирмы Commondore
Int. на базе микропроцессора 6502 фирмы MOS Technology.
Ко второму поколению принадлежат компьютеры IBM Personal Computer фирмы
IBM с микропроцессором i8088, Rainbow-100 фирмы DEC на базе микропроцессора
Z80A/i8088.
Микрокомпьютеры второго поколения с 16-разрядным словом отличаются от своих предшественников включением в комплект кроме гибких дисков также малогабаритных жестких дисков большой емкости, графических устройств, увеличенным объемом оперативной памяти до 256 КБайт - 2 Мбайт. Остальные поколения являются производными от этих.
Характеристики персональных компьютеров постоянно улучшаются, и в настоящее время технические характеристики и области применения мини- и микрокомпьютеров перекрываются.
В конце 80-х годов существовала проблема отставания математического вооружения компьютера от его физических возможностей. Зато в настоящее время данная проблема преобразилась с точностью до наоборот. Т.е. современное программное обеспечение способно использовать все системные ресурсы компьютера и при этом требовать еще большего увеличения данных ресурсов.
Пусть, например, необходимо ввести данные в компьютер. Этот процесс следует начать с тестовых проверок, чтобы убедиться в физической возможности осуществления этой процедуры. Поэтому работа начинается с того, что устройство ввода посылает в компьютер сигнал, указывающий на готовность ввода порции информации. В свою очередь, компьютер должен известить устройство ввода, т. е. оператора, о том, что он закончил обработку предыдущей порции данных и готов к приему следующей. В результате происходящего обмена сигналами устанавливается режим, позволяющий вводить новую порцию данных.
При выводе информации из компьютера устройство вывода должно известить компьютер о том, что оно готово воспринимать данные, т. е. послать в компьютер так называемый "сигнал занятости". Компьютер начнет выдавать данные только после проверки наличия такого сигнала. В свою очередь, компьютер должен послать в устройство вывода сигнал готовности передавать данные и устройство вывода должно убедиться в наличии такого сигнала.
Этот очевидный режим обмена информацией между компьютером и периферийными устройствами имеет недостаток - нерациональное использование времени, так как компьютер значительную часть времени находится в режиме ожидания.
Поэтому разработан более экономичный режим обмена данными - ввод и вывод по прерыванию. В этом режиме выполнение основной программы компьютером чередуется с выполнением подпрограмм ввода и вывода.

Повышение производительности в компьютерных сетях.

Быстрое проникновение информационных технологий в коммерцию, банковское дело, образование и сферу развлечений в совокупности с неуклонно увеличивающейся мощностью компьютеров и емкостью устройств хранения данных предъявляет все большие требования к сетям связи. На повестку дня выходят широкополосные каналы связи.
Согласно прогнозам, мощность персональных компьютеров и high-end- вычислительных машин в ближайшие 15 лет увеличится более чем в тысячу раз, соответственно и потребности в объеме трафика по опорным сетям связи вырастут в десятки и сотни раз. Эти тенденции стимулируют исследования в области высокопроизводительных сетевых решений. Самые быстрые линии передачи данных - оптоволоконные - требуют соответствующие технологии построения быстрых и гибких сетей. Одной из таких технологий является временное уплотнение каналов.
Современные технологии ATM и SDH решают задачу повышения производительности сетей лишь в краткосрочной перспективе. Их дальнейшее развитие сопровождается увеличением сложности и цены электронного оборудования, заставляя разработчиков обратить взор в сторону оптических технологий связи.
Связь по оптоволокну - пока единственный способ удовлетворить огромные потребности в скоростной передаче данных. Главными технологиями, позволяющими наиболее полно на сегодняшний день использовать поистине громадные возможности волокна, являются уплотнение каналов с разделением по спектру (WDM, или спектральное уплотнение) и с временным разделением (OTDM, или временное уплотнение).
И та и другая технологии важны не только для повышения скорости передачи данных, но и для ускорения коммутации и маршрутизации. Уже разработаны необходимые средства для решения этих задач без использования электронных устройств. Таким образом, снимаются ограничения, накладываемые электроникой. Временное и спектральное уплотнения не являются взаимоисключающими, хотя использование первого с некоторыми видами волокон затруднено. Более того, эти подходы могут быть скомбинированы. Небольшое число OTDM-каналов может быть объединено с помощью WDM, увеличивая емкость линии.
Представим, что нам нужно установить локальную сеть с большой пропускной способностью, так сказать, с заделом на будущее. Чем соединить между собой компьютеры? Еще недавно ответ был очевиден - коаксиал или витая пара (UTP) с третьей по пятую категории. Если речь шла о магистральных коммуникациях, прокладывалось оптическое стекловолокно. С развитием технологии выбор расширился. Появилась расширенная 5-я категория UTP, экранированная витая пара (так называемая 6-я европейская категория UTP). Снизилась стоимость оптоволокна. Кроме этого, на рынке кабельных соединений для локальных сетей возникло новое явление: пластиковое, или полимерное, оптическое волокно. По- английски оно называется Plastic Optical Fiber или сокращенно POF.
Аналитики считают, что POF должно заполнить существующую нишу между медными проводами и стекловолокном по соотношению цена-производительность.
Пластиковое оптоволокно уже в течение нескольких лет производится в Японии и США. Оно употребляется для освещения (в качестве световодов), а также в робототехнике, промышленности и автомобилях. Число сетевых применений POF, впрочем, пока весьма невелико. Несколько американских компаний используют
POF в качестве коротких (до 100 м) магистралей передачи данных. Новая разработка - POF с изменяющимся в поперечном сечении показателем преломления (graded-index POF) - обещает увеличить пропускную способность пластического волокна до 2 гигабит в секунду на дистанциях до 100 метров.
В каких отношениях находится POF со стеклом и медью с точки зрения технических характеристик и экономической выгоды? Пластиковые световоды способны работать в самых суровых температурных режимах, мыслимых для современных сетей, - от -40њ до 85њC. Без ущерба для оптических характеристик они могут выдерживать радиус изгиба до 20 мм и не ломаются даже при радиусе изгиба в 1 мм. Такая гибкость позволяет с легкостью прокладывать POF там же, где и медные провода, пропуская световод через стены и вентиляционные короба.
Область применения для POF оказывается весьма широкой. Помимо локальных сетей в их привычном понимании, пластиковые световоды могут использоваться в качестве сетевой основы для самолетов, компьютеризированных автомобилей, военного снаряжения и обмундирования, а также везде, где недопустимо возникновение электрических наводок и полей.

Повышение производительности процессоров.

Говорить о перспективах развития вычислительной техники довольно сложно. С одной стороны, мы привыкли к сумасшедшим, не имеющим аналогов в истории человечества темпам роста ее мощностей и проникновению в самые разнообразные сферы жизни человеческого общества С другой стороны, действительно, даже как-то не верится, что подобные темпы смогут сохранить такими же высокими.
К двухтысячному году микропроцессоры достигнут тактовой частоты 900 мегагерц, а их производительность по iSPEC95 будет равна примерно 60. К
2006 году частота подскочит до 4 ГГц, а производительность - до 500 (для сравнения: производительность сегодняшнего Pentium Pro, работающего на частоте 200 МГц, составляет 5,1). Рост производительности будет достигнут двумя путями: повышением частоты и степени параллелизма в архитектуре процессора.
Спрос на скорость и мощность будет расти по мере того, как в сегодняшние приложения начнут вводить видео, звук, анимацию, цвет, трехмерные изображения и другие средства, которые должны сделать PC и программы проще для использования.

ММХ-революция в микропроцессорной эволюции.

8 января 1997 года корпорация Intel анонсировала долгожданный процессор
Pentium., выполненный с использованием технологии MMX.. Его официальное представление на территории СНГ и стран Балтии прошло 22 января в Москве, в киноцентре "Кодак Киномир". В этом материале представлены основные факты, сопутствующие появлению новой технологии от Intel.
Новый процессор, выпускаемый в четырех модификациях, представляет собой наиболее производительный из всех имеющихся на сегодня процессоров Pentium.
Для настольных ПК, ориентированных на сегмент рынка потребительских товаров, процессоры выпускаются с рабочими частотами 166 и 200 МГц, а для hi-end ноутбуков разработаны процессоры с тактовыми частотами 150 и 166
МГц. На это обстоятельство наблюдатели обращают самое пристальное внимание
- впервые за свою историю корпорация представляет "ноутбучные" процессоры одновременно с решениями для настольных систем.

Технология.

По мнению корпорации анонсированная в марте прошлого года технология MMX представляет собой наиболее существенное улучшение архитектуры процессоров
Intel за последние 10 лет, с момента появления 32-х разрядного Intel386.
Разработка этой технологии началась около пяти лет назад в ответ на быстрое развитие вычислительных систем, связанных с обработкой различных видов информации. Были проведены исследования широкого круга программ для обработки изображений, MPEG видео, синтеза музыки, сжатия речи и ее распознавания, игровых, ориентированных на видеоконференции и многих других. В них выделялись подпрограммы, наиболее активно эксплуатирующие вычислительные мощности. Затем, они были тщательно проанализированы. В результате такого анализа было выявлено то общее, что необходимо для эффективного выполнения различных категорий программ.
Основой MMX является архитектура SIMD (Single Instraction Multiply Data -
"одна инструкция над многими данными"). Суть ее состоит в том, что данные поступают в процессор в виде 64-битных пакетов, которые обрабатываются одной командой. Кроме того логика процессора пополнилась 57 новыми инструкциями, повышающими производительность при выполнении наиболее типичных циклов, характерных для приложений, использующих большое количество аудиовизуальной информации.
Восемь 64-разрядных регистров MMX физически используют те же регистры, что и операции с плавающей точкой. С одной стороны подобный шаг обеспечивает полную совместимость с предшествующей архитектурой Intel и, как следствие, полную совместимость с широко используемыми операционными системами и прикладным программным обеспечением. С другой стороны на переключение с выполнения ММХ-инструкций, на действия с плавающей запятой процессору требуется 50 тактов, что рассматривается критиками как существенный минус архитектуры. Однако Intel с этим категорически не соглашается, утверждая, что подобное решение оптимально и удовлетворяет производителей как программного, так и аппаратного обеспечения.
Новые процессоры разработаны на основе созданной в Intel улучшенной 0,35- микронной технологии, которая позволяет получить более высокую производительность при меньшем потреблении мощности. Процессоры содержат по
4,5 млн. транзисторов и используют два уровня напряжения питания. Для совместимости с существующими компонентами процессор работают при напряжении 3,3 В, но ядро процессора в версии для настольных ПК работает при напряжении 2,8 В, а в версии для портативных ПК - при напряжении 2,45В.
Работа ядра при пониженном напряжении позволяет снизить мощность рассеяния у новых процессоров до уровня их предшественников без технологии ММХ. При этом максимальное рассеяние мощности в случае с процессором, используемым в настольных ПК, составляет 15,7 Вт., а для процессора, используемого в портативных ПК - 7,8 Вт. Так что категорически не следует устанавливать ММХ- процессоры в старые, неприспособленные для них материнские платы! Эксперты полагают, что расплата наступит не сразу, но в итоге устойчиво процессоры работать не будут, при этом нагрев будет измеряться просто недопустимыми величинами, что в конце концов приведет к неминуемой аварии. Поэтому остается ждать процессоров Pentium Overdrive, выполненных по новой технологии и снабженных преобразователями напряжения, выпуск которых начнется уже в первой половине текущего года.
В соответствии с прогнозами специалистов Intel можно ожидать дальнейшего роста показателей микропроцессоров и по плотности интеграции, и по быстродействию. Но вполне возможно, что общие темпы повышения производительности компьютеров несколько снизятся.
Здесь хотелось бы отметить, что сравнение Pentium и Pentium Pro даже сегодня является несколько преждевременным. По сути дела, Pentium Pro был экспериментальной и не очень удачной моделью (например, идея интеграции на одном кристалле самого процессора кэш-памяти и их работы на одной тактовой частоте явно не оправдалась). На самом деле, фактически рабочая история семейства P6 начинается только сейчас, с выходом Pentium II: у него есть отличный потенциал для снижения себестоимости и одновременно - повышения частоты.
Возможное снижение темпов роста производительности микропроцессоров - явление довольно понятное. Дело в том, что с точки зрения большинства вычислительных задач размерность данных в 32 бита является оптимальной. 16- разрядный процессор работал существенно быстрее 8-разрядного, а 32- разрядный - и того быстрее. Но вот переход к 64-разрядной схеме уже вряд ли принесет столь же весомый результат. Вполне возможно, что будущий Merced будет действительно очень сильно опережать Pentium II, но только на 64- разрядных тестах.

Основные проблемы

Одна из самых фундаментальных проблем, которые предстоит решить: как справляться с растущей сложностью изделия и численностью команды разработчиков? Чтобы создать новое поколение продуктов, сегодня и в будущем сотни человек должны работать как одна команда.
Следующее препятствие: как гарантировать работоспособность и совместимость? Если проверять все вычислительные ситуации и все аспекты совместимости, количество комбинаций будет приближаться к бесконечности.
Ясно, что нам потребуются качественно иные способы, чтобы справляться с микросхемами, содержащими 350 миллионов транзисторов.
Третья группа проблем связана с потребляемой мощностью. Напряжение питания придется понизить до одного вольта, для чего потребуется внести много нового в микроархитектуру, а также в процесс и программное обеспечение разработки.
Наконец, главным тормозом роста производительности будут внутрисхемные соединения - до тех пор пока не удастся открыть материалы с меньшими сопротивлением и емкостью. В современной микросхеме Pentium Pro содержится пять металлизированных слоев, благодаря чему сокращается расстояние между компонентами и сигналы передаются быстрее. В новом поколении процессоров этих слоев потребуется гораздо больше. История показывает, что технология металлизации развивается медленно. Чтобы сделать процессор 2006 года, надо срочно разворачивать новые исследования.

Одно из перспективных решений.

Одним из путей повышения производительности процессоров является новейшая технология производства микросхем на основе медных проводников.
Собственно, о прорыве в Cu-технологии изготовления микрочипов компания IBM заявила еще в сентябре 1997 года. Но за прошедшие до того пять лет напряженных лабораторных исследований и испытаний недостатка в подобных постоянно повторяющихся заявлениях уже никто не испытывал. И вот только последовавшие за этим октябрьские и ноябрьские события в мире большой полупроводниковой промышленности дали понять, что Великая медная революция, похоже, свершилась, поскольку вышла из лабораторий и теперь широко внедряется в серийном оборудовании полупроводниковой промышленности.
О преимуществах двойной дамасской медной технологии:Damascus Complete
Copper, название технологической линейки оборудования альянса Lam и
Novellus (и примкнувшей к ним IPEC), - перед традиционной алюминиевой.
Попутно нужно заметить, что названный дамасским процесс имеет довольно слабое касательство к металлургии булатной стали. Похожего между ними маловато, кроме, возможно, удачно найденного гетерогенного сочетания различных медных структур. Гомогенные пленки меди просто никак не вписывались в существующие технологические приемы. Ну и, естественно, очень похожа секретность, которой окружены технологические режимы и параметры получения той и другой "дамасской" структуры.
Лучшая (чем у алюминия) проводимость меди позволяет исключить до 200 технологических операций (этапов) в изготовлении чипа. Это сильно, если вспомнить, что еще лет десять назад чип изготавливался за 60 операций, сегодня же производство микропроцессора требует 800 и более этапов.
Работая на одной тактовой частоте, чипы с медными межсоединениями будут потреблять на 30% меньше энергии, чем "классические". Учитывая же двух- трехкратное сокращение линейных размеров, достигаемое с помощью меди, подобная экономия выразится в еще больших значениях. Здесь уместно представить себе легкий и негорячий палмтоп (или хэнд-хелд - как кому нравится) с процессором, равным по мощности сегодняшнему Pentium II, только на частотах порядка 1 ГГц, с кэшем первого уровня под 1-2 Гбайт, с флэш- памятью под 300-500 Мбайт и/или RAM-диском 1-2 Гбайт.
Обычно средние затраты на этап технологического процесса в полупроводниковой промышленности имеют тенденцию снижаться на 25-30% каждый год. Внедрение двойного дамасского процесса на уровне внутренней разводки сократит общие затраты на 30% разом, сохраняя общую тенденцию сокращаться и далее, из года в год.
Для уровня 0,13 мкм и менее задержки в медных проводниках вдвое меньше, чем они могли бы быть в подобных (гипотетических, по большей части) структурах Al-SiO2.
Кроме того, в алюминиевых тонких (ширина около 0,25 мкм) проводниках плотность тока уже такова, что происходит электромиграция алюминия, приводящая к отказам. Лучшая сопротивляемость этому эффекту, характерная для меди, позволяет достаточно легко преодолеть предел по ширине проводника. Теперь остаются ограничения типа слишком высокой диэлектрической проницаемости у SiO2 (между слоями металла лежит именно этот материал). С преодолением этого недостатка и внедрением более совершенной литографии медь будет применяться до пределов 0,13 мкм.
Два основных отличия двойного дамасского медного процесса изготовления межсоединений от традиционной алюминиевой технологии состоят в следующем.
Во-первых, операцией, определяющей минимальную ширину и шаг разводки в случае Al, является травление металла, а планаризация (выравнивание обрабатываемой поверхности чипа по горизонтали) каждого металлического уровня осуществляется на этапах заполнения промежутка и CMP (химико- механической планаризации) диэлектрика. В процессе же изготовления медной разводки этапом, определяющим минимальную ширину и шаг проводников, является не травление металла, а более простое травление диэлектрика.
Задачу планаризации выполняют на этапах осаждения и CMP меди.
Во-вторых, двойной дамасский процесс обладает еще одним преимуществом как перед обычной дамасской технологией, так и субтрактивным процессом, применяемым в настоящее время для изготовления алюминиевой разводки, он позволяет примерно на треть сократить число технологических этапов.

Влияние архитектуры микропроцессоров на повышение производительности.

В тяжёлой ситуации оказались производители микропроцессоров в конце девяностых годов. Сколько ни увеличивали они производительность процессоров, потребностей пользователей удовлетворить не могли. А остановиться - означало умереть: перестав крутить педали, упасть с велосипеда.
Наращивать тактовую частоту день ото дня становилось все труднее. Тогда разработчики пошли другим путем: оптимизировали исполнительные цепи, чтобы большинство команд исполнялось всего за один такт микропроцессора, ввели новые инструкции и векторные операции (технологии MMX и 3Dnow!)...
Сегодня можно с уверенностью сказать, что RISC- и CISC-архитектуры исчерпали себя, достигнув сопоставимой производительности. Но программисты, словно не заметив этого, все еще продолжают "утяжелять" программное обеспечение: Windows 2000 будет построена на объектах COM и COM+. С точки зрения разработчиков это хорошо, ибо позволит писать более устойчивый и свободный от ошибок программный код, но с точки зрения микропроцессора один только вызов объекта COM+ распадается на тысячи команд и очень-очень много тактов.
Без дальнейшего роста вычислительных мощностей внедрение этих технологий в повседневную жизнь просто немыслимо! Поэтому уже сегодня появляются многопроцессорные системы, ориентированные на домашние и офисные компьютеры.
Узким местом микропроцессоров традиционных архитектур стала выборка и декодирование инструкций. Действительно, в одном кристалле нетрудно разместить несколько независимых функциональных устройств, но только одно из них сможет обрабатывать поток команд. Почему? Очень просто: исполнять следующую инструкцию можно, только полностью уверившись, что ей не потребуется результат работы предыдущей.

СУПЕРСКАЛЯРНАЯ АРХИТЕКТУРА

Выходит, что исполнять за один такт можно и более одной инструкции?
Действительно, что нам мешает синхронно исполнять нечто вроде:

MOV AX,1234h ; Записать в регистр AX число 1234h
MOV CX,DX ; Записать в регистр CX значение регистра DX

Достаточно лишь, чтобы устройство выборки инструкций позволяло декодировать обе команды за один такт. Для RISC с их фиксированной длиной команд это вообще не составляло никакой проблемы (подробнее - в статье
"RISC vs. CISC").
Сложный набор инструкций CISC доставил немало головной боли разработчикам, но все же, ценой инженерных озарений и сложных аппаратных решений, были построены микропроцессоры, которые успевали декодировать две и более распространенные инструкции за один такт.
Словом, построение подобных декодеров не было непреодолимой преградой.
Трудность заключалась в том, что далеко не все команды можно выполнять параллельно. Например:

MOV AX,1234h ; Записать в регистр AX число 1234h
ADD DX,AX ; Сложить содержимое регистра DX с регистром AX

Пока не будет известен результат работы первой команды, выполнение второй невозможно. Следовательно, микропроцессор будет простаивать, а пользователь пить кофе, созерцая на экране песочные часы.
По статистике только десять процентов смежных команд не используют результатов работы друг друга. Стоит ли мизерное увеличение производительности усложнения процессора? Оказывается, да: если немного подумать и еще чуточку усложнить анализ зависимости между командами.
В самом деле, если пример, приведенный выше, переписать как

MOV AX,1234h
ADD DX,1234h

мы получим идентичный результат, но обе команды могут быть исполнены параллельно всего за один такт процессора. Можно пойти дальше и задержать выполнение первой инструкции до той поры, пока значение регистра AX не потребуется в явном виде. Если оно и вовсе никогда не потребуется - мы сэкономим целый такт!
Идеи о подобной, на лету, оптимизации кода породили суперскалярные микропроцессоры, то есть такие, где параллелизм команд явно не указан и отслеживается процессором самостоятельно.
Однако Intel нашла подобные приемы оптимизации слишком трудными для реализации и сделала упор на изменение порядка выполнения команд. Так, последовательность

MOV AX,1234h ; Записать в регистр AX число 1234h
ADD DX,AX ; Сложить содержимое регистра DX с регистром AX
MOV CX,666h ; Записать в регистр CX число 666h
ADD BX.CX ; Сложить содержимое регистра BX с регистром CX

Можно исполнить в другом порядке:

MOV AX,1234h ; Записать в регистр AX число 1234h
MOV CX,666h ; Записать в регистр CX число 666h
ADD DX,AX ; Сложить содержимое регистра DX с регистром AX
ADD BX.CX ; Сложить содержимое регистра BX с регистром CX

Теперь соседние инструкции независимы и могут быть исполнены параллельно.
Следовательно, приведенный выше пример может быть исполнен за два такта вместо четырех. Очень неплохой путь повышения производительности, но, к сожалению, очевидно тупиковый: усовершенствовав интеллектуальный "движок", можно найти способ параллельного исполнения четырех команд, но сомнительно, чтобы существовал волшебный способ устранения зависимости между восемью и более командами.
RISC в этой ситуации оказались в более выигрышном положении. Ограниченный набор регистров CISC порождал проблемы аналогично следующей:

MOV AX,1234h ; Записать в регистр AX число 1234h
ADD DX,AX ; Сложить содержимое регистра DX с регистром AX
MOV AX,666h ; Записать в регистр CX число 666h
ADD BX.AX ; Сложить содержимое регистра BX с регистром AX

Теперь уже невозможно одновременно выполнить первую и третью строки, однако этой, казалось бы, на первый взгляд, неразрешимой проблеме быстро было найдено красивое решение. В действительности зависимость между двумя командами ложная. Очевидно (даже машине), что должны использоваться дополнительные регистры. Но что нас ограничивает? Давайте переименуем регистры в AX~1 и AX~2 соответственно. Тогда получим следующий код:

MOV AX~1,1234h ; Записать в регистр AX число 1234h
ADD DX, AX~1 ; Сложить содержимое регистра DX с регистром AX
MOV AX~2,666h ; Записать в регистр CX число 666h
ADD BX, AX~2 ; Сложить содержимое регистра BX с регистром AX

Разумеется, теперь никаких проблем с параллельным исполнением уже не возникнет. Конечно же, потребуется больше регистров! Но регистры дешевы
(всего лишь набор триггеров из 4-6 транзисторов), а за быстродействие потребитель деньги охотно заплатит.
Проблема в том, что добавление новых регистров потребует перекомпиляции всего существующего программного обеспечения и изменения адресации. Одним словом, приведет к несовместимости с предыдущими моделями. Для кого-то это, может, было и не критично, но только не для Intel, которой обратная совместимость нужна обязательно.
И Intel находит блестящее решение. Существующие регистры при декодировании команды проецируются на гораздо больший набор внутренних. И как только обнаруживается ложная зависимость, очередной регистр переименовывается.
Разрыв в производительности между CISC и RISC снова утерян.

ПАРАЛЛЕЛИЗМ В МИКРОПРОЦЕССОРАХ RISC и CISC

Микропроцессоры PowerPC (RISC)

Процессор PowerPC был разработан в результате тесного сотрудничества ведущих производителей индустрии - IBM, Apple и Motorola. Он воплотил в себе гений тысяч инженеров, долгое время был лидером среди собратьев в отношении цена/производительность.
Суперскалярное RISC-ядро позволяло за один такт выполнять до четырех команд благодаря четырем конвейерам выборки и шести независимым функциональным устройствам: трем целочисленным АЛУ, блоку вещественной арифметики (обрабатывающему числа с плавающей точкой), модулю чтениязаписи результатов и блоку переходов. Для параллельного исполнения выборка инструкций должна соответствовать набору имеющихся устройств. Четыре целочисленные операции за один такт не выполнятся, а вот три целочисленные и одна вещественная могут.
Для повышения производительности и поддержки эффективной загрузки функциональных блоков в PowerPC используется динамическое предсказание условных переходов вкупе с упреждающим выполнением кода на глубину до четырех предсказанных переходов.
При этом результаты работы команд записываются в промежуточный кэш-буфер, который обнуляется в случае ошибочного предсказания. Что представляет собой динамическое предсказание ветвлений? В микропроцессорах PowerPC использован простой и надежный механизм таблицы предыстории переходов (или, говоря красивым техническим языком, BTH - Branch History Table).
В кэш этой таблицы заносятся адреса и результаты ветвления. Если попадается условный переход, который уже был занесен в таблицу, процессор полагает, что результат ветвления окажется тот же самый, и начинает упреждающее выполнение соответствующей ветви.
Этот механизм позволяет угадывать направление перехода в среднем в 95 случаях из 100, что значительно выше, чем у CISC-микропроцессоров. Впрочем, и самих условных переходов в RISC'ах значительно больше, да и находятся они большей частью в циклах, тогда как в CISC они иррегулярно разбросаны по всему коду и имеют тесную связь между обрабатываемыми в настоящий момент данными и направлением ветвления. Попросту говоря, они менее периодичны и предсказуемы. Но ввиду того, что самих условных переходов значительно меньше, удачность или неудачность предсказаний незначительно отражается на общей производительности.
PowerPC активно использует технологию переупорядочения последовательности выполнения команд. В любой момент могут быть выполнены четыре произвольные инструкции из шестнадцатиэлементного буфера команд.

Микропроцессор Pentium Pro

Высокая производительность была достигнута в большой степени благодаря улучшению внутреннего параллелизма архитектуры процессора. Прежде всего, это разнесенная архитектура и динамическое исполнение команд.
Последнее представляет собой опережающее исполнение команд, предсказание переходов и переупорядочение очереди выполнения инструкций. Кроме того, в
Pentium широко используется нехарактерная для RISC технология переименования регистров для устранения ложной зависимости (в RISC просто слишком много регистров, чтобы в этом возникла существенная необходимость или оказалось недостаточно переупорядочения команд).
Конвейеров у Pentium Pro два. Однако это еще не означает, что Pentium способен выполнить две любые инструкции параллельно. Исходя из сложности команд CISC и того факта, что каждая инструкция может задействовать произвольное (читай: временами очень большое) число функциональных ус

Вернуться