Суммарное влияние отрицательных факторов на производительность компьютера

Что следует из проведенного анализа архитектуры суперкомпьютера CRAY Y-MP C90? Выводов можно сделать много, но главный помогает сразу понять причину низкой производительности неоптимизированных программ, в частности программ, перенесенных с традиционных последовательных компьютеров. Дело в том, что на производительность реальных программ одновременно оказывают влияние в той или иной степени одновременно ВСЕ перечисленные выше факторы. В самом деле, программы не бывают векторизуемыми на все 100% --- всегда есть некоторая инициализация, ввод/вывод или что-то подобное. Вместе с этим обязательно будет присутствовать какое-то число конфликтов в памяти плюс, быть может легкая, несбалансированность в использовании функциональных устройств. Для части операций может не хватать каналов чтения/записи, векторных регистров и т.д. по всем изложенным выше факторам (плюс влияние компилятора -- что-то не векторизовал, что-то сделал не эффективно и т.д.).

Если предположить, что влияние каждого отдельного фактора в некоторой программе таково, что позволяет достичь 85% пиковой производительности, то их суммарное воздействие снизит реальную производительность менее, чем до 20% от пика!

Вывод: если хотим добиться хорошей производительности компьютера, то принимать во внимание необходимо все указанные выше факторы одновременно, минимизируя их суммарное проявление в программе.

Архитектура МП.

По признакам микропроцессорного ядра микроконтроллеры  и собственно микропроцессоры могут быть разделены  на следующие основные группы:

• ­CISC (Complete Instruction Set Computing - вычисления с полным набором команд) –  архитектурой, характеризуемой полным набором команд;

• ­RISC (Reduce Instruction Set Computing - вычисления с сокращённым набором команд) – архитектурой, которая определяет систему с сокращенным набором команд одинакового формата, выполняемых за один машинный такт;

• ­с архитектурой фон Неймана – память программ и память данных находятся в едином пространстве адресов и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти, кроме контекста программы;

• ­с архитектурой Гарвардской лаборатории – память программ и память данных разделены, имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним;

• ­с фиксированной разрядностью и фиксированным списком команд (однокристальные);

• ­с наращиваемой разрядностью (секционные) и микропрограммным управлением, позволяющим разработчику создавать собственные машинные команды, дополняющие начальный список;

• ­с преобладающей регистровой архитектурой  и развитой системой регистровой адресации;

Микропроцессоры первых поколений относились к CISC-категории, но практика и исследования показали, что наиболее эффективно используются команды из ограниченного списка. Это послужило основной предпосылкой для разработки RISC-процессоров, некоторые из которых имеют набор из сорока (и менее) простых команд, в состав которых может, например, не входить деление и умножение, выполняемые программными процедурами. Ограниченный набор команд позволяет упростить архитектуру микропроцессора, поднять тактовую частоту и обеспечить выполнение всех команд в один машинный такт. Все это приводит к увеличению производительности и уменьшению стоимости микропроцессоров. Первые RISС-процессоры были разработаны в начале 80-х годов в Стэндфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50 − 100) набор команд, тогда как обычные CISC-микропроцессоры  выполняли 150—250.

Характерные особенности RISC-процессоров:

• фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды,

• ­одна инструкция выполняет только одну операцию с памятью — чтение или запись,

• ­операции вида “прочитать-изменить-записать” отсутствуют и выполняются программно,

• ­большое количество регистров общего назначения (32 и более).

Кроме приведенной выше классификации существует разделение микроконтроллеров на семейства по комплексу признаков, представляющих архитектурные, программные и другие особенности.  В некоторых