Билет №10. Архитектурные способы повышения производительности микропроцессоров

Есть 2 пути повышения производительности процессора: технологическое и архитектурное. Технологическое – совершенствование технологии производства интегральных схем, уменьшение проектное норм, что позволяет повысить тактовую частоту и обеспечивает рост уровня интеграции. Повышению тактовой частоты способствует укорочение цепочек логических элементов. Архитектурный способ связан с рядом направлений: оптимизация системы команд, использование методов и средств параллельной обработки данных и т.д.

Первое архитектурное решение – конвейеризация – естественное средство реализации параллелизма в естественной последовательности команд.

1. Выборы команды IF

2. Дешифрирование команды ID

3. Чтение операндов RD

4. Исполнение операции EX

5. Запись результатов WB

Конвейерная обработка не уменьшает время обработки отдельной команды, но позволяется параллельно выполнять сразу несколько команд. Ситуация, при которой в процессе выполнения команд происходит временная остановка конвейера называется конфликтом.

1. Конфликт по ресурсам возникает, когда нескольким командам, находящимся на разных степенях конвейерах требуется использование одного ресурса.

2. Конфликт по данным – ситуация, когда исходный операнд или результат операции недоступны в положенное время.

3. Конфликт по управлению – возникает при конвейеризации команд условных переходов (или других команд, изменяющих счётчик команд)

Дополнительные архитектурные способы борьбы с конфликтами:

1. Суперскалярность – означает, что на каждом этапе обрабатывается сразу несколько потоков инструкций параллельно. Процессоры способны запускать не исполнение не только ту команду, которая сейчас, но и следующую за ней. Непересекающиеся по данным команды могут выполняться на свободных исполняющих блоках процессора.

2. Внеочередное выполнение операций. Операции не обязаны выполняться в том порядке, в котором написаны в исходном коде.

3. Предсказание перехода – позволяет процессору при выполнении команд сохранять конвейер заполненным. Используется оптимизированный алгоритм предсказания перехода, позволяющий предсказывать направление и результат команд (эффективность 95-97%).

4. Анализ потока данных – используется для исследования потока данных, проходящих через процессор, выявляет закономерности при обращении к данным и пред загружает эти данные.

Билет №11. Что такое архитектура процессора?

Процессорное ядро- это конкретное воплощение микроархитектуры, являющееся стандартом для целой серии процессоров.

Например, NetBurst - это микроархитектура, которая лежит в основе многих процессоровIntel: Celeron, Pentium 4, Xeon. Микроархитектура задает общие принципы: длинный конвейер, использование определенной разновидности кэша, прочие особенности.

Ядро - это конкретное воплощение определенной микроархитектуры в кристалле, обладающее (в отличие от самой микроархитектуры) определенным набором строго обусловленных характеристик. Разные ядра, построенные на одной микроархитектуре, могут иметь, в том числе разное быстродействие.

Например, процессоры микроархитектуры NetBurst с шиной 400 МГц, кэшем второго уровня 256 килобайт, и без поддержки Hyper-Threading - это более-менее полное описание ядра Willamette. А вот ядро Northwood имеет кэш второго уровня уже 512 килобайт, хотя также основано на NetBurst. Ядро AMD Thunderbird основано на микроархитектуре K7, но не поддерживает набор команд SSE, а вот ядро Palomino - уже поддерживает.

Ревизия - одна из модификаций ядра, крайне незначительно отличающаяся отпредыдущей, почему и не имеет названия нового ядра. Как правило, из выпусков очередной ревизии производители процессоров не делают большого события, это происходит «в рабочем порядке». Выпуск новой ревизии, как правило, связан с какими-то мелкими усовершенствованиями.

Частота работы ядра. Как правило, именно этот параметр обычно именуют частотой процессора. Хотя в общем случае определение <частота работы ядра> всё же более корректно, так как совершенно не обязательно все составляющие CPU функционируют на той же частоте, что и ядро (например, в процессорах Intel Pentium II и Pentium III для Slot 1, AMD Athlon для Slot A - L2-кэш функционировал на 1/2, и даже иногда на 1/3 частоты работы ядра).

Частота работы ядра не однозначно определяет производительность.

Во-первых, каждое конкретное процессорное ядро (в зависимости от того, как оно спроектировано, сколько содержит исполняющих блоков различных типов, и т.д. и т.п.) может исполнять различное количество команд за один такт, частота же - это всего лишь количество таких тактов в секунду.

Во-вторых, даже в рамках одного и того же ядра, увеличение частоты вовсе не всегда приводит к пропорциональному увеличению быстродействия. Дело в том, что скорость исполнения команд ядром процессора - это вовсе не единственный показатель, влияющий на скорость выполнения программы. Не менее важна скорость поступления команд и данных на CPU. Таким образом, следует понимать: невозможно непрерывно наращивать одну только частоту ядра, не ускоряя одновременно подсистему памяти, так как в этом случае начиная с определённого этапа, увеличение частоты CPU перестанет сказываться на увеличении быстродействия системы в целом.

Особенности образования названий процессоров

Раньше процессоры называли просто: имя производителя + название модельного ряда + частота. Например: Intel Pentium 100 MHz. В настоящее время оба основных производителя от этой традиции отошли, и вместо частоты употребляют различные цифро-буквенные обозначения.