3 Технологии, поддерживаемые процессором

3.1Технология Intel Hyper-Threading

Как уже отмечалось, кроме увеличения тактовой частоты существуют и другие способы увеличения производительности процессора, связанные с изменением его архитектуры. К примеру, можно увеличить число исполнительных блоков (Execution Units) внутри самого процессора. В этом случае возможно параллельное выполнение нескольких процессорных инструкций одновременно. Такая много­задачность реализована в том или ином виде во всех современных процессорах. Отход от последовательного выполнения команд, использование нескольких ис­полняющих блоков в одном процессоре позволяют одновременно обрабатывать несколько процессорных микрокоманд, то есть организовывать параллелизм на уровне инструкций (Instruction Level Parallelism, ILP), что, естественно, увели­чивает общую производительность.

Поясним все вышесказанное на примере. Представьте себе гипотетический про­цессор, в котором имеется всего три исполнительных блока: блок для работы с целыми числами (арифметико-логическое устройство,ALU), блок для работы с числами с плавающей точкой (FPU) и блок для записи и чтения данных из па­мяти (Store/Load, S/L). Пусть, кроме того, каждая операция осуществляется за один такт процессора.

Рисунок 2 - Последовательное выполнение инструкций в процессоре

Предположим, что выполняется программа, состоящая из трех инструкций: пер­вые две — арифметические действия с целыми числами, а последняя — сохране­ние результата. В этом случае вся программа будет выполнена за три такта про­цессора. В первом такте задействуется блок ALU процессора (темный квадрат на рисунке 2), во втором — также блок ALU, а в третьем — блок записи и чтения данных из памяти S/L. В этом случае мы имеем дело с классическим последова­тельным вариантом выполнения программы.

В современных приложениях в любой момент времени, как правило, выполняет­ся не одна, а несколько задач или несколько потоков (threads) одной задачи, на­зываемых также нитями. Давайте посмотрим, как будет вести себя наш гипоте­тический процессор при выполнении двух разных потоков задач (рисунок 3).

Допустим, что первый поток включает две независимые инструкции с использо­ванием блокаALU и одну инструкцию по сохранению результата. Задача второ­го потока — загрузить необходимые данные из памяти (работа с блоком S/L), произвести операцию с действительными числами (числами с плавающей запя­той) при помощи блока FPU и сохранить результат с использованием блока S/L. Если бы оба потока исполнялись изолированно, то для выполнения первого потребовалось бы два такта процессора, а для второго — три. При одновременном исполнении обоих потоков процессор будет постоянно переключаться между обоими потоками так, что за один такт процессора выполняются только инст­рукции какого-либо одного из потоков. Для исполнения обоих потоков всего по­требуется пять процессорных тактов.

Рисунок 3 - Выполнение двух потоков на процессоре без Hyper-Threading

Теперь давайте подумаем над тем, как можно повысить скорость выполнения за­дачи в рассмотренном примере. Для этого нужно по возможности не только вы­полнять параллельно независимые инструкции одного потока, но и совместить выполнение инструкций различных потоков. В нашем примере выполнение двух арифметических операций с целыми числами первого потока молено совместить с загрузкой данных из памяти второго потока и выполнить все три операции за один такт процессора. Аналогично на втором такте процессора можно совмес­тить операцию сохранения результатов первого потока с операцией с действи­тельными числами (с плавающей запятой) второго потока (рисунок 2).

Собственно, в таком параллельном выполнении двух потоков и заключается ос­новная идея технологии Hyper-Threading, которая реализована в современных процессорах Intel. Итак, технология Hyper Threading — это реализация одновре­менной многопоточности (Simultaneous Multi-Threading, SMT). Технология Hyper-Threading является промежуточной между многопоточной обработкой, осуществляемой в мультипроцессорных системах, и параллелизмом на уровне инструкций, реализованном в однопроцессорных системах.

Рисунок 4 - Параллельное выполнение двух потоков на процессоре с

реализацией технологии Hyper-Threading

Дело в том, что возможность одновременного выполнения на одном такте про­цессора инструкций от разных потоков ограничивается тем, что эти инструкции могут задействовать одни и те же исполнительные блоки процессора.

Для реализации технологии Hyper-Threading процессор должен иметь два «входа» для отдельных потоков, как если бы существовало два физических процессора, но при этом всего один конвейер обработки команд, как в реальном физическом процессоре, который использует оба потока. В этом случае один физический процессор представляется операционной системе как два логических.

С конструктивной точки зрения процессор с поддержкой технологии Hyper-Threading состоит из двух логических процессоров, каждый из которых имеет свои регистры и контроллер прерываний (Architectural State, AS), то есть две па­раллельно исполняемые задачи работают со своими собственными независимы­ми регистрами и прерываниями, но при этом используют одни и те же ресурсы процессора для выполнения задач. Таким образом, от реальной двухпроцессор­ной конфигурации технология Hyper-Threading отличается только тем, что оба логических процессора используют одни и те же исполняющие ресурсы, одну и ту же разделяемую между двумя потоками кэш-память и одну системную шину.

3.2 Технологии тепловой защиты

Как уже отмечалось, современные процессоры рассеивают такую тепловую мощ­ность, что для ее эффективного отвода требуется использовать очень мощные кулеры. Однако даже мощные кулеры не гарантируют, что в периоды 100% за­грузки процессора локальная температура процессора не превысит допустимых значений. Поэтому все современные процессоры (иIntel, и AMD) имеют встро­енные средства тепловой защиты. Наиболее сложный механизм, предотвращаю­щий перегрев, используется в процессорах Intel. Именно с рассмотрения этих механизмов мы и начнем. Итак, в современных процессорах компании Intel (включая новейшие двухъядерные процессоры Intel Pentium D) используется три типа тепловой защиты: технологии Thermal Monitor, Thermal Monitor 2 и ре­жим аварийного отключения.

3.2.1 Технология Thermal Monitor.Технология Thermal Monitor реализована следующим образом: при нагревании процессора до некоторой критической температуры генерируется специальный сигнал, в результате чего активируется режим тепловой защиты процессора, при котором он остывает. При достижении нормальной температуры процессор воз­вращается к нормальному режиму работы. Естественно, что в режиме активации тепловой защиты процессор работает не на полную мощность, то есть остывание процессора происходит за счет потери производительности.

Рассмотрим данную технологию более подробно. Для контроля температуры во всех современных процессорах Intel встроены два термодатчика (термодиода), один из которых сообщает системе аппаратного мониторинга материнской платы температуру ядра процессора, а еще один является частью схемы Thermal Moni­tor и расположен в самой «горячей» точке ядра процессора — возле блоков ALU.

При достижении некоторого критического значения температуры (по состоянию термодатчика, расположенного возле блоков ALU) генерируется специальный сигнал PROCHOT#, который активирует специальный модуль Thermal Control Unit. Температура, при которой «выставляется» сигнал PROCHOT#, индивиду­ально калибруется для каждого процессора в процессе производства исходя из величины рассеиваемой им мощности. Однажды заданное значение температуры для сигнала PROCHOT# уже не может быть изменено.

Задача модуля Thermal Control Unit заключается в том, чтобы модулировать но­минальную тактовую частоту процессора. Смысл модуляции заключается в том, что в период действия сигнала PROCHOT* на номинальный сигнал тактовой частоты процессора накладывается еще один служебный сигнал, частота кото­рого существенно ниже тактовой частоты процессора. В результате частота, ко­торая подается на вычислительные блоки процессора, является прореженной, и можно говорить о том, что ядро процессора работает на пониженной частоте. Важно отметить, что технологияThermal Monitor никак не влияет на частоту тактирования процессора, а лишь модулирует частоту тактирования вычислительных блоков процессора.

В результате образования «холостых» тактов процессор будет иметь меньшую производительность и меньшее тепловыделение, а температура процессора нач­нет уменьшаться. С понижением температуры ядра количество холостых циклов начнет уменьшаться, и как только температура ядра процессора снизится ниже порогового значения примерно на 1°С, сигнал PROCHOT# исчезнет, а номи­нальная частота процессора совпадет с эффективной.

Важно отметить, что сигнал PROCHOT может быть «выставлен» при достиже­нии критической температуры не только процессором, но и системами тепловой защиты других компонентов, например модуля регулировки напряжения (Vol­tage Regulation, VR) или модулей памяти.

3.2.2 ТехнологияThermal Monitor 2. В новых процессорах компании Intel к технологии Thermal Monitor добавился еще один инструмент теплового контроля — технология Thermal Monitor 2, ко­торая позволяет в еще большей степени влиять на энергопотребление процессо­ра при достижении им критической температуры.

При использовании технологии Thermal Monitor 2, когда рабочая температура процессора достигает критического значения, активируется служебный сигнал PROCHOT#, в результате чего происходит снижение тактовой частоты процес­сора и напряжение питания (VID). Это, в свою очередь, приводит к снижению потребляемой процессором мощности, а следовательно, и к снижению его рабо­чей температуры. Снижение тактовой частоты процессора происходит за счет уменьшения коэффициента внутреннего умножения до минимального значения. Технология Thermal Monitor 2 во многом напоминает технологию Enhanced Intel SpeedStep с той лишь разницей, что в технологии Enhanced Intel SpeedStep переход на меньшую тактовую частоту и напряжение питания осуществляется в период слабой активности процессора, а в технологии Thermal Monitor 2 — при достижении критической температуры. Кроме того, если в технологии Enhanced Intel SpeedStep определяются несколько возможных рабочих точек (несколько возможных тактовых частот и напряжений), то в технологии Thermal Monitor 2 определены только две рабочие точки, соответствующие максимальной и мини­мальной частотам процессора.

3.2.3 Режим аварийного отключения. Для того чтобы исключить перегрев процессора (например, при выходе из строя кулера), кроме технологий Thermal Monitor и Thermal Monitor 2 в современных процессорах Intel используется также режим аварийного отключения (отметим, что подобная технология используется и в процессорах AMD). Для этого исполь­зуется второй термодатчик, установленный в ядре процессора. При достижении процессором критической температуры происходит подача сигнала THERMTRIP* на аварийное отключение системы. Значение критической температуры немного меньше температуры, при которой в процессоре начинают происходить необра­тимые изменения. Поэтому даже в случае выхода из строя процессорного кулера процессор не успеет нагреться до критической температуры. Значение темпера­туры, при которой подается сигнал аварийного отключения THERMTRIP#, со­ставляет примерно 135 °С.

3.3 Технологии энергосбережения

Все современные процессоры (и Intel и AMD) и материнские платы поддержи­вают технологии, позволяющие снизить энергопотребление и, как следствие, рассеиваемую тепловую мощность. В случае процессоров Intel данная техноло­гия получила название Enhanced Intel SpeedStep. Несмотря на разные названия, у данных технологий много общего. Идея заключается в следующем. Если процессор не загружен на 100% или вооб­ще находится в режиме простоя, то тактировать его на максимальной частоте просто не имеет смысла. Между тем, тепловыделение процессора напрямую за­висит от его тактовой частоты. Поэтому для того чтобы снизить тепловыделение процессора и его энергопотребление, нужно динамически изменять его тактовую частоту в зависимости от его загрузки. Именно идеология динамического изме­нения тактовой частоты процессора положена в основу технологий Enhanced Intel SpeedStep и Cool'n'Quiet.

3.4 Технология антивирусной защиты

Появление аппаратной антивирусной защиты на уровне процессора обусловлено возросшим объемом вирусных атак и большим количеством пользователей, под­ключенных к Интернету дома и на работе. Высокую опасность представляют чер­ви, внедряющиеся на ПК без участия пользователя. Вирусные инфекции, кото­рые зависят от человеческого фактора, можно остановить с помощью антивирус­ных средств. Но черви распространяются самостоятельно, используя «дыры» в коде не только прикладных, но и системных программ, например драйверов сете­вых карт. Проникший таким образом червь не может быть блокирован антиви­русными средствами, поскольку он выполняется в том же кольце защиты, что и ядро системы.

Технология аппаратной антивирусной защиты на уровне процессора — это ком­плексное программно-аппаратное средство защиты, блокирующее код, внедрен­ный через механизм переполнения буфера в системной программе. Такие «дыры» имеются во многих программах, так как они возникают часто по вине компиля­торов исходного кода. Сегмент памяти, помеченный специальным битом, не мо­жет содержать исполнимого кода. При попытке перехода к выполнению кода из этого сегмента (а черви часто работают именно так) процессор генерирует спе­циальное прерывание-исключение, которое будет обработано операционной сис­темой, и пользователь будет оповещен о вирусной атаке. Конечно, существует Ряд программ, которые используют такие переходы в своем коде, но они будут внесены в «белый список» и не будут блокироваться операционной системой. Поддержка технологии антивирусной защиты имеется в операционной системе Windows XP SP2, в Windows 2003 Server SP1, а также во всех текущих версиях ОС Linux.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(обязательное)

Графическая часть

1. Реклама для потребителей с низким уровнем интеллекта

2. Реклама для потребителей со средним уровнем интеллекта

3. Реклама для потребителей с высоким уровнем интеллекта

БАЛАКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИКИ, ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ.

ФАКУЛЬТЕТ ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

КАФЕДРА УПРАВЛЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

КУРСОВАЯ РАБОТА

(часть 3)

по дисциплине:

Основы методики описания технических устройств и программных продуктов.

Программа CorelDraw 10

Выполнил ст. гр. УИТ – 51

Баусов Р.Ю.

Проверил:

Корнилова Н.В. _________

«_____» __________2006г.