 |
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.
|
|
|
Инструкции SSE и SSE2
В феврале 1999 года Intel представила общественности процессор Pentium III, содержащий обновление технологии MMX, получившей название SSE (Streaming SIMD Extensions — потоковые расширения SIMD). До этого момента инструкции SSE носили имя Katmai New Instructions (KNI), так как первоначально они были включены в процессор Pentium III с кодовым именем Katmai. Процессоры Celeron 533A и выше, созданные на основе ядра Pentium III, тоже поддерживают инструкции SSE. Более ранние версии процессора Pentium II, а также Celeron 533 и ниже (созданные на основе ядра Pentium II) SSE не поддерживают. Инструкции SSE содержат 70 новых команд для работы с графикой и звуком в дополнение к существующим командам MMX. Фактически этот набор инструкций кроме названия KNI имел еще и второе название — MMX-2. Инструкции SSE позволяют выполнять операции с плавающей запятой, реализуемые в отдельном модуле процессора. В технологиях MMX для этого использовалось стандартное устройство с плавающей запятой. Инструкции SSE2, содержащие в себе 144 дополнительные команды SIMD, были представлены в ноябре 2000 года вместе с процессором Pentium 4. В SSE2 были включены все инструкции предыдущих наборов MMX и SSE. Потоковые расширения SIMD (SSE) содержат целый ряд новых команд для выполнения операций с плавающей запятой и целыми числами, а также команды управления кэш-памятью. Новые технологии SSE позволяют более эффективно работать с трехмерной графикой, потоками аудио- и видеоданных (DVD-воспроизведение), а также приложениями распознавания речи. В целом SSE обеспечивает следующие преимущества: более высокое разрешение/качество при просмотре и обработке графических изображений; улучшенное качество воспроизведения звуковых и видеофайлов в формате MPEG2, а также одновременное кодирование и декодирование формата MPEG2 в мультимедийных приложениях; уменьшение загрузки процессора и повышение точности/скорости реагирования при выполнении программного обеспечения для распознавания речи. Инструкции SSE и SSE2 особенно эффективны при декодировании файлов формата MPEG2, который является стандартом сжатия звуковых и видеоданных, используемым в DVD-дисках. Следовательно, SSE-оснащенные процессоры позволяют достичь максимальной скорости декодирования MPEG2 без использования дополнительных аппаратных средств (например, платы декодера MPEG2). Кроме того, процессоры, содержащие набор инструкций SSE, значительно превосходят предыдущие версии процессоров при распознавании речи. Одним из основных преимуществ SSE по отношению к MMX является поддержка операций SIMD с плавающей запятой, что очень важно при обработке трехмерных графических изображений. Технология SIMD, как и MMX, позволяет выполнять сразу несколько операций при получении процессором одной команды. В частности, SSE поддерживает выполнение до четырех операций с плавающей запятой за цикл; одна инструкция может одновременно обрабатывать четыре блока данных. Для выполнения операций с плавающей запятой инструкции SSE могут использоваться вместе с командами MMX без заметного снижения быстродействия. SSE также поддерживает упреждающую выборку данных (prefetching), которая представляет собой механизм предварительного считывания данных из кэш-памяти. Обратите внимание, что наилучший результат использования новых инструкций процессора обеспечивается только при их поддержке на уровне используемых приложений. Сегодня большинство компаний, занимающихся разработкой программного обеспечения, модифицировали приложения, связанные с обработкой графики и звука, что позволило в более полной мере использовать возможности SSE. Например, графическое приложение Adobe Photoshop поддерживает инструкции SSE, что значительно повышает эффективность использования SSE-оснащенных процессоров. Поддержка инструкций SSE встроена в DirectX 6.1 и в самые последние видео- и аудиодрайверы, поставляемые с операционными системами Windows 98 Second Edition, Windows Me, Windows NT 4.0 (с пакетом обновления 5 или более поздним) и Windows 2000.Инструкции SSE являются расширением технологий MMX, а SSE2 — расширением инструкций SSE. Таким образом, процессоры, поддерживающие SSE2, поддерживают также инструкции SSE, а процессоры, поддерживающие инструкции SSE, в свою очередь, поддерживают оригинальные команды MMX. Это означает, что стандартные MMX-приложения могут выполняться практически на любых системах.
DNow и Enhanced 3DNow
Технология 3DNow разработана компанией AMD в ответ на реализацию поддержки инструкций SSE в процессорах Intel. Впервые (май 1998 года) 3DNow реализована в процессорах AMD K6, а дальнейшее развитие — Enhanced 3DNow — эта технология получила в процессорах Athlon и Duron. Аналогично SSE, технологии 3DNow и Enhanced 3DNow предназначены для ускорения обработки трехмерной графики, мультимедиа и других интенсивных вычислений.3DNow представляет собой набор из 21 инструкции SIMD, которые оперируют массивом данных в виде единичного элемента. В Enhanced 3DNow к существующим добавлены еще 24 новых инструкции. Технологии обработки данных 3DNow и Enhanced 3DNow хотя и подобны SSE, но несовместимы на уровне инструкций, поэтому производителям программного обеспечения необходимо отдельно реализовать поддержку этих технологий. Технология 3DNow, как и SSE, поддерживает операции SIMD с плавающей запятой, а также позволяет выполнять до четырех операций с плавающей запятой за один цикл. Инструкции 3DNow для операций с плавающей запятой могут использоваться вместе с командами MMX без заметного снижения быстродействия. Поддерживается и упреждающая выборка данных — механизм предварительного считывания данных из кэшпамяти. Все технологии ускорения обработки данных компаний Intel и AMD реализованы на уровне операционных систем Windows 9x и Windows NT/2000. Кроме этого, все программные интерфейсы DirectX (с версии 6) компании Microsoft и Open GL компании SGI оптимизированы для технологии 3DNow, а практически все современные видеодрайверы 3Dfx, ATI, Matrox и nVidia поддерживают 3DNow и Enhanced 3DNow. Несмотря на то что технология 3DNow поддерживается многими компьютерными играми и драйверами видеоадаптеров, существует ряд профессиональных графических приложений, к числу которых относится и Adobe Photoshop, не поддерживающих 3DNow.
Supplemental Streaming SIMD Extension 3 (SSSE 3) — это обозначение, данное Intel’ом 4-му расширению системы команд. Предыдущее имело обозначение SSE3 и Intel добавил ещё один символ 'S' вместо того, чтобы увеличить номер расширения, возможно потому, что они посчитали SSSE3 простым дополнением к SSE3. Часто, до того как стало использоваться официальное обозначение SSSE3, эти новые команды назывались SSE4. Также их называли кодовыми именами Tejas New Instructions (TNI) и Merom New Instructions (MNI) по названию процессоров, где впервые Intel намеревалась поддержать эти новые команды. Появившись в Intel Core Microarchitecture, SSSE3 доступно в сериях процессоров Xeon 5100 (Server и Workstation версии), а также в процессорах Intel Core 2 (Notebook и Desktop версии).
EM64T (англ. Extended Memory 64 Technology) — реализация 64-битных расширений AMD64 процессорной архитектуры IA-32 (архитектуры x86-совместимых процессоров) фирмы Intel. Основное улучшение, обеспечиваемое EM64T — 64-битная адресация оперативной памяти, что позволяет снять присущее 32-битным процессорам ограничение в 4 гигабайта адресуемой напрямую памяти
Динамическое выполнение
Этот метод впервые использован в микросхемах P6 (процессорах шестого поколения) и позволяет процессору параллельно обрабатывать сразу несколько команд, что приводит к уменьшению времени, необходимого для выполнения той или иной задачи. Это технологическое новшество включает в себя следующие элементы.
-Предсказание множественного перехода (ветвления). Предсказание потока выполнения программы через несколько ветвлений.
-Анализ потока команд. Назначение выполнения команд по мере готовности, независимо от их порядка в оригинальной программе.
-Упреждающее выполнение. Увеличение скорости выполнения за счет опережающего просмотра счетчика команд и выполнения тех команд, к которым, вероятно, потребуется обратиться позже.
Предсказание перехода
Функция предсказания перехода, ранее применявшаяся только в универсальных процессорах старших моделей, позволяет процессору при высокоскоростном выполнении команд сохранять конвейер заполненным. Специальный модуль выборки/декодирования, включенный в процессор, использует высоко оптимизированный алгоритм предсказания перехода, позволяющий предсказывать направление и результат команд, выполняемых через несколько уровней ветвлений, обращений и возвратов. Этот модуль напоминает шахматиста, разрабатывающего несколько различных стратегий перед началом шахматной партии, предсказывая ответные действия противника на несколько ходов вперед. Благодаря предсказанию результатов выполнения команды инструкции могут выполняться практически без задержек.
Анализ потока данных
Функция анализа потока команд используется для исследования потока данных, проходящих через процессор, и выявления любых возможностей выполнения команды с изменением заданной ранее последовательности. Специальный процессорный модуль отправки/выполнения контролирует команды и позволяет выполнять их в таком порядке, который оптимизирует использование модулей множественного суперскалярного выполнения. Возможность изменять последовательность выполнения команд позволяет сохранить занятость модулей выполнения даже в случае промаха кэш-памяти или обработки каких-либо информационно-зависимых команд.
Упреждающее выполнение
Способность процессора выполнять команды с помощью опережающего просмотра существующего счетчика команд называется упреждающим выполнением. Модуль отправки/выполнения, включенный в процессор, анализирует поток данных для выполнения всех команд, существующих в буфере (накопителе) команд, и сохранения результатов их выполнения в буферных регистрах. После этого модуль изъятия анализирует содержимое пула команд на предмет наличия завершенных команд, не зависящих от данных, получаемых при выполнении других команд, или команд, имеющих неразрешенные предсказания перехода. Результаты выполнения обнаруженных завершенных команд передаются в память модулем изъятия или соответствующей стандартной архитектурой Intel в том порядке, в котором они были получены. Затем команды удаляются из буфера.В сущности, динамическое выполнение устраняет зависимость от линейной последовательности команд. Выполнение команд с изменением их последовательности позволяет максимально загрузить модуль выполнения и уменьшить время ожидания, необходимое для получения данных из памяти. Несмотря на то что порядок предсказания и выполнения команд может быть изменен, их результаты передаются в исходном порядке, для того чтобы не прерывать и не изменять течение программы. Это позволяет процессорам P6 выполнять существующее программное обеспечение архитектуры Intel точно так же, как это делали P5 (Pentium) или процессоры более ранних версий, но на целый порядок быстрее!
|
|
|
