 |
1. Цикл команды процессора. 2. Методы повышения производительности. Кэш-память. Конвейеризация. Суперскалярные процессоры.
|
|
|
|
1. Цикл команды процессора.
Программа в компьютере реализуется центральным процессором (ЦП)
путем последовательного исполнения команд этой программы. Действия, требуемые для выборки (извлечения из оперативной памяти) и выполнения команды, называют циклом команды
Этапы цикла команды:
1) выборка команды (Instruction Fetch)
2) декодирование (Decode)
3) выполнение (Execute)
4) запись результата (Retire)
Этапы цикла команды:
1) выборка команды – процессор считывает команду из оперативной памяти или кэша по адресу, хранящемуся в специальном регистре – счетчике команд (IP – Instruction Pointer)
2) декодирование – считанная команда преобразуется в последовательность элементарных внутренних команд процессора – микроопераций
3) выполнение – происходят арифметические или логические операции над данными;
4) запись результата – полученный ответ записывается в оперативную память или кэш
2. Методы повышения производительности. Кэш-память. Конвейеризация. Суперскалярные процессоры.
Кэш-память - очень быстрое запоминающее устройство небольшого объема, которое используется при обмене данными между процессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Между основной памятью и процессором размещается небольшая, но быстродействующая буферная память. В кэш-память копируются те участки основной памяти, к которым происходит обращение процессора. Выигрыш достигается за счет принципа локальности. Принцип заключается в том, что при выполнении программы с высокой вероятностью адрес следующей команды либо следует непосредственно за адресом текущей команды, либо находится вблизи него.
|
|
|
Конвейеризация.
Идея конвейера (pipeline) –можно не дожидаться завершения выполнения одной команды, а сразу переходить к следующей. Команда состоит из этапов, и за каждый этап отвечает отдельный блок процессора, образующий ступень конвейера. Для увеличения эффективности конвейера каждый этап делят на несколько подэтапов (суперконвейеризация). При использовании конвейера могут возникать конфликты.
1) Несколько команд одновременно обращаются к одному ресурсу
(чаще всего к памяти).
2) Несколько команд обращаются к одной ячейке памяти в неверной последовательности.
3) неизвестно, какая команда будет выполняться после команды перехода.
Суперскалярные процессоры. В суперскалярных процессорах содержится несколько исполнительных блоков, работающих параллельно. Например, блоки целочисленной арифметики, арифметики с плавающей точкой, блоки чтения и записи из памяти. В таких процессорах обязателен
блок диспетчеризации (Scheduler), отвечающий за распределение команд по исполнительным блокам. Наличие нескольких функциональных блоков приводит к тому, что наибольшая скорость выполнения может достигаться при внеочередном исполнении операций (Out-of-Order Execution). Более поздние операции могут исполняться перед ранними, если не зависят от порождаемых ими результатов. Механизм внеочередного исполнения позволяет в значительной степени сгладить эффект от ожидания считывания данных из кэшей верхних уровней и из оперативной памяти, что может занимать десятки и сотни тактов.
2. Микроархитектура Intel Pentium 4.
При рассмотрении процессоров различают понятия «архитектура»
и «микроархитектура». Архитектура – это логическое построение процессора, т. е. то, какой машина представляется программисту. Это понятие охватывает перечень и формат команд, формы представления данных, способы адресации памяти и т. д. Все процессоры Intel, начиная с Intel386, поддерживают архитектуру IA-32. Микроархитектура – это структура процессора, отраженная в его составных частях и связях между ними. Микроархитектура – это конкретный способ реализации архитектуры. NetBurst (пакетно-сетевая) – Pentium 4.
|
|
|
Рассмотрим микроархитектуру NetBurst:
· гарвардская архитектура кэш-памяти 1-го уровня
· конвейер длиной 20 ступеней (Hyper Pipelined)
· суперскалярная архитектура
· 128 физических регистров на 8 основных логических
· два блока АЛУ, работающих на двойной частоте процессора (Rapid ALU)
· изменение последовательности команд (out-of-order execution)
· предсказание переходов (branch prediction)
· 144 команды SSE2 (Streaming SIMD Extensions – поточная SIMD обработка)
· Технология HyperThreading (только Xeon).
4. Регистры и режимы адресации процессора Intel Pentium 4.
Регистр – многоразрядная ячейка памяти, предназначенная для временного хранения текущей информации. Регистровая память – самая быстродействующая в компьютере. Совокупность регистров называется регистровым файлом. Регистры процессора делятся на: доступные программисту (user-visible registers), внутренние регистры процессора (internal registers).
Основные регистры процессоров Intel:
· регистры общего назначения
· сегментные регистры
· регистр указателя команд
· регистр флагов
· системные регистры
· регистры FPU, MMX- и SSE-расширений
Регистры общего назначения (РОН) – регистры, предназначенные для выполнения текущих вычислений. Регистров общего назначения 8, все они – 32-разрядные: EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP.
Сегментные регистры (16-разрядные): CS – сегмент кода, DS – сегмент данных, SS – сегмент стека, ES, GS, FS – дополнительные регистры. В сегментных регистрах хранится адрес соответствующего сегмента (указатель на строку в таблице GDT или LDT).
Регистр указателя команд – EIP (Expanded Instruction Pointer), 32 разряда. Содержит адрес следующей команды относительно начала сегмента. Прямого доступа к нему нет, но команды перехода косвенно его изменяют.
Регистр флагов – EFLAGS, 32 разряда. Хранит информацию о состоянии процессора и о результатах выполнения команд. Флаг – это бит, принимающий значение 1, если он установлен, и 0, если сброшен.
Системные адресные регистры: GDTR, LDTR. IDTR, TR.
Управляющие регистры: СR0-CR4 (Control Registers).
Регистры отладки: DR0-DR7 (Debug Registers).
|
|
|
