Лекция 5.

Методы ускорения переключения контекста процессора

Современные операционные системы и системы программирования широко используют переключение контекста процессора (содержимого регистров и отдельных управляющих триггеров) при отработке входа в прерывание и выхода из него, входа и выхода из подпрограммы и в случае организации мультипрограммной работы. Время переключения контекста должно быть по возможности минимальным, так как затраты на переключение - это плата за организацию совместного протекания совокупности взаимодействующих вычислительных процессов.

Уменьшение времени переключения контекста процессора может быть достигнуто за счет, во-первых, сокращения количества регистров, содержимое которых сохраняется в памяти, во-вторых, аппаратной поддержки сохранения регистров и, в-третьих, введения специальных соглашений, регламентирующих использование регистров в программах, что позволяет перейти от полного сохранения контекста к частичному.

Уменьшение количества сохраняемых регистров ведет к сниже­нию производительности и, вообще говоря, находится в противоречии со стремлением увеличения производительности за счет использования бы­строй регистровой памяти и параллельного функционирования устройств процессора, каждое из которых содержит собственные регистры. Однако, этот прием применяется в ряде архитектур, например в транспьютерах ком­пании INMOS и Java-процессорах. Это архитектуры, основанные на операциях со стеком. К числу сохраняемых регистров относятся указате­ли на текущую позицию стека, на используемую область памяти и т.д. Число таких указателей ограничено, например, в транспьютере их 8, что позволило переключать контекст за 2 микросекунды при тактовой часто­те 10 МГц.

Аппаратная поддержка сохранения регистров может реализовы­ваться по разному. С одной стороны, это может быть ускоренный аппа­ратный перенос содержимого регистров в память. С другой - возможно предоставление каждой вновь активизируемой программе своего множе­ства регистров.

Например, в архитектуре SPARC микропроцессоров компании SUN используется 200 регистров, образующих 8 групп (окон) по 32 регистра с общими для двух соседних окон восемью регистрами. Перекрытие регист­ровых окон выполнено так, что регистры с номерами 24-31 предыдущего окна служат одновременно регистрами с номерами 0-7 последующего окна. Это, по мнению разработчиков, увеличивает эффективность передачи па­раметров подпрограммам.

Использование регистров обработки быстрых прерываний. Ряд функций, связанных с обработкой прерываний, выполняются специали­зированными программами, которые могут использовать ограниченное число регистров. Поэтому в ряде процессоров вводятся специальные ре­гистры, используемые при обработке так называемых быстрых прерыва­ний. Это, например, прерывание по приему очередного символа сообще­ния, переносящее символ в память. Действия по началу приема, требую­щие запуска механизма распределения памяти, и завершению приема все­го сообщения требуют, как правило, обычного прерывания, сохраняюще­го все регистры процессора. Но так как чаще происходит прием очередно­го символа, то быстрые прерывания дают существенное увеличение про­изводительности.

Стандартизация архитектур микропроцессоров

На протяжении всей истории развития вычислительной техники пред­принимались попытки (прежде всего со стороны разработчиков программ­ных средств) стандартизировать архитектуру процессоров, что существен­но расширило бы область применения создаваемого программного обес­печения. Осознав безуспешность попыток добиться совместимости на уров­не системы машинных команд, разработчики пытались стандартизовать язык ассемблера, языки высокого уровня, языки интерфейса прикладных программ с операционными системами.

Стимулом к этому была и остается постоянно растущая сложность как самих процессоров, так и создаваемых с их использованием программных систем.

Создание сложных новых систем требует, помимо всего прочего, на­личия двух обязательных этапов: адекватного описания системы и исчер­пывающего тестирования на соответствие этому описанию. Тестирование должно быть доказательным. Не прибегая к примерам из области созда­ния больших прикладных систем, укажем на широко известные ошибки в микропроцессорах известных компаний и на наличие не декларированных возможностей микропроцессоров и операционных систем.

Рекомендуемые материалы

Отсутствие стандартизации не позволяет создавать новые системы пу­тем конструирования из существующих, прошедших апробацию в разно­образных условиях применения большим количеством независимых поль­зователей.

Попытка комплексного решения проблемы стандартизации - форму­лирование концепции Открытых систем. Открытые системы представ­ляют совокупность интерфейсов, протоколов и форматов данных, бази­рующихся на общедоступных, общепринятых стандартах, обеспечиваю­щих переносимость (мобильность) программного обеспечения, взаимодей­ствие между системами, масштабируемость.

Переносимость - свойство, выражающееся в возможности исполнения программы в исходных кодах на различных аппаратных платформах в среде различных операционных систем.

Взаимодействие систем - свойство, выражающееся в способности сис­тем обмениваться информацией с автоматическим восприятием форма­тов и семантики данных.

Масштабируемость - свойство, выражающееся в возможности исполне­ния программы на различных ресурсах (объем памяти, число и производи­тельность процессоров) с пропорциональным изменению ресурсов значе­нием показателей эффективности. Важно понимать, что ресурсы могут не только возрастать, но и уменьшаться. Например, программа может выпол­няться на произвольном, выделенном для ее исполнения участке памяти.

В рамках концепции Открытых систем архитектура процессора должна под­даваться достаточно простому формальному описанию со спецификацией типов данных, регистров и выполняемых преобразований без "побочных эффектов".

Известны по крайней мере две попытки реализации этого подхода, рас­смотренные ниже.

Архитектурно независимая спецификация программ. В настоящее время в рамках международной организации ISO/IEC в комитете по микро­процессорным системам ведется подготовка проекта стандарта ANDF на архитектурно независимый формат спецификации программ (Architecture Neutral Distribution Format). По мнению разработчика компании Х/Ореn Company Ltd., этот формат спецификаций позволит решить проблему пере­носимости программ. Компиляция исходного кода предполагается двухэтап­ной. На первом этапе исходный код транслируется в обобщенные деклара­ции интерфейсов прикладных программ (API) в совокупности с обобщен­ными описаниями типов данных. Фактически полученная оттранслирован­ная программа представляет собой выражение абстрактной алгебры, опре­деленной Architecture Neutral Distribution Format. В результате текст про­граммы может быть подвергнут формальной проверке и преобразованию. На втором этапе генерируется программа для конкретной архитектуры.

Java-технология, предложенная компанией SUN. В основе данной технологии лежит понятие виртуальной Java-маши­ны, спецификации которой включают следующие типы данных:

• byte - байт;

• short - двухбайтовое целое;

• integer - четырехбайтовое целое;

• long - восьмибайтовое вещественное;

• float - четырехбайтовое вещественное;

• double - восьмибайтовое вещественное;

• char - двухбайтовый символ;

• object - четырехбайтовая ссылка на объект;

• returnAddress - четырехбайтовый адрес возврата. В виртуальном Java-процессоре предусмотрены следующие регистры:

• PC - счетчик команд;

Люди также интересуются этой лекцией: Лекция 9.

• Vars - регистр для доступа к локальным переменным;

• Optop - указатель на стек операндов;

• Frame - указатель на окружение времени выполнения. Большинство команд Java-процессора имеют длину один байт, что со­гласуется со стековой архитектурой процессора, использующей неболь­шое число регистров и указателей на данные,

Использование байт-кода в процессоре Java позволяет уменьшить дли­ну программ. Средняя длина команды составляет 1,8 байта, В последнее время ко всем ранее существовавшим доводам в пользу стандартизации архитектур добавилась практическая потребность работы в сетях типа Internet, что выдвигает требование короткого программного кода. Откры­тые системы, создаваемые в Internet, позволят накапливать программные продукты и конструировать системы из уже существующих.

Заметим, что архитектура виртуальной Java-машины достаточно похо­жа на архитектуру транспьютеров компании IMMOS, Отличие фактически состоит в добавлении элементов объектно-ориентированной технологии. Одним из препятствий на пути развития Java-технологии является низкая производительность исполнения Java-кода. Однако есть все предпосылки для преодоления этого препятствия. Например, современные процессоры с архитектурой компании Intel x86 содержат специальный блок, транслирую­щий сложные команды в совокупность простых команд RISC-процессора. Далее RISC-процессор исполняет эти команды, используя все преимущест­ва RISC-подхода для достижения высокой производительности. Вполне мыслимое дело разработать подобный транслятор для Java-кода, когда байт-код будет транслироваться в команды реального процессора.

Другим возможным подходом к повышению производительности слу­жит примененный в транспьютере Т-9000. В нем предпринята попытка при сохранении байтовой системы команд транспьютеров семейств Т-2хх, Т-4хх, Т-8хх повысить скорость исполнения за счет одновременной обра­ботки большого числа команд при исполнении их на параллельно функ­ционирующих обрабатывающих устройствах.