К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки - Организация ЭВМ - 5-е издание (2003) (1114649), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Таким образом, для достижения максимальной производительности нужно, чтобы компилятор, набор машинных команд и аппаратное обеспечение компьютера имели оптимальную структуру. В детали построения компиляторов мы в этой книге вдаваться не будем, а вот структуру набора команд и архитектуру аппаратного обеспечения рассмотрим самым подробным образом. В разделе 1.5 рассказывалось о том, как операционная система координирует различные действия нескольких параллельно функционирующих программ (выполнение программы, операции с данными на дисках, печать) для достижения максимальной эффективности использования ресурсов компьютера.
Оби1ее время вьтолнения программы (е!арзео типе), на рис. 1А равное Гэ — Гс, является мерой производительности всей компьютерной системы. Оно зависит от быстродействия процессора, диска и принтера. Рассматривая производительность процессора, мы должны учитывать только те периоды, в течение которых он активен. На рис. 1.4 они соответствуют обозначениям «Прикладная программа» и «Программы ОС».
Суммарное время выполнения прикладных программ и программ операционной системы называется процессорным временем, необходимым для выполнения программы. Далее мы определим несколько ключевых параметров, влияющих на процессорное время, и укажем главы, в которых они обсуждаются. Советуем читателям при изучении материала последующих глав постоянно держать в голове общую картину производительности компьютерной системы. Равно как общее время выполнения программы зависит от скорости работы всех устройств компьютерной системы, процессорное время зависит от аппаратного обеспечения, участвующего в выполнении конкретных машинных команд.
Аппаратное обеспечение включает процессор и память, обычно соединенные шиной (рис. 1.3). Архитектура системы с общей шиной, представленная на рис. 1.5, отличается от приведенной на рис. 1.3 лишь наличием кэш-памяти, включенной в состав процессорного устройства. Давайте рассмотрим поток команд программы н данных между памятью и процессором. По мере выполнения программы ее команды по одной выбираются из памяти и по шине пересылаются в процессор, а их копии помещаются в кэш.
Когда для выполнения команды требуются данные, расположенные в основной памяти, они также пересылаются в процессор, а их копии помещаются в кэш. Если позднее та же команда или элемент данных потребуются еще раз, они будут прочитаны не из основной памяти, а из каша. Рис. 1.5. Расположение кап»памяти на микросхеме процессора 38 Глава 1. Базовая структура компьютеров Процессор и относительно небольшая кзш-память могут располагаться на одном интегрированном чипе.
Внутренняя скорость выполнения команд таким чипом очень высока — она гораздо выше, чем скорость выборки команд и данных из памяти. Поэтому программа будет выполняться быстрее при условии минимизации количества команд и объема данных, перемещаемых между процессором и основной памятью. Для этого и предназначается кзш процессора. Возьмем, к примеру, многократное выполнение одной и той же группы команд в течение короткого промежутка времени, как это часто бывает в программных циклах. Если зти команды находятся в кэше, их можно быстро извлекать оттуда в течение всего времени их по многу раз повторяющегося выполнения. Сказанное касается и многократно используемых данных.
О структуре, функционировании и производительности основной памяти и каша подробно рассказывается в главе 5. 1.6.1. Частота процессора Управление процессором осуществляется с помощью сигналов, которые называются такгповыми импульсами (с1оск) и выдаются через фиксированные интервалы времени. Промежуток времени между двумя тактовыми импульсами составляет тактовый цикл (с1оск сус1е), или просто тахт, Для выполнения машинной команды процессор разделяет ее на последовательность базовых шагов, каждый из которых может быть выполнен за один такт.
Длительность одного тактового цикла Р является важнейшим параметром, определяющим производительность процессора. Обратное ей значение Гс - ЦР, называемое тактовой частотой (с1оск гаге) процессора, измеряется количеством тактов в секунду. Процессоры, используемые в современных персональных компьютерах и рабочих станциях, имеют тактовую частоту от нескольких сотен миллионов до миллиарда тактов в секунду.
Герц (Гц) — единица измерения тактовой частоты — равен одному такту в секунду. Слову «миллион», как известно, соответствует префикс Мега (М), а слову «миллиард» вЂ” префикс Гига (Г). Таким образом, частота, равная 500 миллионам тактов в секунду, обозначается как 500 мегагерц (МГц), а частота, равная 1250 миллионам тактов в секунду, — как 1,25 гигагерц (ГГц).
Соответствующие тактовые периоды равны 2 и 0,8 нс. 1.6.2. Основная формула вычисления производительности Одним из компонентов общего времени выполнения программы является процессорное время. Предположим, что для реализации программы, написанной на одном из языков высокого уровня, требуется Т с процессорного времени. Компилятор генерирует соответствующую объектную программу на машинном языке. Допустим, что для полного выполнения такой программы нужно произвести Ж команд машинного языка.
Значение У вЂ” это количество машинных команд, которые будут реально выполнены; оно не обязательно равняется количеству команд в объектной программе. Некоторые команды могут выполняться более одного раза, например, в том случае, если они расположены внутри программного цикла. Другие команды могут вообще не выполняться, что зависит от входных данных. 1.6. Производительность 39 Предположим, что среднее количество базовых шагов, необходимых для выполнения одной машинной команды, равняется 5 и что каждый базовый шаг производится за один такт процессора. Если тактовая частота равна Я тактам в секунду, время выполнения программы составит ЮХЯ Я Это равенство часто называют основной формулой вычисления производительностпи.
Для пользователя приложения параметр Т имеет гораздо большее значение, чем параметры А), 5 и А. Для обеспечения более высокой производительности конструктор компьютера должен искать пути уменьшения значения этого параметра, для чего необходимо предельно уменьшить значения Х и 5 и увеличить значение Я. Значение Х уменьшается, когда исходная программа компилируется в объектную программу с меньшим количеством команд. Значение 5 уменьшается, когда процесс выполнения команды состоит из меньшего количества базовых шагов или же если некоторые шаги команд могут выполняться одновременно.
С повышением тактовой частоты повышается значение Я и сокращается время выполнения базового шага команды. Важно подчеркнуть, что параметры Х, 5 и Я отнюдь не являются независимыми друг от друга — изменение одного из них может повлиять на величину другого. Поэтому любое новшество в конструкции процессора повысит производительность компьютера только в том случае, если в результате уменьшится значение параметра Т.
Процессор с частотой 900 МГц не всегда будет работать быстрее, чем процессор с частотой 700 МГц, поскольку у него может быть другое значение параметра 5. 1.6.3. Конвейерная и суперскалярная обработка В предыдущих разделах мы предполагали, что команды выполняются поочередно. Поэтому считали, что значение параметра 5 равно общему количеству базовых шагов или тактов процессора, необходимых для выполнения одной машинной команды. Но если команды будут выполняться не строго по очереди, а параллельно, производительность процессора значительно повысится. Такая технология называется конвейерной обработкой (р)ре11пшй).
Рассмотрим команду А1Ы В1,В2,ВЗ которая суммирует содержимое регистров В1 и В2 и помещает результат в регистр ВЗ. Эта команда выполняется в два этапа: сначала АЛУ прибавляет значение В1 к содержимому В2, а затем записывает полученную сумму в регистр ВЗ. Пока АЛУ выполняет сложение, процессор может уже считывать из памяти следующую команду. Затем, если для выполнения этой команды также требуется АЛУ, ее операнды могут пересылаться во входные регистры АЛУ одновременно с пересылкой в регистр ВЗ результата команды АЫ В идеале одновременно должно выполняться как можно больше шагов команд, так чтобы за каждый тактовый 40 Глава 1. Базовая структура компьютеров период производился не один шаг, а одна команда.
Конечно, далеко не всем инструкциям достаточно будет одного такта. Но, с теоретической точки зрения, для получения наименьшего значения параметра Т значение параметра о' должно быть равным 1. Конвейерная обработка подробно обсуждается в главе 8. Там будет показано, что на практике идеальное значение 5 = 1 по многим причинам недостижимо. И тем не менее конвейерная обработка значительно ускоряет выполнение команд и позволяет приблизить реальное значение параметра э" к единице. Еще более высокой степени параллелизма можно достичь путем реализации в процессоре нескольких конвейеров команд. Речь идет об использовании нескольких функциональных блоков, обеспечивающих параллельное выполнение команд. В таком случае на каждый такт может припадать начало сразу нескольких команд. Такой режим функционирования процессора называется суиерскаляриым.
Если в ходе реализации программы он может поддерживаться достаточно долгое время, реальное значение параметра 5 получится даже меньшим единицы. Конечно, при параллельном выполнении команд должна сохраняться логическая правильность программы, то есть ее конечные результаты должны быть точно такими же, как при последовательном выполнении. Суперскалярную архитектуру имеют многие современные высокопроизводительные процессоры.
1.6.4. Тактовая частота Существует два способа увеличения тактовой частоты процессора, то есть параметра К Первый из них заключается в усовершенствовании технологии работы интегральной схемы. Усовершенствованная логическая схема работает быстрее, и тем самым сокращается время выполнения базового шага команды. Это позволяет сократить тактовый период Р и увеличить тактовую частоту Я. Второй способ состоит в уменьшении количества операций, выполняемых за один базовый шаг, что также позволяет сократить тактовый период. Однако в этом случае общее количество операций, необходимых для выполнения команды, остается прежним, а значит, просто увеличивается количество базовых шагов операции.
Увеличение значения параметра А, обусловленное лишь усовершенствованием интегральной схемы, влияет на все аспекты функционирования процессора, за исключением времени доступа к основной памяти. Но при наличии каша процент обращений к основной памяти достаточно маж Поэтому за счет усовершенствования интегральной схемы можно добиться значительного повышения производительности. Значение параметра Т уменьшается во столько же рэз, во сколько раз увеличивается значение параметра Я, поскольку значения параметров 5 и М при этом не меняются. Труднее определить влияние на производительность способа разделения команд на базовые шаги.
Этот вопрос обсуждается в главе 8. 1.6.5. Система команд процессора Чем проще команда, тем меньшее кояичество базовых шагов необходимо для ее выполнения. Сложные команды могут состоять из большого числа шагов. Если 1.6. Производительность 41 все команды процессора просты, для выполнения конкретной программной задачи требуется большое количество команд. Это означает, что значение параметра Аг будет болыпим, а значение параметра 5 — маленьким. С другой стороны, если отдельные команды выполняют более сложные операции, для реализации той же задачи требуется меньшее количество команд, а значит, значение Аг уменьшается, а значение 5, наоборот, увеличивается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
