К. Касперски - Техника оптимизации программ, Эффективное использование памяти (1127752), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Элеменгарные операции, занимая чрезвычайно короткое время, обеспечивают конвейеру максимальную пропускную способность. Той же самой тактики придерживаются и производители процессоров, причем заметна ярко выраженная тенденция увеличения длины конвейера в каждой новой модели. Так, если в первых Репйцш длина конвейера составляла всего пять стадий, то уже в Репйцпы!) она была увеличена до четырнадцати стадий, а в Репг)цпы4 — и вовсе до двадцати. Такая мера была вызвана чрезмерным наращиванием тактовой частоты ядра процессора и вытекающей отсюда необходимостью как-то заставить конвейер работать на этой частоте.
'- вк — гегвив (лат.) — против. — Ред. зг Глава г С одной стороны и хорошо, — конвейер крутится как угорелый, выполняя до б микроинструкций за такт, и какое нам собственно дело до его длины? А вот какое! Вернемся к нашей аналогии с приборостроительным заводом. Допустим, захотелось нам запустить в производство новую модель. Вопрос: через какое время она сойдет с конвейера? (Бюрократическими проволочками можно пренебречь). Ни через шесть секунд, ни через час новая модель готова не будет, и придется ждать, пока весь технологический цикл не завершится целиком. Патентность — т. е. полное время прохождения продукции по конвейеру, может быть и некритична для неповоротливого технологического процесса производства (действительно, новые модели микросхем не возникают каждый день), но весьма ощутимо влияет на быстродействие динамичного процессора, обрабатывающего неоднородный по своей природе код.
Продвижение машинных инструкций по конвейеру сопряжено с рядом принципиальных трудностей, — то не готовы операнды, то занято исполнительное устройство, то встретился условный переход (что равносильно переориентации нашего приборостроительного завода на производство новой модели) и вместо безостановочного вращения конвейера мы наблюдаем его длительные простои, лишь изредка прерываемые короткими рывками, а затем вновь покой и тишина. В лучшем случае время выполнения одной инструкции определяется пропускной способностью конвейера, а в худшем — его латентностью. Поскольку пропускная способность и латентность различаются где-то на порядок или около того, бессмысленно говорить о среднем времени выполнения инструкции.
Оно не будет соответствовать никакой физической действительности. Малоприятным следствием становится невозможность определения реального времени исполнения компактного участка кода (если, конечно, не прибегать к эмуляции процессора). До тех пор, пока время выполнения участка кода не превысит латентность конвейера (30 тактов для Рб), мы вообще ничего яе сможем сказать ни о коде, ни о времени, ни о конвейере) Неточность измерений Одно из фундаментальных отличий цифровой от аналоговой техники заключается в том, что верхняя граница точности цифровых измерений определяется точностью измерительного инструмента (точность аналоговых измерительных инструментов, напротив, растет с увеличением количества замеров).
А чем можно измерять время работы отдельных участков программы? В персональных компьютерах семейства 1ВМ РС АТ имеются как минимум два таких механизма: системный тойиер (штатная частота: 18,2 тика в секунду, т. е. 55 мс, максимальная частота — 1 193 180 тиков в секунду или Профипировка программ ЗЗ 0,84 мкс), часы реального времени (частота 1024 тика в секунду„т.
е. 0,98 мс). В дополнение к этому в процессорах семейства Репйшп появился так называемый регистр счетчик-времени (?!те огатр Соипгег), увеличивающийся на единицу при каждом такте процессорного ядра. Теперь разберемся со всем этим хозяйством подробнее. Системный таймер (с учетом времени, расходуюшегося на считывание показаний) обеспечивает точность порядка 5 мс, что составляет более двух десятков тысяч тактов даже в системе с частотой 500 МГц! Это — целая вечность для процессора. За это время он успевает перемолотить море данных, скажем, отсортировать сотни полторы чисел. Поэтому, системный таймер длн профилирования отдельных функций непригоден. В частности, нечего и надеяться с его помощью найти узкие места функции ч х ь! Да что там узкие места — при небольшом количестве обрабатываемых чисел он и общее время сортировки определяет весьма неуверенно.
Причем, прямого доступа к системному таймеру под нормальной операционной системой никто не даст, а минимальный временной интервал, еше засекаемый штатной С-функций 1 хы, составляет всего лишь !/!00 с, а зто годится разве что для измерения времени выполнения всей программы целиком. Точность часов реального времени так же вообще не идет ни в какое сравнение с точностью системного таймера (перепрограммированного, разумеется).
Остается надеяться лишь на Типе Бгапзр Соцп!ег. Первое знакомство с ним вызывает просто бурю восторга и восхищения "Ну наконец-то 1пге! подарила нам то, о чем мы так долго мечтали!" Судите сами: во-первых, операционные системы семейства %!пдоьча (в том числе и "драконовская" в этом плане ХТ) предоставляют беспрепятственный доступ к машинной команде гвтзс, читающей содержимое данного регистра. Во-вторых, поскольку он инкрементируется каждый такт, создается обманчивое впечатление, что с его помощью возможно точно определять время выполнения каждой команды процессора. Увы! На самом же деле это далеко не так! Начнем с того, что в конвейерных системах, как мы уже помним, вообще нет такого понятия, как время выполнения команды, и следует говорить либо о пропускной способности, либо латентности. Сразу же возникает вопрос: а что же все-таки команда аотвс меряет? Документация Вйе) не дает прямого ответа, но, судя по всему, астзс считывает содержимое регистра счетчика-времени в момент прохождения данной инструкции через соответствующее исполнительное устройство.
Причем, вотзс — это неупорядоченная команда, т. е. она может завешаться даже раньше предшествующих ей команд. Именно так и произойдет, если предшествующая ей команда простаивает в ожидании операндов. Глава 1 34 Рассмотрим крайний случай, когда измеряется время выполнения минимальной порции кода (одна машинная команда уходит на то, чтобы сохранить считанное значение в первой итерации) (листинг 1.8). еетзс читаем значение регистра времени и помещаем его в регистры ЕЕХ и ЕВЛ МОУ !стосК1, ЕЯХ сохраняем млалщее лвояное слово регистра времени в переменнуяо с1осК нптзс читаем регистр времени еще раз Зпа ЕЛХ, !стосК! вычисляем разницу замеров метлу первым и вторым замером При прогоне этого примера на Р-Ш он выдаст 32 такта, вызывая тем самым риторический вопрос: "А почему, собственно, так много?" Хорошо, оставим выяснение обстоятельств "похищения процессорных тактов" до лучших времен, а сейчас попробуем измерять время выполнения какой-нибудь машинной команды, ну скажем, тмс глх, увеличивающей значение регистра елх на единицу.
Поместим ее между инструкциями еетзс и перекомпилируем программу. Вот это да! Прогон показывает все те же 32 такта. Странно! Добавим-ка мы еще одну тмс елх. Как это так — снова 32 такта?! Зато при добавлении сразу трех инструкций тнс елх контрольное время исполнения скачкообразно увеличивается на единицу, что составляет 33 такта. Четыре и пять инструкций знс елх дадут аналогичный результат, а вот при добавлении шестой результат изменений вновь возрастает на один такт. Но ведь процессор Репбшп, имея в наличии всего лишь одно арифметическое устройство„никак не может выполнять более одного сложения за такт одновременно! Полученное нами значение в три команды за такт — это скорость их декодирования, но отнюдь не исполнения! Чтобы убедиться в этом, запустим на выполнение следующий цикл (листинг !.9). !я)пчиюМг,''М';:~, Измвьреиие;,'яра МОУ ЕСХ,1000; гоместить в регистр ЕСХ значение 1000 атос: метка начала цикла тнс еах Профипировна программ 35 1 г- одна группа профилируемык инструкций 1У 1НС ЕАХ 1КС ЕАХ 1НС ЕАХ ГИС ЕАХ 1НС ЕАХ +- вторая группа провилируецьз инстоукций бЕС ЕСХ уменьтить значение регистра ЕСХ на 1 ~здесь он используется в качестве счетчика цикла1 ЗНЕ еккк до тек пор, пока ЕСХ не обратится в ноль, перепрыгивать на метку а .ог 1ЯйртвгНГ4„'10,: ОфИцИаигЬНОраКОМьЕИВОВавййй."СйОСОбдВЫЗОВаьв : Вйя"ьйд~ервь~( Хай ЕАХ, ЕАХ вызываем машинную команду СРО1О, Срщб после выполнения которой все На процессоре Р-111 выполнение данного никла займет отнюдь не 2000, а целых 678! тактов, что соответствует, по меньшей мере, одному такту, приходящемуся на каждую математическую инструкцию! Следовательно, в предыдущем случае, при измерении времени выполнения нескольких машинных команд, инструкция ебтзс "вперед батьки пролезла в пекло", сообщив нам совсем не тот результат, которого мы от нее ожидали! Вот если бы существовал способ "притормозить" выполнение инструкции нбтзс до тех пор, пока полностью не будут завершены все предгцествуюшие ей машинные инструкции...
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
