В.А. Фисун - Прикладное программирование в задачах математической физики. Архитектурные принципы построения ЭВМ (pdf) (1127762), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Кэш-попадание будет в случае, когда значение этого тега совпадаетсо старшим разрядом адреса, который не поместился в формат ключа. Прикэш-промахе следует заменить строку кэша на строку с таким же номеромиз другого блока ОЗУ. Уже на таком примере виден главный недостатокданной схемы. Когда выбираются данные, размещенные по одинаковым адресам этих двух блоков ОЗУ, то происходит вытеснение ранее занесенныхстрок, несмотря на возможное наличие свободных строк в кэше. Обобщениеэтой схемы очевидно: ОЗУ размечается на блоки, кратные размеру кэшпамяти, и номера строк которых совпадают с номерами строк кэша.
Номераэтих блоков – теги - заносятся в строки кэша одновременно при заполнениикэша.Наконец, теги можно разместить в особой памяти – в памяти тегов ивсё той же хэш-функцией считывать значения тегов из этой памяти одновременно с данными из строк кэш-памяти. Если считанное значение тегасовпало с полем тега адреса, то имеем кэш-попадание и считанная строкакэша – искомая.В кэше с прямым отображением схема его заполнения может статьпричиной перезагрузки кэша, если последовательно используемые процессором данные расположены в оперативной памяти по адресам, кратнымразмеру памяти кэша (кэш-трэшинг). Компромиссной схемой адресациикэша является частично ассоциативная схема.Частично-ассоциативная схема (n-way set associative) кэш памяти получается при размножении с заданным коэффициентом (n) кэш-памяти спрямым отображением.
Продублируем кэш-память с прямым отображени-Пособие 17.09.0936ем, четыре раза (4-way). Теперь, при вызове кэш-строки ОЗУ в кэш-памятьона может быть размещена в одном из четырех блоков памяти данных. Соответственно, тег этой строки заносится в память тегов. И только при вызове пятой строки ОЗУ, претендующей на одно из четырех занятых строк,происходит кэш-трешинг, вытеснение одной из занятых строк при вызовепретендента на это место.
Частично-ассоциативная схема использует кэшпамять более оптимально по сравнению с кэшем прямого отображения.При ассоциативной организации кэша (полностью или частично) выборстроки для вытеснения определяется механизмом LPU (Least RecentlyUsed). Однако, при увеличении размера кэша затраты на работу LRU также увеличиваются и в таких случаях более эффективно использовать простой механизм случайного выбора.Для записи в кэш-память данного, измененного процессором, используются две стратегии обновления основной памяти (ОЗУ): стратегия сквозной записи и стратегия обратной записи.
Кэш-память с немедленной(сквозной) запиcью в ОЗУ (write-through) при операции "запись" всегда записывает измененное данное как в кэш, так и в основную память, в ОЗУ.Кэш-память с отсроченной запиcью в ОЗУ (write-back) определяет другойпорядок обновления оперативной памяти при изменении содержимого кэша. По этой схеме, при изменении строки кэша, её новое значение записывается только в кэш и не дублируется в ОЗУ.
Обновление же содержимогооперативной памяти для кэшей с отсроченной записью производится автоматически:- при выталкивании строки кэша из-за необходимости использования этойстроки для работы с другими данными оперативной памяти, адреса которых также соответствуют этой строке кэша;- при запросе данного, хранящегося в кэше в измененном виде, но непродублированного в оперативной памяти другими абонентами, например, устройствами вывода информации, которым доступна эта память.Выталкивание строки процессорного кэша данных при адресации данного из строки другими процессорами мультипроцессорных систем обеспечивается механизмом "когерентности" кэшей.Естественно, при первом способе записи кэш-эффект отсутствует, нореализация второй стратегии обновления ОЗУ дороже.
Сквозной метод записи в ОЗУ оптимизируется схемой с буферизацией (buffered write through),в которой строка кэша сначала помещается в буфер, из которого переписьв ОЗУ производится при отсутствии к ней других запросов.4. Глава 4Конвейерные технологииПособие 17.09.09374.1. Параллелизм конвейерных работОбсуждение данной проблемы принято начинать с описания конвейера, изобретенного и внедренного Г.
Фордом для сборки автомобилей. Этотмеханизм, используемый на автозаводах и по настоящее время, состоит изпоследовательности рабочих мест автосборщиков - постов, которые связаны непрерывной конвейерной лентой. На первый пост поступает шасси автомобиля, здесь к нему прикрепляются элементы подвески, и шасси поленте передвигается на следующий пост, где к нему прикручивают колеса,на следующем посту – устанавливают мотор и т.д.
Лента движется рывками, останавливаясь на одно и то же время – такт работы конвейера - и заэто время каждый сборщик должен выполнить свою часть - этап работы.Работы на каждом посту организованы так, чтобы могли быть выполненыза время такта работы конвейера. Время, необходимое для сборки одногоавтомобиля, равно полному времени прохождения шасси авто от первого допоследнего поста. Допустим, что число постов, длина конвейера, равно m, ипусть полное время сборки будет равно Т часов. Тогда при постоянном поступлении на первый пост очередного шасси (круглосуточная работа завода) новый автомобиль будет выходить с завода за каждый такт, равныйвремени выполнения работ на одном посту, то есть за время t = Т/m часов.Итак, несмотря на то, что полное время сборки одного автомобиля осталось равным Т, конвейерная организация работ обеспечивает сборку за этоже время m автомобилей.Конвейеризация (pipelining) - технологический прием (режим) выполнения работы путем разделения ее на последовательность автономных подработ (этапов) так, чтобы операции каждого этапа работы могли бы выполняться параллельно с операциями других этапов и за одинаковое время.Конвейерное оборудование проектируется таким образом, чтобы результатывыполнения очередного этапа работы могли передаваться как входные наследующий этап, а оборудование текущего этапа после этого было бы готово начать обработку следующей работы.Наиболее важным параметром конвейеров является не длина конвейера, а его производительность.
Немногие знают все конвейерные этапы прохождения водопроводной воды от Истринского водозабора до крана в ванной, однако скорость потока воды в кране интересна всем. Рассказывают/А.А. Гладков/, что в известные времена при посещении нового автозаводау членов делегации изымали часы, дабы сохранить в тайне время конвейерного такта - производительность завода. Класс конвейеризуемых работочень широк и эти работы не обязательно направлены на генерацию сложных механизмов из элементарных составляющих.Так /H.G. Cragon/ пишет, что идея сборочного конвейера зародилась уГ.Форда на мясоперерабатывающей фабрике в Чикаго при наблюдениипроцесса разделки коровьих туш.
Форд будто бы заметил, что если что-томожно последовательно разбирать на части, то можно делать это и в обратном порядке.Пособие 17.09.09384.2. Ускорение арифметических вычисленийКонвейеризация широко используется для ускорения вычислений наЭВМ, причем на всех этапах выполнения программы. Эффективность конвейерной обработки чисел в АЛУ может быть показана так.Пусть работа АЛУ - Арифметического Логического Устройства - присложении чисел вещественного типа выполняется за три такта вычислителя.Для конвейеризации этой работы разделим её на три этапа, а оборудованиеАЛУ на три последовательных блока (Р1-Р2-Р3), где Р1 - выравнивание порядков операндов, Р2 - собственно операция (сложение мантисс), Р3 - нормализация результата, причем блоки работают параллельно и каждый блокможет выполнять свою работу за один такт вычислителя.
И пусть на такомАЛУ выполняются следующие вычисления:A1 = B1+C1A2 = B2+C2A3 = B3+C3A4 = B4+C4Тогда временная диаграмма работы конвейеризованного АЛУ имеет вид:Этапы 1 такт 2 такт3 такт4 такт 5 такт 6 тактP1B1+C1 В2+C2 B3+C3 B4+C4н/рн/рP2н/рВ1+C1B2+C2 B3+C3 B4+C4н/рP3н/рн/рB1+C1 B2+C2 B3+C3 В4+С4Здесь н/р – нет работы.Вычисления А1-А4 выполнены за 6 тактов работы вычислителя, причем только во время двух тактов (3-4) работы оборудование загружено полностью. Однако не конвейеризованное АЛУ потратило бы на эти вычисления 12 тактов, то есть в два раза больше времени.В общем случае работа операционного блока АЛУ разбивается на m последовательных частей (стадий, выполняемые за одинаковое время), на которых арифметические команды ЭВМ выполняются в конвейерном режиме.Тогда, если на выполнение одной команды блоку требуется время T, то наобработку n команд сложения потребуется время Tn = (n + m) * (Т / m).Следовательно, если m << n, то ускорение вычислений по сравнению с работой АЛУ без конвейерной организации (его время для той же работы равно Т*n) будет в m раз.Фактором, снижающим производительность конвейеров АЛУ, можетбыть взаимозависимость выполняемых на конвейерном устройстве операций- конвейерный конфликт.Так, программа:КомандыКомментарииA1 = B1+C1A2 = A1+C2A2 = (B1+C1)+C2A3 = B3+C3A3 = B3+C3Пособие 17.09.0939A4 = B4+C4A4 = B4+C4будет выполняться на 3 этапном АЛУ на два такта дольше, чем предыдущая:Этапы 1такт 2 такт 3 тактP1 B1+C1 н/рн/рP2н/р B1+C1 н/рP3н/рн/р B1+C14 такт 5 такт 6 такт 7 такт 8 тактA1+C2 B3+C3 B4+C4 н/рн/рн/рA1+C2 B3+C3 B4+C4 н/рн/рн/р A1+C2 B3+C3 В4+С4На этой диаграмме видно, что количество холостых тактов работы оборудования “н/р” – “конвейерных пузырей “ (pipeline bubble) стало больше.В общем случае конвейерные конфликты принято разделять на тригруппы.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
