15_Архитектурные особенности современных ЭВМ (975812), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Именно поэтомутак организованный кэш и называется кэшем прямого отображения (строк из страниц оперативнойпамяти на строки кэш памяти). Заметим, что если нужного нам байта в кэше не оказалось (как говорится, случился промах кэша), то из оперативной памяти считывается в кэш сразу вся строка (161К сожалению, на компьютерах новых моделей возможность отключать кэш из BIOS'a обычно не предусмотрена, как совершенно бесполезная в практической работе пользователя.
Кэш память теперь можно отключить только с помощью особых привилегированных команд.4байт), это занимает всего два обращения к оперативной памяти при её восьмикратном расслоении (идва дополнительных обращения, если в строку была запись).Описанный выше кэш прямого отображения быстро работает и его просто реализовать, но онимеет и существенный недостаток.
Заметим, что, если попеременно обращаться к байтам с одинаковыми номерами в двух страницах оперативной памяти, то строки из этих страниц будут всё времясменять друг друга в кэш памяти, что, конечно, весьма негативно скажется на скорости выполненияпрограммы. Современные компьютеры снабжаются более сложно устроенной кэш памятью, в которой вероятность описанной выше неприятной ситуации значительно ниже.Для ещё большего увеличения скорости чтения и записи команд и данных центральным процессором можно включить в архитектуру не один, а два и даже три последовательно подключённых кэша. При этом самый внутренний (т.е.
ближайший к центральному процессору) кэш называется кэшемпервого уровня, следующий – второго уровня, и т.д.Здесь, однако, необходимо уяснить для себя следующее. Успешное применение памяти типа кэш(как, впрочем, и изученного ранее расслоения памяти) базируется на свойстве локальности программ, это свойство уже упоминалось нами при изучении близких относительных переходов. Свойство локальности заключается в том, что выполняемые команды и обрабатываемые данные программы не разбросаны по памяти в хаотическом беспорядке, а обнаруживают тенденцию группироватьсяв некоторые относительно небольшие области. Это, например, команды в теле циклов, данные внутри массивов, близко расположенные переменные в выражениях и т.д. Конечно, можно специальнонаписать программу, не обладающую свойством локальности, такая программа будет после каждойкоманды случайным образом переходить на выполнение следующей команды в любой части программы, а обрабатываемые данные также выбирать из областей памяти со случайными адресами.
Таквот, Вам необходимо понять, что при выполнении такой "нелокальной" программы кэш будет бесполезен.1Вот теперь, на машине с памятью типа кэш, наша рассмотренная выше команда add ax,X будет чаще всего (при чтении из кэша) выполняться уже за время1нс (чтение команды) + 1нс (чтение числа X) + 1нс (выполнение команды) = 3нс.Заметим, что за одно обращение из памяти теперь читается не одна команда, а в среднем две-трипоследовательные команды программы, поэтому можно считать, что среднее время выполнения команды будет ещё меньше. Как видим, ситуация коренным образом улучшилась, хотя всё равно получается, что сам центральный процессор работает только примерно 30% от времени выполнения команды, а остальное время ожидает поступления на свои регистры команд и данных.
Для того чтобыисправить эту неприятную ситуацию, нам придётся снова существенно изменить архитектуру центрального процессора.15.1. Конвейерные ЭВМКак мы уже говорили, современные ЭВМ могут одновременно выполнять несколько команд. Дляэтого они должны либо иметь несколько центральных процессоров, либо центральный процессор такого компьютера строится по так называемой конвейерной (pipeline) архитектуре.2 Рассмотрим схему работы таких конвейерных ЭВМ.Выполнение каждой команды любым центральным процессором, как мы уже знаем, состоит нанескольких этапов или шагов. Можно, например, выделить следующие основные шаги выполнениякоманды.1.
Выбор команды из оперативной памяти (или кэша) на регистр команд.2. Определение кода операции (так называемое декодирование команды).3. Вычисление адресов операндов в памяти.1Замечание для программистов-математиков: объём сегментов команд и сегментов данных такой "нелокальной" программы должен существенно превышать размер памяти типа кэш (что, впрочем, обычно выполняется для большинства программ).2На персональных ЭВМ впервые конвейер реализован на процессоре Intel 486 в 1989 году, но на больших компьютерах это произошло раньше. Например, конвейер имела отечественная ЭВМ БЭСМ-6, выпускавшаяся в конце 60-х годов прошлого века, в то время она была одной из самых быстродействующих ЭВМ в мире.54.
Выбор операндов из оперативной памяти (или кэша) на регистры арифметико-логического устройства.5. Выполнение требуемой операции (сложение, умножение, сдвиг и т.д.) над операндами нарегистрах арифметико-логического устройства.6. Запись результата операции и выработка флагов.В конвейерных ЭВМ центральный процессор состоит из нескольких блоков, каждый из которыхвыполняет один из перечисленных выше шагов команды. Эти блоки стараются строить так, чтобывсе они выполняли свою работу по выполнению шага команды за одно и то же время. Теперь понятно, что такие блоки можно заставить работать параллельно, обеспечивая, таким образом, одновременное выполнение центральным процессором нескольких последовательных команд программы.На рис. 15.2 приведена схема работы центрального процессора конвейерной ЭВМ, направление движения команд на конвейере показано толстой стрелкой.
Так как выполнение каждой команды мыразбили на шесть шагов, то одновременно на нашем конвейере может находиться до шести командпрограммы.1ВыборкомандыДекодированиеВыч-ниеадресовЧтениеоперандовВып-ниеоперацииЗаписьрезультатаКоманда i+5Команда i+4Команда i+3Команда i+2Команда i+1Команда iРис. 15.2. Схема работы конвейера.Из показанной схемы понятно, почему такие ЭВМ называются конвейерными. Как, например, наконвейере автомобильного завода одновременно находятся несколько машин в разной стадии сборки,так и на конвейере центрального процессора находятся несколько команд в разной стадии выполнения.
Отметим, что теперь в центральном процессоре уже нет привычного для прежних ЭВМ регистра команд, на котором располагается текущая выполняемая команда. Вместо этого поток выполняемых команд располагается в специальном буфере команд.Отметим хорошее свойство любого конвейера: хотя выполнение каждой команды, как в нашемпримере, занимает шесть шагов, однако на каждом шаге с конвейера "сходит" полностью выполненная команда. Таким образом, использование такого рода конвейера позволяет, в принципе, вшесть раз повысить скорость выполнения программы.Вот теперь, после введения в архитектуру ЭВМ конвейера, мы, наконец, достигли соответствия скорости работы центрального процессора и памяти.
Действительно, предположим для простоты,что каждое из шести устройств на конвейере выполняет свой этап обработки команды за 1нс, тогдакаждая команда выполняется на конвейере за 6нс, и за это время ЦП успевает произвести все необходимые обмены и командами и данными с памятью (чаще всего из кэша). В то же время, как мы ужеотмечали, скорость выполнения потока команд центральным процессором получается в 6 разбольше за счёт работы конвейера. Поэтому и говорят, что, например, компьютер работает со скоростью 109 операций в секунду, (то есть, как бы выполняет по одной команде каждую наносекунду),хотя мы теперь знаем, что на самом деле выполнение каждой отдельной команды занимает в несколько раз больше времени.Разумеется, как всегда не всё обстоит так хорошо, как кажется с первого взгляда.
Первая неприятность поджидает нас, если одна из следующих команд использует результат работы предыдущейкоманды, а это случается достаточно часто по самой сути вычислительных алгоритмов. Например,пусть есть фрагмент программы:add al,[bx]sub X,alinc bxinc di1Конвейеры современных ЭВМ могут разбивать выполнения команд и на большее число шагов, например, уже в компьютере Pentium-IV конвейер состоял из 20 более мелких шагов.6Для второй команды этого фрагмента нельзя выполнять операцию вычитания, пока первая команда фрагмента не запишет в регистр al свой результат, т.е.
выполнится полностью и не сойдёт сконвейера.1 Таким образом, вторая команды должна быть задержана на третьей позиции конвейера(на четвёртой позиции уже надо читать операнд из регистра al, а этот операнд ещё не помещён вэтот регистр). Вместе со второй командой из нашего примера остановится, конечно, и выполнениеследующих за ней команд и на конвейере образуются два "пустых места". В таблице 15.1 показанасхема движения команд из приведённого выше фрагмента программы на конвейере, каждая строкасоответствует одному шагу работы конвейера, пустые места закрашены.Таблица 15.1. Движение команд по конвейеру.Выборкаaddsubincincal,[bx]X,albxdiДекодированиеaddsubincincincincal,[bx]X,albxbxbxdiВычислениеадресовaddsubsubsubincincal,[bx]X,alX,alX,albxdiЧтениеоперандовВыполнениеоперацииЗаписьРезультатаadd al,[bx]add al,[bx]add al,[bx]sub X,alinc bxinc disub X,alinc bxinc disub X,alinc bxinc diЯсно, что скорость выполнения всей программы с такими, как говорят, зависимостями по данным, может при этом сильно упасть.
Зная такую особенность работы конвейера, "умный" центральный процессор, исправляя оплошность программиста, может изменить порядок команд в машиннойпрограмме, получив, например, такой эквивалентный фрагмент программы: 2add al,[bx]inc bxinc disub X,alВот теперь, если построить таблицу состояний конвейера при выполнении этого фрагмента, толегко увидеть, что ячейки конвейера уже не будут пустовать.Другая неприятность в работе конвейера случается, когда на него поступает команда условногоперехода. Что надо делать после выполнения этой команды, производить переход в другое местопрограммы, или же продолжить последовательное выполнение команд, выяснится только тогда, когда команда условного перехода сойдёт с конвейера.
Так, спрашивается, из какой же ветви условногоперехода выбирать на конвейер следующую команду? Обычно при конструировании конвейера дляобработки команд условного перехода принимается какое-либо одно из следующих двух решений.Во-первых, можно выбирать команды из наиболее вероятной ветви условного оператора. Например, очевидно, что в нашем компьютере для команды цикла loop переход на повторение телацикла значительно более вероятен, чем выход из цикла вниз на следующую команду. Для остальныхкоманд условного перехода центральный процессор может накапливать статистику, насколькочасто та или иная команда осуществляет переход, а не естественное продолжение программы. Этотметод называется в научной литературе предсказанием ветвления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
