Принцип работы ядра процессора.
Принцип работы ядра процессора основан на цикле, описанном еще Джоном фон Нейманом в 1946 году. В упрощенном виде этапы цикла работы ядра процессора можно представить следующим образом:
1. Блок выборки инструкций проверяет наличие прерываний. Если прерывание есть, то данные регистров и счетчика команд заносятся в стек, а в счетчик команд заносится адрес команды обработчика прерываний. По окончанию работы функции обработки прерываний, данные из стека будут восстановлены;
2. Блок выборки инструкций из счетчика команд считывает адрес команды, предназначенной для выполнения. По этому адресу из КЭШ-памяти или ОЗУ считывается команда. Полученные данные передаются в блок декодирования;
3. Блок декодирования команд расшифровывает команду, при необходимости используя для интерпретации команды записанный в ПЗУ микрокод. Если это команда перехода, то в счетчик команд записывается адрес перехода и управление передается в блок выборки инструкций (пункт 1), иначе счетчик команд увеличивается на размер команды (для процессора с длинной команды 32 бита – на 4) и передает управление в блок выборки данных;
4. Блок выборки данных считывает из КЭШ-памяти или ОЗУ требуемые для выполнения команды данные и передает управление планировщику;
5. Управляющий блок определяет, какому блоку выполнения инструкций обработать текущую задачу, и передает управление этому блоку;
6. Блоки выполнения инструкций выполняют требуемые командой действия и передают управление блоку сохранения результатов;
7. При необходимости сохранения результатов в ОЗУ, блок сохранения результатов выполняет требуемые для этого действия и передает управление блоку выборки инструкций (пункт 1).
Описанный выше цикл называется процессом (именно поэтому процессор называется процессором). Последовательность выполняемых команд называется программой.
Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовой частотой процессора, а время работы каждого этапа цикла и время, затрачиваемое на полное выполнение одной инструкции, определяется устройством ядра процессора.
Способы повышения производительности ядра процессора.
Увеличение производительности ядра процессора, за счет поднятия тактовый частоты, имеет жесткое ограничение. Увеличение тактовой частоты влечет за собой повышение температуры процессора, энергопотребления и снижение стабильности его работы и срока службы.
Поэтому разработчики процессоров применяют различные архитектурные решения, позволяющие увеличить производительность процессоров без увеличения тактовой частоты.
Рассмотрим основные способы повышения производительности процессоров.
Конвейеризация.
Каждая инструкция, выполняемая процессором, последовательно проходит все блоки ядра, в каждом из которых совершается своя часть действий, необходимых для выполнения инструкции. Если приступать к обработке новой инструкции только после завершения работы над первой инструкцией, то большая часть блоков ядра процессора в каждый момент времени будет простаивать, а, следовательно, возможности процессора будут использоваться не полностью.
Рассмотрим пример, в котором процессор будет выполнять программу, состоящую из пяти инструкций (К1–К5), без использования принципа конвейеризации. Для упрощения примера примем, что каждый блок ядра процессора выполняет инструкцию за 1 такт.
| Такты | Выборка инструкции | Декодирование инструкции | Выборка данных | Выполнение инструкции | Сохранение результата |
| K1 | - | - | - | - | |
| - | K1 | - | - | - | |
| - | - | K1 | - | - | |
| - | - | - | K1 | - | |
| - | - | - | - | K1 | |
| K2 | - | - | - | - | |
| - | K2 | - | - | - | |
| - | - | K2 | - | - | |
| - | - | - | K2 | - | |
| - | - | - | - | K2 | |
| K3 | - | - | - | - | |
| - | K3 | - | - | - | |
| - | - | K3 | - | - | |
| - | - | - | K3 | - | |
| - | - | - | - | K3 | |
| K4 | - | - | - | - | |
| - | K4 | - | - | - | |
| - | - | K4 | - | - | |
| - | - | - | K4 | - | |
| - | - | - | - | K4 | |
| K5 | - | - | - | - | |
| - | K5 | - | - | - | |
| - | - | K5 | - | - | |
| - | - | - | K5 | - | |
| - | - | - | - | K5 |
Как видно из таблицы, для выполнения пяти инструкций процессору понадобилось 25 тактов. При этом в каждом такте четыре из пяти блоков ядра процессора простаивали, т.е. процессор использовал всего 20% своего потенциала. Естественно, в реальных процессорах все сложнее. Разные блоки процессора решают разные по сложности задачи. Сами инструкции тоже отличаются друг от друга по сложности. Но в общем ситуация остается такой же.
Для решения этой проблемы во всех современных процессорах выполнение инструкций построено по принципу конвейера, то есть по мере освобождения блоков ядра, они загружаются обработкой следующей инструкции, не дожидаясь пока предыдущая инструкция выполнится полностью.
Рассмотрим пример выполнения той же программы, состоящей из пяти инструкций, но с использованием принципа конвейеризации.
| Такты | Выборка инструкции | Декодирование инструкции | Выборка данных | Выполнение инструкции | Сохранение результата |
| K1 | - | - | - | - | |
| K2 | K1 | - | - | - | |
| K3 | K2 | K1 | - | - | |
| K4 | K3 | K2 | K1 | - | |
| K5 | K4 | K3 | K2 | K1 | |
| - | K5 | K4 | K3 | K2 | |
| - | - | K5 | K4 | K3 | |
| - | - | - | K5 | K4 | |
| - | - | - | - | K5 |
Та же программа была выполнена за 9 тактов, что почти 2.8 раза быстрее, чем при работе без конвейера. Как видно из таблицы максимальная загрузка процессора была получена на 5 такте. В этот момент использовались все блоки ядра процессора. А с первого по четвертый такт, включительно, происходило наполнение конвейера.
Так как процессор выполняет команды непрерывно, то, в идеале, он мог бы быть занят на 100%, при этом, чем длиннее был бы конвейер, тем больший выигрыш в производительности был бы получен. Но на практике это не так.
Во-первых, реальный поток команд, обрабатываемый процессором – непоследовательный. В нем часто встречаются переходы. При этом пока команда условного перехода не будет обработана полностью, конвейер не сможет начать выполнение новой команды, так как не знает, по какому адресу она находится.
После условного перехода конвейер приходится наполнять заново. И чем длиннее конвейер, тем дольше это происходит. В результате, прирост производительности от введения конвейера снижается.
Для уменьшения влияния условных переходов на работу конвейера, в ядро процессора вводятся блоки предсказания условных переходов. Основная задача этих блоков – определить, когда будет совершен условный переход и какие команды будут выполнены после совершения условного перехода.
Если условный переход удалось предсказать, то выполнение инструкций по новому адресу начинается раньше, чем будет закончена обработка команды условного перехода. В результате, наполнение конвейера не пострадает.
По статистике, точность блоков предсказания условных переходов в современных процессорах превышает 90%, что позволяет делать достаточно длинные, но при этом хорошо наполняемые конвейеры.
Во-вторых, часто обрабатываемые инструкции – взаимосвязаны, то есть одна из инструкций требует в качестве исходных данных результата выполнения другой инструкции.
В этом случае она может быть выполнена только после полного завершения обработки первой инструкции. Однако современные процессоры могут анализировать код на несколько инструкций вперед и, например, параллельно с первой инструкцией обработать третью инструкцию, которая никак не зависит от первых двух.
В большинстве современных процессорах задача анализа взаимосвязи инструкций и составления порядка их обработки ложится на плечи процессора, что неминуемо ведет к снижению его быстродействия и увеличению стоимости.
Однако все большую популярность получает статическое планирование, когда порядок выполнения программы процессором определяется на этапе компиляции программы. В этом случае инструкции, которые можно выполнить параллельно, объединяются компилятором в одну длинную команду, в которой все инструкции заведомо параллельны. Процессоры, работающие с такими инструкциями, построены на базе архитектура VLIW (Very long instruction word).
Суперскалярность.
Суперскалярность – архитектура вычислительного ядра, при которой наиболее нагруженные блоки могут входить в нескольких экземплярах. Скажем, в ядре процессора блок выборки инструкций может нагружать сразу несколько блоков декодирования.
В этом случае блоки, выполняющие более сложные действия и работающие дольше, за счет параллельной обработки сразу нескольких инструкций не будут задерживать весь конвейер.
Однако параллельное выполнение инструкций возможно, только если эти инструкции – независимые.
Структурная схема ядра конвейера гипотетического процессора, построенного с использованием принципа суперскалярности, приведена на рисунке 1. На этом рисунке в каждом ядре процессора работает несколько блоков декодирования, несколько блоков выборки данных и несколько блоков выполнения инструкций.