Архитектура современных МП. Основные факторы повышения производительности современных МП

Архитектура современных МП.

Вопрос 1. Основные факторы повышения производительности современных МП.

1. Технологический процесс. Уменьшение проектной нормы. Увеличение числа транзисторов на одном кристалле позволяет сделать более сложную структуру микропроцессора.

2. Увеличение тактовой частоты работы процессора. (Однако, при этом возникает проблема повещенного энергопотребления отвода тепла от кристалла).

3. Уменьшение времени обращения к памяти.

4. Кэширование. Использование дополнительной быстродействующей памяти (кеш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной (оперативной) памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика.

5. Использование процессорного ядра с RISC-архитектурой. К основным достоинствам RISC-архитектуры можно отнести — сокращенный набор команд, позволяет упростить схему управления МП; одинаковый формат команд, который облегчает их выборку;  команды короткие и большинство выполняются за 1 м.ц.;  экономится место на кристалле, за счет упрощения многих блоков; более простые способы адресации и отсутствие сложных адресных вычислений; большое число РОН, уменьшение числа обращений к памяти.

6. Конвейерная обработка — параллелизм линейных последовательностей команд.

7. Суперскалярность. Процессоры, содержащие несколько конвейеров исполнения команд и обеспечивающие одновременное формирование результатов двух или более скалярных операций (операций над числами), называют суперскалярными процессорами.

8. Принцип многофункциональной обработки. Повысить производительность процессора, реализующего конвейерную обработку, можно только путем усложнения структуры процессора за счет введения (использования) дополнительных аппаратных средств реализации параллелизма несвязанных операций. Для выполнения несвязанных операций в состав процессора, реализующего многофункциональную обработку, включают набор арифметических устройств, каждое из которых обычно имеет конвейерную организацию.

9. Суперконвейеризация. Современные микропроцессоры содержат десять и 11 более обрабатывающих устройств, каждое из которых представляет собой конвейер.

10. Гиперпоточная технология. Может быть реализована за счет не задействованных элементов в процессоре.  Например, возможности незадействованных элементов МП Pentium 4, позволяет этому процессору работать гораздо эффективнее — почти как двухпроцессорный компьютер

11. Механизмы предсказания ветвлений. В структуре процессора Pentium впервые использован блок предсказания ветвлений, основу которого составляет устройство, называемое BTB (Branch Target Buffer) или буфер ветвлений,в котором хранится информация об адресах ранее выполненных переходов.

12. Структурный параллелизм микропроцессоров. Использование адресного и исполнительного процессоров. Параллелизм вычисления адресных выражений и обработки данных.

13. Перестройка всего процесса трансляции программы. Уже на этапе подготовки программы компилятор анализирует и группирует несвязанные операции в пакеты команд, которые могут обрабатываться процессором одновременно. Распараллеливающий компилятор для такого процессора может «уложить» в один пакет максимум пять разнотипных операций, и эти операции могут быть одновременно процессором за один такт. Пакеты операций, сформированные компилятором, преобразуются компилятором в суперкоманды, получившие название VLIW (Very Lоng  Instruction Word - очень длинное командное слово).

Вопрос 11.  Механизм предсказания ветвлений.

Программные ветвления оказывают разрушительное действие на работу конвейера и существенно влияют на производительность процессора.

Большая частота программных ветвлений делают задачу наполнение конвейера крайне сложной. Когда в программе встречается команда условного перехода, процессор (до появления результата анализа условия) не может определить, какую последовательность команд необходимо выполнять следующей. В результате условные ветвления не только задерживают дальнейшее выполнение команд программы, но и влияют на весь конвейер, начиная от фазы выборки.

Одним из способов снижения влияния ветвлений заключается в использовании механизма предвидения или прогнозирования ветвлений.          

Прогнозирование ветвлений позволяет уменьшить задержки при выполнении команд ветвлений, связанные с необходимостью перезаполнения конвейера, и тем самым повысить реальную производительность процессора.

Для этого в МП устанавливаются некоторые дополнительные логические схемы для предсказания результата ветвления до принятия решения о его выполнении. Конвейер начинает предварительную выборку потока команд в соответствии с прогнозом. Правильно выполненный прогноз исключает потерю тактов при ветвлении.

Технология управления ветвлением.

«Выполнением команды ветвления» называется  действие по чтению и декодированию команды следующей в результате успешного выполнения команды УП.            «Целевой командой ветвления» - команда, которая выполняется после УП. Количество циклов конвейера, потерянных между выполнением команды УП и целевой командой называется «щелью задержки».

Потери циклов при ветвлении происходят по след причине. Если команда УП выполнена, то выбранные вслед за ней команды