Петровичев Е.И. Организация ЭВМ и систем

Подождите немного. Документ загружается.

2.7. Определение ядра процессора

Возникновение термина «ядро» связано с модификацией архитектуры процессора данного

поколения, что, в свою очередь, во многом определяется применением технологии производства

микропроцессоров с более высоким уровнем интеграции, дающей возможность реализовать на

кристалле новые технологии обработки информации.

Различия в архитектуре ядра процессора определяются следующими параметрами:

 технологией (уровнем интеграции) процессора;

 новыми элементами технологии обработки информации;

 организацией и объемом встроенной кэш-памяти;

 параметрами внутренней системной шины;

 поддержкой новых технологий оперативной памяти;

 поддержкой совместной работы нескольких процессоров в одной системе.

Возможно проведение некоторых изменений в рамках данного процессорного ядра (stepping).

Процессор Pentium IV в своем развитии реализовывался на нескольких ядрах: Willamette (0.18

мкм), Northwood (0.13 мкм), Prescott (0.09 мкм), Xeon. Первые три ядра последовательно сменяли

друг друга в компьютерах общего назначения; Xeon используется в специализированных

компьютерах с многопроцессорной архитектурой. При этом в частности, частота FSB повысилась

от 100 до 800 МГц, появилась поддержка двухканальной оперативной памяти, а объем

встроенного L2-кэш вырос с 256 Кбайт до 1 Мбайт. В ближайшем будущем планируется переход

Intel-процессоров на технологию 65 нм.

2.8. Многозадачность и многопоточность

Современные процессоры являются конвейерными и суперскалярными, то есть выполнение

команд в них идет параллельно, по этапам и на нескольких конвейерах сразу. Для того чтобы

разбить команды на параллельные потоки, процессору необходимо проанализировать

зависимость их друг от друга и расположить их в таком порядке, чтобы логика программы не

искажалась. Если программа не скомпилирована с расчетом на параллельное выполнение команд

или ее оптимизация не подходит под архитектуру процессора, большинство дублирующихся

вычислительных блоков процессора будет простаивать. Если бы в процессор поступали потоки

независимых команд, он мог бы обрабатывать их параллельно или иногда заполнять свободные

блоки подходящими командами из другого, независимого потока.

Архитектура CPU определяет допустимые режимы работы компьютера. Использование же

предоставляемых аппаратными средствами режимов зависит от свойств ОС. CPU поддерживают

широкий спектр режимов работы, среди которых:

 однозадачный режим;

 мультизадачный и мультипоточный режим;

 система виртуальных машин.

В однозадачном режиме в каждый момент времени может находиться в RAM и выполняться

только одна пользовательская программа. В многопрограммном режиме обеспечивается хранение

в RAM нескольких программ и попеременное их выполнение с той или иной дисциплиной

обслуживания, что целесообразно главным образом (но не только) при возможности совмещения

во времени счета в CPU и операций ввода-вывода. На основе многопрограммного режима работы

CPU могут быть организованы однопользовательский многопрограммный, а при наличии

соответствующих аппаратных средств - и многопользовательский многопрограммный режимы

работы компьютера. Система виртуальных машин является дальнейшим развитием

мультипрограммирования, основной признак которого - возможность одновременной работы

нескольких ОС.

16-разрядные приложения используют кооперативную многозадачность -квантование цикла

процессора и выделение квантов одновременно запущенным приложениям.

При выполнении 32-разрядных приложений используется понятие «Приоритетная

многозадачность» - приложение либо ожидает освобождения необходимых ресурсов, либо

переходит к решению доступных подзадач. ОС реализует арбитраж ресурсов на основе их

равнодоступности всем приложениям (например, можно одновременно воспроизводить видео,

печатать документ, сохранять файл на диске, загружать WEB-страницу).

С точки зрения ОС выполняющееся приложение является ПРОЦЕССОМ.

Процесс имеет следующие компоненты:

 исполняемая программа - последовательность кода (инструкций) и встроенных данных -

ЕХЕ-файл;

 требуемые системные ресурсы: связь с клавиатурой, дисплеем, дисками, портами,

принтером и пр. При этом используется система прерываний и флаги (семафоры)

ресурсов;

 защищенное адресное пространство, выделяемое процессу в виртуальной памяти

(непрерывное и не фрагментированное). Виртуальная память компонуется из физических

страниц RAM и файла своппинга;

 минимум один поток выполнения. ПОТОК - явно опознаваемая задача внутри процесса

(например: процесс

передает потоку

список записей, затребованных покупателем из

базы данных; данные из записей передаются процессу

; одновременно второй

поток

записывает платежную ведомость в базу данных). ОС управляет процессом

на уровне потоков.

Процедура обслуживания многозадачности:



Система обнаруживает новый поток, порожденный процессом;

 Система выполняет поток, пока он не прерывается внешним событием;

 Производится арбитраж ресурсов - анализом совокупности установленных семафоров:

опущенный семафор означает доступность ресурса;

 Если система прерывает поток, то она сохраняет контекст потока уникальный

идентификатор потока и информацию состояния потока на момент прерывания;

 Система осуществляет контекстное переключение - грузит контекст разрешенного

потока и выполняет его от точки последнего прерывания.

Таким образом, если потоки используют не перекрывающиеся ресурсы, система реально

одновременно выполняет несколько потоков.

2.9. Технология Intel Hyper-Threading

2.9.1. Увеличение производительности

Есть ряд задач (серверные приложения, научные вычисления, моделирование и т.д.), где рост

производительности, особенно центральных процессоров, всегда желателен. Каковы же способы

увеличения производительности?

• Увеличение тактовой частоты - это непросто и чревато побочными эффектами, например

перегревом процессора.

• Наращивание ресурсов процессора - например, увеличение кэш, введение новых

модулей выполнения. Все это увеличивает число транзисторов, усложняет процессор,

увеличивает поверхность кристалла, и поэтому повышает цену процессора.

• Многопроцессорная обработка. Установка нескольких центральных процессоров и

распределение загрузки среди них часто эффективна, но такой подход не дешев - каждый

дополнительный процессор поднимает стоимость системы; кроме того, двухпроцессорная

motherboard дороже обычной. Пока список прикладных программ, рассчитанных на

многопроцессорный режим, недостаточно велик, чтобы оправдать подобные расходы.

Кроме чисто многопроцессорной конфигурации есть некоторые промежуточные решения:

• Многопроцессорная обработка на чипе (СМР) - на чипе расположены два ядра

процессора, каждый использует общий или отдельный кэш. Такой chip по размерам весьма

велик, и это сказывается на цене. Несколько таких центральных процессоров могут также

работать в многопроцессорной системе.

• Time-Slice Multithreading (многопоточность на интервалах). Процессор переключается

между потоками в установленные интервалы времени. Потери могут быть очень велики,

особенно если один из процессов находится в состоянии ожидания.

• Switch-on-Event Multithreading (многопоточность с переключением по событию)

Переключение задач в случае долгих пауз, (например, неудачные обращения в кэш), большое

число которых типично для приложений - серверов. В этом случае ожидание данных,

читаемых из относительно медленной кэш-памяти останавливается, и ресурсы центрального

процессора передаются другим процессам. Однако оба последних метода многопоточности не

всегда обеспечивают оптимальное использование ресурсов центрального процессора - в

частности, из-за ошибок в предсказании ветвлений, зависимости команд и т.д.

• Simultaneous Multithreading (одновременная многопоточность). В этом случае потоки

выполняются на одном процессоре одновременно, не переключаясь между ними. Ресурсы

центрального процессора распределяются динамически, то есть "если Вы не используете

ресурс - его отдают другой задаче". Этот подход - основа технологии Intel Hyper-Threading.

2.9.2. Механизм Hyper-Threading

Работа персонального компьютера подразумевает многопоточные вычисления. Это касается не

только серверов, но также и рабочих станций и настольных систем. Потоки выявляются в одном или

нескольких приложениях. Есть почти всегда больше одного активного потока (чтобы удостовериться -

откройте в Windows 2000/XP Менеджер Задач и отобразите список потоков). В то же самое время

обычный процессор может выполнить только один поток одновременно и должен постоянно

переключаться между ними.

Одной из полезных особенностей архитектуры процессора Pentium 4 является возможность

достижения очень высоких тактовых частот. Отлаживая технологию производства, корпорация Intel

может постепенно наращивать частоту процессора. Что она и делает, с завидной периодичностью

объявляя все новые и новые модели Pentium 4. Технология Hyper-Threading в настольных

компьютерах впервые была реализована при выпуске процессора 3.06 ГГц и открыла практику

многопроцессорной обработки на обычных персональных компьютерах.

Организация поступления в процессор нескольких потоков команд, позволяющих эффективнее

использовать его ресурсы, в предыдущих моделях Pentium была возложена на само процессорное

ядро. А если возложить эту задачу на программное обеспечение, например на операционную

систему - заставить ее думать, что в системе имеется не один, а два процессора? Тогда команды

станут поступать в двух независимых друг от друга потоках, гарантированно подходящих для

параллельной обработки. Процессор сможет выделять потокам ресурсы по мере их

освобождения, выполняя работу за двоих. Прирост скорости будет обусловлен тем, что процессор

будет работать эффективнее.

Технология Hyper-Threading была сначала реализована в процессоре Intel Xeon(MP).

Процессор Intel Xeon(MP), появившийся весной 2002 г., использует ядро, подобное Pentium 4

Willamette (256 Кб кэш второго уровня, 1 Мб..512

Кб кэш третьего уровня) и поддерживает

конфигурации с 4 процессорами. Поддержка

Hyper-Threading также доступна в процессоре для

рабочих станций - Intel Xeon (ядро Prestonia, 512

Кб кэш второго уровня), который появился на

рынке ранее, чем Intel Xeon(MP).

Hyper-Threading основана на том принципе, что в каждый момент времени только часть

ресурсов процессора используется для выполнения кода программы. Неиспользованные ресурсы

также могут быть задействованы, например для параллельного выполнения другого приложения

(или другого потока того же самого приложения). Один физический процессор формирует два

логических процессора (LP), которые совместно используют вычислительные ресурсы

центрального процессора. На самом деле внутри процессора нет двух вычислительных ядер, как,

например, в серверном процессоре IBM POWER4. Удвоены только массивы регистров - как общего

назначения, так и служебных.

Операционная система и приложения видят два центральных процессора и могут распределить

загрузку работы между ними, как в нормальной двухпроцессорной системе.

Одна из реализаций Hyper-Threading - только с

одним активным потоком, чтобы обеспечить его

выполнение с той же скоростью, что и на обычном

центральном процессоре. Именно поэтому процессор

имеет два главных режима:

Однозадачный (ST) и Многозадачный (МТ)

В режиме ST только один логический процессор активен: тот, который использует доступные

ресурсы полностью (режимы ST0 и ST1); другой LP остановлен командой HALT. Когда появляется

второй поток, второй LP включается (по прерыванию), и физический центральный процессор

переключается в режим МП. Останов неиспользуемого LP осуществляется операционной

системой, которая отвечает за выполнение одного потока в монопольном режиме (без Hyper-

Threading).

Каждый из двух LP имеет архитектурный статус (AS), который включает регистры различных

типов: универсальные, управления, расширенного программируемого контроллера прерываний

(APIC) и сервисные. Каждый LP имеет

собственный контроллер прерываний и

набор регистров. Для правильного

обращения к ним имеется Таблица

Псевдонимов Регистров (Register Alias

Table - RAT), которая прослеживает

соответствие между 8 универсальными

регистрами 32-разрядной архитектуры

(IA-32) и 128 регистрами физического

центрального процессора (одна RAT для

каждого LP).

Когда выполняются два потока, одновременно готовятся два следующих указателя инструкций.

Большинство команд извлекаются из кэш трассировки (ТС), где они хранятся в декодированной

форме; два активных LP обращаются к ТС, каждый в своем цикле. В то же самое время, когда

только один LP активен, он монопольно обращается к ТС. Доступ к ROM микропрограмм

аналогичен.

Модуль ITLB (буфер предыстории трансляции команды) используется, когда требуемые

команды отсутствуют в кэш команд. Его содержимое дублируется, и код команды передается

соответствующему потоку. Блок декодирования инструкций архитектуры IA-32 является

разделяемым; когда декодирование команд требуется каждому потоку, блок обслуживает их

поочередно (в цикле).

Очередь Uop и блок распределения расщеплены на два подблока и предоставляют половину

элементов для каждого LP. Пять планировщиков обрабатывают очереди декодированных команд

(Uops), несмотря на то что они принадлежат разным LP (LP0/LP1) и передают команды

соответствующим модулям выполнения (Execution Units) - в зависимости от готовности

выполнения предыдущих и доступности последней команды. Кэш всех уровней являются

полностью общими для логических процессоров, хотя для обеспечения целостности данных

входы в DTLB (буфер предыстории конвертирования данных) имеют описатели в форме

идентификаторов логических процессоров.

Таким образом, команды обоих логических процессоров могут быть выполнены, одновременно

используя ресурсы одного физического процессора. Ресурсы подразделяются на 4 класса:

• дублированные;

• полностью разделяемые;

• с помеченным входом;

• разделяемые в зависимости от режима выполнения - ST0/ST1 или МТ.

Большинство приложений, которые работают быстрее в многопроцессорных системах,

выигрывают и на центральном процессоре с Hyper-Threading без дополнительных модификаций

приложений. Но могут быть проблемы: например, если один из процессов находится в цикле

ожидания, он может использовать все ресурсы физического центрального процессора и

блокировать второй LP. Таким образом, работа с Hyper-Threading может даже дать падение

производительности (до 20 %).

Для предотвращения этого эффекта Intel рекомендует использовать команду PAUSE вместо

пустых циклов ожидания (появилась в инструкциях IA-32 для Pentium 4). Кроме того, над

автоматической и полуавтоматической оптимизацией кода теперь много работают - например,

Intel OpenMP C++ / ФОРТРАН; ряд компиляторов достиг здесь большого успеха.

Другая цель Intel при развитии технологии Hyper-Threading состояла в том, чтобы число

транзисторов, поверхность кристалла и потребляемая мощность росли намного медленнее при

значительном увеличении эффективности. Hyper-Threading в Xeon /Xeon MP увеличило

поверхность и потребляемую мощность только на 5 % при резком приросте производительности.

2.9.3. Производительность

Приложение может быть выполнено на двух процессорах быстрее, чем на одном, если:

•есть два или более одновременно выполняемых потоков;

•эти потоки не препятствуют выполнению друг друга - например, они не нуждаются

одновременно в одном из ресурсов (внешнее запоминающее устройство или сетевой

интерфейс).

Это особенно хорошо заметно, если потоки команд, грубо говоря, не похожи друг на друга, то

есть содержат разные типы команд. Тогда обработка одного потока может совмещаться с

замедленной обработкой другого, то есть процессор за одно и то же время будет успевать делать

полтора дела. Несколько одновременно запущенных приложений, использующих разные

алгоритмы обработки данных, будут получать серьезный выигрыш от Hyper-Threading. И в то же

время не стоит забывать, что эффективность новой технологии зависит от работы операционной

системы. Разделять команды на потоки должна именно она. И если ОС будет нагружать один из

процессоров своими внутренними, системными задачами, то даже одно приложение сможет

ускорить работу благодаря Hyper-Threading.

От приложения тоже зависит, сможет ли оно использовать возможности новой технологии. Оно

должно выполняться в нескольких потоках, причем эти потоки должны быть спроектированы так,

чтобы не пересекаться и не зависеть друг от друга. Ведь если, например, один поток ждет

результата работы второго, то Hyper-Threading может давать отрицательный эффект из-за того,

что один поток может забрать почти все ресурсы и не давать работать второму.

В общем, прирост скорости сильно зависит от выполняемых задач. В некоторых случаях он

может достигать 25-35% (по данным Intel). Или, например, "заточенные" под многозадачность

программы ускоряются на 15-20%. А в других случаях разница не будет заметна или вообще будет

отрицательной.

2.9.4. Поддержка

Поддержка Hyper-Threading была заложена в самые первые процессоры семейства Pentium 4 (с

ядром Willamette), но до последнего времени не работала. В смежном рынке серверов и рабочих

станций на процессорах Xeon она была включена на год раньше. На рынке настольных

компьютеров ее появление было задержано, потому что до последнего времени на настольном

рынке доминировала ОС Windows 9x/ME, которая принципиально не способна поддерживать

многопроцессорный режим работы. Только с распространением Windows XP появилась

возможность задействовать Hyper-Threading в обычных условиях.

Кроме процессора, необходимо позаботиться о поддержке новой технологии со стороны других

компонентов системы. Так, нужен подходящий чипсет материнской платы. Согласно данным Intel,

технология Hyper-Threading поддерживается следующими чипсетами:

 i850E (Rambus-чипсет);

 i845E, i845PE;

 i845GE, i845GV;

 i865G/P/PE;

 i875P;

 все будущие чипсеты Intel для настольных ПК и рабочих станций, а также серверные

чипсеты ServerWorks.

Новые чипсеты фирм VIA и SIS также поддерживают эту технологию.

Кроме чипсета, о Hyper-Threading должна «знать» и система BIOS на материнской плате. Это

нужно для того, чтобы была подготовлена таблица конфигурации и произведена инициализация

"второго процессора".

Операционная система идентифицирует "оба процессора" без проблем, но только если

выполнены два условия:

• установлена BIOS с поддержкой Hyper-Threading; если в BIOS заблокирована поддержка

Hyper-Threading, операционная система идентифицирует только физические процессоры.

• используется ACPI, чтобы сообщить операционной системе о дополнительных логических

процессорах. Именно поэтому, чтобы разрешить Hyper-Threading, ACPI должен быть

активизирован в CMOS Setup; HAL (Уровень Аппаратной абстракции) с поддержкой ACPI

нужно также разрешить для операционной системы.

В Windows 2000 нужно просто заменить HAL Стандартного PC на ACPI Uni-/Multiprocessor PC,

изменяя "компьютерный драйвер" в менеджере устройств. Единственный способ переключиться

на ACPI HAL в Windows XP состоит в том, чтобы переустановить систему поверх текущей.

Для работы новой технологии нужна также одна из двух операционных систем - либо Windows

XP (Home или Pro), либо Linux с новым ядром, поддерживающим Hyper-Threading.

Hyper-Threading - неоднозначное и очень оригинальное техническое решение, которое

позволяет с минимальными затратами реализовать хоть и не совсем настоящую, но все же

многопроцессорность на однопроцессорной машине. Осталось только добиться выигрыша от ее

применения.

Примечание: общие сведения об ACPI

Расширенный интерфейс управления питанием и конфигурациями (Advanced Configuration and

Power Interface, ACPI) является открытым промышленным стандартом, определяющим гибкий и

расширяемый интерфейс аппаратуры с системной платой. Разработчики программного обеспечения

используют эту спецификацию для объединения возможностей управления электропитанием во всей

компьютерной системе, включая аппаратуру, операционную систему и прикладное программное

обеспечение. Это объединение позволяет Windows определять активные приложения и

контролировать все ресурсы управления питанием для подсистем компьютера и периферийного

оборудования.

ACPI позволяет операционной системе непосредственно управлять питанием широкого

диапазона переносных и настольных компьютеров, серверов и периферийных устройств.

ACPI является основой промышленной инициативы OnNow, которая позволяет

производителям систем поставлять компьютеры, которые запускаются прикосновением к клавише

на клавиатуре.

ACPI необходим для использования всех преимуществ управления питанием и технологии Plug

and Play в Windows. Чтобы изменить параметры управления электропитанием, позволяющие

реализовать преимущества ACPI, используйте компонент «Электропитание» на панели управления.

Во время установки Windows ACPI активизируется только в том случае, если присутствуют все

компоненты управления электропитанием. Некоторые компоненты, особенно устаревшие, не

поддерживают управление электропитанием, что может вызвать ошибки в работе программы

«Автоматического управления электропитанием» (АРМ) или помешать установке ACPI. Примеры

таких компонентов - это шина ISA (Industry Standard Architecture) и устаревшая система BIOS.

2.10. Двуядерные процессоры Intel и AMD

Недавно Intel и AMD выпустили свои первые двуядерные процессоры, что означает

проникновение профессиональных технологий в потребительский сегмент. Очевидно, что эти

процессоры представляют собой один из вариантов многопроцессорных систем.

2.10.1. Классификация многопроцессорных систем

1. SMP-системы (Symmetrical Multi Processor systems). В подобной системе все процессоры

имеют совершенно равноправный доступ к общей оперативной памяти. Работать с такими

системами программистам удобно, поскольку не возникает никаких специфичных «особенностей»,

связанных с архитектурой компьютера. Но, к сожалению, создавать подобные системы крайне

трудно: 2-4 процессора – практический предел для стоящих разумные деньги SMP-систем.

2. NUMA-системы (Non-Uniform Memory Access systems). Память становится

«неоднородной»: один её блок быстрее, другой – медленнее, т.е. время отклика для них различно.

В системе при этом образуются своеобразные «островки» со своей быстрой «локальной»

оперативной памятью, соединенные относительно медленными линиями связи. Обращения к

«своей» памяти происходят быстро, к «чужой» - медленнее, причем чем дальше чужая память

расположена, тем медленнее получается доступ к ней. Создавать NUMA-системы значительно

проще, чем SMP, а вот программы писать сложнее – без учета неоднородности памяти

эффективную программу для NUMA написать невозможно.

3. Наконец, последний тип многопроцессорных систем – кластеры. Берут некоторое

количество «почти самостоятельных» компьютеров (узлы кластера или «ноды») и объединяют их

быстродействующими линиями связи. Общей памяти здесь может и не быть вообще, но и здесь её

несложно реализовать, создав существенно неоднородную NUMA-систему. На практике обычно

удобнее работать с кластером в «явном» виде, явно описывая в программе все пересылки данных

между его узлами. То есть, если для NUMA еще можно создавать программы, почти не

задумываясь над тем, как система работает и откуда берутся необходимые для работы потоков

данные, то при работе с кластером требуется очень четко планировать, кто, что и где делает. Это

очень неудобно для программистов и вдобавок, накладывает существенные ограничения на

применимость кластерных систем. Но зато кластер – это очень дешево.

Intel сегодня предпочитает создавать SMP-системы; AMD, IBM и Sun - те или иные варианты

NUMA. Основная «область применения» кластеров – суперкомпьютеры.

2.10.2. Многоядерные процессоры

Основные этапы в истории создания двуядерных процессоров таковы:

 1999 год – анонс первого двуядерного процессора в мире (IBM Power4 для серверов);

 2001 год – начало продаж двуядерного IBM Power4;

 2002 год – почти одновременно AMD и Intel объявляют о перспективах создания своих

двуядерных процессоров;

 2002 год – выход процессоров Intel Xeon и Intel Pentium 4 с технологией Hyper-Threading,

обеспечивающей виртуальную двухпроцессорность на одном кристалле;

 2004 год – свой двуядерный процессор выпустила Sun (UltraSPARC IV);

 2004 год – IBM выпустила второе поколение своих двуядерных процессоров (IBM Power5).

Каждое процессорное ядро Power5 поддерживает аналог технологии Hyper-Threading;

 2005 год, 18 марта – Intel выпустила первый в мире двуядерный процессор архитектуры

x86;

 2005 год, 21 марта – AMD анонсировала полную линейку серверных двуядерных

процессоров Opteron, анонсировала десктопные двуядерные процессоры Athlon 64 X2 и

начала поставки двуядерных Opteron 8xx;

 2005 год, 20-25 мая – AMD начинает поставки двуядерных Opteron 2xx;

 2005 год, 26 мая – Intel выпускает двуядерные Pentium D для массовых ПК;

 2005 год, 31 мая – AMD начинает поставки Athlon 64 X2.

Идея многоядерного процессора выглядит на первый взгляд совершенно тривиальной: просто

упаковываем два-три (или более) процессора в один корпус - и компьютер получает возможность

исполнять несколько программных потоков одновременно. Конкретные её реализации в недавно

вышедших настольных процессорах AMD и Intel заметно различаются. Различаются настолько, что

сугубо «количественные» мелочи в конечном итоге переходят в качественные различия между

процессорами этих двух компаний.

Проанализируем различия в подходах при создании этих микропроцессоров и оценим

предполагаемую производительность.

2.10.2.1 Intel Smithfield

При создании многоядерных процессоров для настольных ПК фирма Intel предпочла пойти на

первых порах по пути наименьшего сопротивления, продолжив традиции создания привычных для

себя SMP-систем с общей шиной. Выглядит подобная MP-система чрезвычайно просто: один

чипсет, к которому подключается вся оперативная память, и одна процессорная шина, к которой

подключены все процессоры:

В случае двуядерных процессоров Smithfield два обычных ядра, аналогичных Prescott, просто

расположены рядом на одном кристалле кремния и электрически подключены к одной (общей)

системной шине. Никакой общей схемотехники у этих ядер нет.