Уровни кэша
Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. В универсальном процессоре в настоящее время число уровней может достигать 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости доступа и передаче данных, чем кэш-память уровня N.
Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. В современных процессорах обычно кэш L1 разделен на два кэша, кэш команд (инструкций) и кэш данных (Гарвардская архитектура). Большинство процессоров без L1 кэша не могут функционировать. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт. Зачастую является возможным выполнять несколько операций чтения/записи одновременно. Латентность доступа обычно равна 2?4 тактам ядра. Объём обычно невелик — не более 128 Кбайт.
Вторым по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня, обычно он расположен на кристалле, как и L1. В старых процессорах — набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 Кбайт до 1?12 Мбайт. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в nM Мбайт на каждое ядро приходится по nM/nC Мбайта, где nC количество ядер процессора. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра.
Кэш третьего уровня наименее быстродействующий, но он может быть очень внушительного размера — более 24 Мбайт. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании и предназначен для синхронизации данных различных L2.
Иногда существует и 4 уровень кэша, обыкновенно он расположен в отдельной микросхеме. Применение кэша 4 уровня оправдано только для высоко производительных серверов иМейнфреймов.
Проблему синхронизации между различными кэшами (как одного, так и множества процессоров) решается Когерентностью кэша. Существует три варианта обмена информацией между кэш-памятью различных уровней, или, как говорят, кэш-архитектуры: инклюзивная, эксклюзивная и неэксклюзивная.
Инклюзивная архитектура предполагает дублирование информации кэша верхнего уровня в нижнем (предпочитает фирма Intel).
Эксклюзивная кэш-память предполагает уникальность информации, находящейся в различных уровнях кэша (предпочитает фирма AMD).
В неэксклюзивной кэши могут вести себя как угодно.
Все преимущества в использовании кэш-памяти относятся, в основном, к операциям чтении информации. При выполнении операций записи процессор передает в контроллер памяти команду записи и записываемые данные. На этом действия процессора по записи заканчиваются. Процессор может терять время на ожидание окончания записи, только при последующих обращениях к памяти. Команда записи может относиться к данным в формате меньшей номинальной ширины обращения к оперативной памяти, например в формате байта или слова, вместо двойного слова. В этих случае временные потери могут быть увеличены. Это операции чтения "с намерением записи", которые реализуются последовательностью операций: чтение, модификация, запись.
№28. Понятие системы команд процессора. RISC и CISC архитектура процессора. Основные отличия.
Система команд - это набор допустимых для данного процессора управляющих кодов и способов адресации данных. Система команд жестко связана с конкретным типом процессора, поскольку определяется аппаратной структурой блока дешифрации команд, и обычно не обладает переносимостью на другие типы процессоров.
С физической точки зрения код команды ничем не отличается от обычных данных в двоичном коде, размещенных в памяти вычислителя. Конкретный двоичный код воспринимается и обрабатывается процессором как команда в том случае, когда он попадает в процессор в фазе чтения кода команды.
С логической точки зрения в двоичном коде команды существуют группы разрядов – поля – с различным функциональным назначением.
Система команд процессора - обеспечивает выполнение программой действий по обработке данных. Большинство команд в системе команд процессора имеет прикладное назначение, однако в некоторые команды из набора команд процессора предназначены для организации управления вычислительным процессом и, таким образом, непосредственно поддерживают функционирование ОС.
Архитектуры CISC и RISC
Здесь рассматриваются базовые свойства архитектур CISC и RISC, а также особенности интеграции элементов RISC-архитектуры в процессорах x86. Особое внимание уделяется описанию преимуществ и недостатков этой интеграции. Показано естественность взаимообогащения CISC и RISC-процессоров эффективными аппаратно-программными решениями, а также практичность развития процессоров в этом направлении. Последнее проявилось в удлинении сроков разработки CISC-процессоров, а также в проявлении различных ошибок в их работе. Кроме того, нерегулярность потока команд ограничила развитие топологии временным параллелизмом обработки инструкций на конвейере "выборка команды- дешифрация команды- выборка данных- вычисление- запись результата". двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.
Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC – Reduced Instruction Set Computer). традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research. Однако окончательно понятие RISC в современном его понимании сформировалось на базе трех исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.
Среди других особенностей RISC -архитектур следует отметить наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 – 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные.
Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.
Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд. Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники для повышения производительности, обычно применяемой в процессорах RISC: реализацию задержанных переходов и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.
Следует отметить, что в последних разработках компании Intel (имеются в виду Pentium и Pentium Pro), а также ее последователей-конкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются. Однако сложность архитектуры и системы команд x86 остается и является главным фактором, ограничивающим производительность процессоров на ее основе.
Преимущества и недостатки архитектуры PA-RISC компании Hewlett Packard
Внутренняя память: организация и основные характеристики, аппаратное исполнение.
Виды внутренней памяти
Выделяют два основных вида памяти – оперативная и дисковая. Рассмотрим подробнее внутреннюю память компьютера, которая физически представлена модулями (микросхемами) оперативной (ОЗУ или RAM) и постоянной (ПЗУ или ROM) памяти.
Во внутренней памяти записываются коды команд подлежащей выполнению программы. Они последовательно считываются в процессор для анализа (дешифрации) и выполнения. Обращение к внутренней памяти так же производится при выполнении различных команд микропроцессора при указании в команде прямо или косвенно адреса операндов в памяти.
Оперативная память обеспечивает запись, считывание и хранение информации. Для построения ОЗУ используют микросхемы статической и динамической памяти.
Оперативная память (ОП) предназначена для временного хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами. Это энергозависимая память. Физически реализуется в модулях ОЗУ (оперативных запоминающих устройствах) различного типа. При выключении электропитания вся информация в оперативной памяти исчезает.
Объём хранящейся информации в ОЗУ составляет от 32 до 512 Мбайт и более. Занесение информации в память и её извлечение, производится по адресам. Каждый байт ОП имеет свой индивидуальный адрес (порядковый номер). Адрес – число, которое идентифицирует ячейки памяти (регистры). ОП состоит из большого количества ячеек, в каждой из которых хранится определенный объем информации. ОП непосредственно связана с процессором. Возможности ПК во многом зависят от объёма ОП.
Кеш память - очень быстрая память малого объема служит для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств различной скорости.
Специальная - постоянная, Fiash, видеопамять и тд.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – энергонезависимая память для хранения программ управления работой и тестирования устройств ПК.Важнейшая микросхема ПЗУ – модуль BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода/вывода), в котором хранятся программы автоматического тестирования устройств после включения компьютера и загрузки ОС в оперативную память. Это Неразрушимая память, которая не изменяется при выключении питания
Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) – энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого
CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) - память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, о режимах его работы. Содержимое изменяется программой, находящейся в BIOS (Basic Input Output System).
Видеопамять – запоминающее устройство, расположенное на плате управления дисплеем и предназначенное для хранения текстовой и графической информации, отображаемой на экране. Содержимое этой памяти сразу доступно двум устройствам – процессору и дисплею, что позволяет изменять изображение на экране одновременно с обновлением видеоданных в памяти.