|
TwojePC.pl © 2001 - 2024
|
 |
RECENZJE | Technika. Droga ku wydajności |
 |
| |
|
Technika. Droga ku wydajności
Autor: Zbyszek | Data: 23/04/07
| |
|
Kłopotliwe przeskoki
Aby jednak atrakcji nie było za mało, całą sytuacje dodatkowo bardzo skomplikowały rozkazy takie jak rozgałęzienia czy instrukcje warunkowe. Instrukcje te są wykonywane lub nie, w zależności od wyników wcześniejszych instrukcji programu, i mogą ( lecz nie muszą ), powodować przeskok do innego fragmentu kodu. W efekcie procesor nie wie, czy skok zostanie wykonany, czy też nie.
Wykonanie przeskoku niesie za sobą dość poważne konsekwencje, a mianowicie unieważnienie całej następującej po nim zawartości potoku. Każdorazowo po wykonaniu przeskoku, konieczne jest wstrzymanie potoków, opróżnienie ich zawartości, i ponowne pobranie instrukcji, począwszy od rozkazu, do którego wykonany został przeskok. A co w wypadku, gdy instrukcja do której program skacze znajduje się w pamięci operacyjnej?
Wówczas cały proces przeładowywania potoków, trwający przeciętnie kilkadziesiąt taktów zegara wydłuża się o kilkaset cykli zegara, niezbędnych do wykonania komunikacji z pamięcią operacyjną celem pobrania owej instrukcji.
Co gorsza, taka konieczność zachodzi praktycznie zawsze, bo stosunkowo niewielka pamięć podręczna procesora mieści tylko bardzo mały fragment całego programu znajdującego się w pamięci operacyjnej. Przeładowanie potoków połączone z koniecznością czasochłonnego pobrania instrukcji, do której wykonywany jest skok, powoduje oczywiście stosunkowo długą przerwę w wykonywaniu rozkazów, i drastycznie wpływa na spadek wydajności całego procesora.
Aby jednak tak bardzo niekorzystna sytuacja nie miała miejsca za każdym razem wystąpienia przeskoku, w Pentium zastosowane zostało rozwiązanie pozwalające znacznie przyśpieszyć przeładowywanie potoków. Jakim sposobem? Skoro instrukcja i tak będzie musiała zostać pobrana z pamięci, praktycznie za każdym razem wykonania przeskoku, należy sprawić, by jej pobranie nie zatrzymywało pracy całego procesora na kilkaset cykli zegara. Jak? Po prostu - zacząć ją wcześniej pobierać!
W tym celu w układzie zaimplementowano system predykcji rozgałęzień programu, pozwalający znacznie przyśpieszyć pobranie z pamięci instrukcji, do której wykonywany jest skok. Rozwiązanie to szybko stało się standardem, i dziś jest wykorzystywane przez każdy procesor x86.
Zadaniem systemu predykcji rozgałęzień jest nieustanna analiza przetwarzanego programu, czyli ciągu instrukcji, w celu sprawdzenia czy wczytywane instrukcje warunkowe i rozgałęzienia, spowodują przeskok do innego fragmentu kodu, czy nie, i wykonywana będzie dalsza kolejna części kodu. Dlatego system ten wyposażono w zaawansowane algorytmy prognozujące. Jeżeli system wytypuje, że skok zostanie wykonany, odpowiednia instrukcja jest natychmiast, jeszcze przed wykonaniem przeskoku, pobierana z pamięci operacyjnej do pamięci cache układu.
Dzięki temu, w momencie wykonania przeskoku, proces przeładowywania potoków nie musi już oczekiwać na konieczność czasochłonnego pobierania owej instrukcji z pamięci RAM, bo ta znajduje się już w pamięci cache układu. W efekcie przeładowywanie potoków trwa zdecydowanie krócej, co nie pozostaje bez pozytywnego wpływu na wydajność CPU.
Jeżeli natomiast dojdzie do pomyłki w przewidywaniach, w pamięci cache procesora nie znajdą się potrzebne instrukcje, które powinny być właśnie wykonywane i praca potoków wykonawczych zostanie zatrzymana do czasu ich pobrania z pamięci. Z tego powodu trafność przewidywań systemu predykcji skoków, jest kluczowa dla wydajności całego procesora.
W celu osiągnięcia jak największej skuteczności w przewidywaniu skoków, system ten wyposażono także w możliwość sprawdzania historii ostatnio wykonywanego przez procesor kawałka kodu. W efekcie tego sprawdzone zostaje też, czy aktualnie wczytywana instrukcja, mogąca potencjalnie spowodować przeskok, była już wcześniej wykonywana, a jeżeli tak, to jak się wówczas zachowała. Może to nieść cenną podpowiedź, i ułatwić prognozę, jak teraz zachowa się właśnie wczytywany rozkaz.
Okazało się to szczególnie pomocne, w przypadku wykonywania wielokrotnie powtarzających się skoków.
System predykcji rozgałęzień zastosowany w Pentium, cechował się trafnością predykcji wynoszącą około 80%, i przyczynił się do znacznego zniwelowania strat wydajności, powodowanych przez konieczność przeładowywania potoków, połączoną z czasochłonnym odwołaniem do pamięci operacyjnej.
Jednak pozostałe problemy zachodzące w potokach wykonawczych, doprowadzające do ich częstego wstrzymywania i w efekcie dużego spadku wydajności procesora, takie jak instrukcje bezpośrednio odwołujące się do pamięci operacyjnej, czy zależności zachodzące pomiędzy instrukcjami znajdującymi się w równoległych potokach, wciąż występowały.
Konieczne stało się wymyślenie, wzorem systemu predykcji rozgałęzień, rozwiązań w jak największym stopniu minimalizującym ich negatywne skutki. Na to potrzeba było czasu.
|
|
|
|
 |
 |
 |
|
|
|
poprzednia strona (Przetwarzanie potokowe i x86 - mieszanka wybuchowa) 
