Полтавський Військовий ІнститутЗв’язку
Кафедрасхемотехніки радіоелектронних систем
ЗАТВЕРДЖУЮ
Начальник кафедри № 3
полковник ____________О.І.Тиртишніков
“___” _______________2006 р.
ЛЕКЦІЯ
знавчальної дисципліни
ОБЧИСЛЮВАЛЬНА ТЕХНІКА ТА МІКРОПРОЦЕСОРИ
напрямпідготовки 0924 «Телекомунікації»
Розділ № 2. Мікропроцесорні системи.
Змістовиймодуль № 7 Підвищенняпродуктивності
мікропроцесорнихсистем.
Тема № 10. Підвищення продуктивностімікропроцесорних систем.
Заняття: № 1. Багатоядерні МП табагатопроцесорні МПС.
Лекція обговорена і схвалена назасіданні
предметно-методичної комісії
Протокол № ____ від ________
Полтава– 2006
Навчальна література.
1. Мікропроцесорнатехніка: Підручник/ Ю.І. Якименко та інш. – К.: ІВЦ Політехніка; Кондор, 2004.с. 235-240.
2. КравчукС.О., Шохін В.О. Основи комп’ютерної техніки: Компоненти, системи, мережі:Навч. Посіб. – К.: ІВЦ Політехніка; Каравела, 2005. с. 85-86, 287-290.
ВСТУП
Цілком зрозуміло,що постійне розширення та ускладнення кола задач, що вирішуються за допомогоюзасобів обчислювальної техніки – як універсальних, так і спеціалізованих –потребує постійного підвищення продуктивності (швидкодії) МП і МПСрізноманітного призначення. До основних напрямків підвищення продуктивності МПта МПС можна віднести наступне:
1. Вдосконаленняіснуючих архітектур МП та МПС, сучасної елементної бази обчислювальної техніки.
2. Розробка принциповонових архітектур МП та МПС, що базуються на нетрадиційних методах організаціїобчислень та використанні нової елементної бази.
В даної лекціїрозглядаються методи та способи підвищення продуктивності МП та МПС, що можутьбути віднесені до першого напрямку. Загальні відомості про принципово новіархітектури МП та МПС, що базуються на нетрадиційних методах організаціїобчислень та використанні нової елементної бази, будуть розглянути на наступноїлекції.
Вдосконаленнясучасної кремній-напівпровідникової елементної бази обчислювальної техніки відбувається,головним чином, у напрямку зменшення розмірів базових транзисторних ключів, щонадає можливість підвищення ступеню інтеграції мікросхем та підвищення тактовоїчастоти вузлів МП та МПС.
1. Основнінапрями вдосконалення архітектури сучасних
обчислювальнихсистем
Для виділеннянапрямків розвитку існуючих архітектур МП та МПС, нагадаємо їх узагальненукласифікацію.
Узагальненакласифікація обчислювальних систем за архітектурними ознаками. базується напоняттях потоку команд – I та потоку даних – D в обчислювальнійструктурі. При цьому розрізняють: одинарний потік – S; множинний потік — M.
SISD— одинарний потік команді одинарний потік даних. Управління здійснює одинарна послідовність команд, кожна з якихзабезпечує виконання однієї операції і далі передає управління наступнійкоманді.
MISD--множинний потік команді одинарний потік даних. Має також назву конвеєра обробки даних. Вона становитьланцюжок послідовно сполучених процесорів (мікропроцесорів), що управляютьсяпаралельним потоком команд. На вхід конвеєра з пам’яті подається одинарнийпотік даних.
SIMD — одинарний потік команд і множинний потік даних. Процесор таких машин має матричнуструктуру, в вузлах якої включена велика кількість порівняно простихшвидкодіючих процесорних елементів. Одинарний потік команд виробляє одинзагальний пристрій управління. При цьому всі процесорні елементи виконуютьодночасно одну і ту ж команду, але над різними операндами, які доставляються зпам’яті множинним потоком.
МIMD— множинні потоки команді даних.До таких структур відносяться багатопроцесорні і багатомашинні обчислювальнісистеми. Гнучкість MIMD структур дозволяє організувати сумісну роботуЕОМ або процесорів за розпаралеленою програмою при рішенні одного складногозавдання або роздільну роботу всіх ЕОМ при одночасному рішенні безлічі завданьпоза незалежним програмам.
Як розглядалосяраніше, гарвардська архітектура, порівняно з нейманівською, має більшіпотенціальні можливості з точки зору підвищення продуктивності, тому і сталабазовою для побудови МП і МПС, що працюють у реальному масштабі часу –мікроконтролерів та процесорів цифрових сигналів. Але нейманівська, абокласична, архітектура є більш гнучкою, тому універсальні МП та ПЕОМ будуютьсяпереважно на її основі.
Очевидно, що зточки зору узагальненої класифікації, і нейманівська, і гарвардськаархітектури, що розглядалися у попередніх темах – це різновиди найпростішої SISD — архітектури.
Неважко помітити,що всі інші, більш складні архітектури, так чи інакше, базуються на конвеєризаціїта розпаралелюванні обчислень – як на рівні МП, та к і на рівні МПС. Це –основні напрями підвищення продуктивності всіх сучасних обчислювальних систем.
Крім конвеєризаціїта розпаралелювання обчислень, у сучасних МП та МПС застосовується ще великакількість архітектурних (та технологічних) рішень, що сприяють підвищенню їхшвидкодії:
1. Поступовийперехід від паралельних системних та зовнішніх інтерфейсів до послідовних (наприклад, шини PCIExpress та USB у ПК). Як вже розглядалосяраніше, це пов’язано с тим, що зі збільшенням тактової частоти порушуєтьсясинхронізація сигналів, що передаються по окремим лініям паралельної шини.
2.Застосування RISK — ядра у універсальних МП.
Нагадаємо, що CISC- архітектура (повна система команд-- Complicated Instruction Set Computer) більш підходить для побудовиуніверсальних МП, але RISC-архітектура (скорочена система команд — ReducedInstruction Set Computer) забезпечує, у багатьох випадках, більшу швидкодіюМП за рахунок можливості більш глибокої конвеєризації обчислень. Тому сучасніуніверсальні МП, залишаючись для користувача CISC – процесорами, частомають RISC –ядро.
3. Інтеграціябільшості контролерів периферійних та комунікаційних пристроїв безпосередньо ускладі системних плат ПК (аудіо, відео, мережеві контролері, модеми та ін.). Такаінтеграція зменшує час проходження сигналів між окремими компонентамиобчислювальної системи, що позитивно впливає на загальну швидкодію системи.
4. Збільшеннярозрядності МП (внутрішньої та зовнішньої шин даних). Зрозуміло, що збільшеннярозрядності ШД, наприклад, з 32 до 64 розрядів, дозволяє передавати удвічібільший обсяг інформації за той самий інтервал часу.
5.Широке застосування багаторівневої кеш- пам’яті.
Збільшення ємності пам'яті МПС зумовлюєзниження швидкодії операцій обміну інформацією між процесором та модулемпам'яті. Навіть за час звернення до пам'яті, що дорівнює 70 нс, неможливоотримати потрібну інформацію за один тактовий цикл шини.Це призводить до потреби виконання тактів очікування упроцесі роботи процесора для того, щоб час звернення до пам'яті був узгодженийіз часом виконання команди у процесорі. Підвищення швидкодії обміну інформацієюможливе через реалізацію додаткової пам'яті порівняно невеликої ємності,звернення до якої відбувається на тактовій частоті процесора. Така пам'ятьотримала назву кеш-пам 'яті або буферної пам 'яті. Кеш-пам'ятьреалізується на основі ВІС ОЗП статичного типу. Інформаційнаємність та принцип організації кеш-пам'яті є однимиз основних чинників, що визначають продуктивність роботи МПС.
Кеш-пам'ять використовують не тільки дляобміну даними між МП і ОЗП, але й для обміну між ОЗП ізовнішніми накопичувачами. В основу роботи кеш-пам'яті покладено принципичасової і просторової локальностей програм.
Принцип часової локальності полягає в тому, що під час зчитування будь-яких даних із пам'яті існуєвисока ймовірність звернення програми протягом деякого невеликого проміжку часузнову до них.
Принцип просторової локальності ґрунтується на високій імовірності того,що програма через деякий невеликий проміжок часу звернеться до комірки пам'яті,наступної за тією, до якої вона зверталася перед цим.
Згідно з принципом часової локальностіінформацію у кеш-пам'яті доцільно зберігати протягомдеякого часу, а принцип просторової локальності вказує на доцільністьрозміщення у кеш-пам'яті вмісту декількох сусідніх комірок, тобто певного блокуінформації. Лінійні ділянки програм (без переходів) убільшості випадків не перевищують 3-5 команд, томунедоцільно використовувати блоки інформації, ємність яких перевищує ємність пам'яті, потрібну для зберігання 3-5 команд. Як правило, інформація з основної пам'яті завантажується у кеш-пам'ять блоками по 2-4слова і зберігається там деякий час.
Під час звернення процесора до пам'ятіспочатку перевіряють наявність у кеш-пам'яті даних, якізапитують, і якщо їх немає, здійснюють завантаження у кеш-пам'ять потрібноїінформації. Правильна організація роботи кеш-пам'ятізабезпечує підвищення швидкодії системи, оскільки у більшості випадків відбувається звернення процесора до кеш-пам'яті, а не добільш повільної основної оперативної пам'яті.
В сучасних МП кеш-пам'ять команд та даних розділені дляпопередження конфліктів при одночасної їх вибірки. Крім того, кеш-пам'ять будуєтьсяза ієрархічним, багаторівневим принципом. Наприклад, МП PentiumIV і Xeon кеш-пам'ятьтрьох рівнів.
Кеш-пам'ять першого рівня L1 називають такожвнутрішньою кеш-пам'яттю. Це найбільш швидкодіюча, але й найменша за ємністюкеш-пам'ять. Цю пам'ять розділено на два блоки: кеш-пам'ять даних і кеш-пам'ятькоманд (по 8… 16 кбайт).
Кеш-пам'ять команд L1, названа востанніх моделях PentiumIV кеш-пам'яттю трасуваннявиконання ETC(ExecutionTraceCache), міститьмікрокоманди, декодовані вузлом завантаження-дешифрування в блоці обробленнякоманд.
Кеш-пам 'ять даних L1 використовуютьдля завантаження і зберігання всіх типів даних: цілих, із плаваючою точкою імультимедійних. Звернення до цієї пам'яті виконується двічі протягом одноготакту.
Якщо дані не знайдено в кеш-пам'яті L1, то виконуєтьсязвернення до менш швидкодіючої, але більшої за ємністю (від 256 кбайт до 1Мбайт) кеш-пам'яті другого рівня (L2). Спочатку цякеш-пам'ять розміщувалася на материнській платі, тому її інколи називають такожзовнішньою кеш-пам'яттю. Кеш-пам'ять L2 виконано у вигляді одногоблоку. Кеш-пам'ять передає 32 байт протягом одного такту процесора і дляпроцесора, тактова частота якого 3,4 ГГц; швидкість обміну досягає 108,8Гбайт/с.
У свою чергу, якщо дані не знайдено в кеш-пам'яті L2, то за допомогою системноїшини виконується звернення до оперативної пам'яті.
У блок кеш-пам'яті останніх моделей процесорів PentiumIV і Хеоп міжкеш-пам'яттю L2 і системною шиною добавлено кеш-пам 'ять третього рівня (L3). Ця найменшшвидкодіюча пам'ять має ємність від 512 кбайт до 2 Мбайт. Кеш-пам'ять L3 також виконано увигляді одного блоку.
2.Конвеєризація обчислень та багатоядерні МП.
Конвеєрну (MISD)архітектуру ЕОМ запропонував академік С.А. Лебедєв в 1956 році (рис.1).
/>
Рис. 1. Обробленняданих у обчислювальної системі конвеєрної (MISD)архітектури.
Ця структура реалізується у вигляді ланцюжка послідовноз'єднаних процесорів, тому інформація на виході одногопроцесора є вхідною інформацією для іншого процесора,тобто процесори утворюють процесорний конвеєр. В окремому потоці данихланцюжка операнди з пам'яті спрямовуються на вхід конвеєра. Кожний процесор обробляє відповідну частину завдання,передаючи результати сусідньому процесору, що використовує їх як вихідні дані.Отже, розв'язання задач з деякими вихіднимиданими розгортається послідовно в конвеєрному ланцюжку. Це забезпечується підведенням до кожного процесора свого потокукоманд, тобто формується множиннийпотік команд.
Як тільки конвеєр заповнюється,вихідний процесор видає результати для послідовності вхідних даних через дужекороткі інтервали часу, хоча дійсний час проходженнякоманд через конвеєр може бути значно більшим (фактично це – паралельно-послідовнийспосіб обчислень).
Слід зазначити, що розглянута схема (конвеєр з окремих процесорів, кожний з яких керується своїм потоком команд) характерна для так званих суперкомпьютерів –багатопроцесорних обчислювальних систем надвеликої обчислювальної потужності.
Але конвеєрне оброблення командна внутріпроцесорному рівні реалізовано на всіх сучаснихуніверсальних процесорах. Зрозуміло, що в цьому випадку обчислювальний конвеєрскладається не з декількох МП, а з окремих функціональних вузлів (цифровихавтоматів) того ж самого МП, кожний з яких виконує власну, спеціалізовануфункцію.
Нагадаємо, що більшість сучасних універсальних МП єсуперскалярними, тобто мають у своєму складі два обчислювальних конвеєра.
Крім того, останні моделі МП є двоядерними, тобтомають у своєму складі два однакових процесорних ядра з загальною кеш- пам’яттю,що працюють з однаковою тактовою частотою.
3.БагатопроцесорніМПС
Останнім часом набулипоширення багатопроцесорні комп'ютери, тобто комп'ютери, які містять кілька процесорів.
Функціонуваннябагатопроцесорної системи потребує виконання таких умов:
- материнська плата має підтримувати кількапроцесорів, тобто мати додаткові розніми для установлення процесорів івідповідний набір мікросхем;
- процесор має працювати в багатопроцесорнійсистемі;
- операційна система має підтримувати декількапроцесорів (такими операційними
системами є Windows NT/XP і Unix).
Багатопроцесорна системанайбільш ефективна у випадках, коли вона використовується багатозадачнимиопераційними системами і прикладними програмами, створенимиза допомогою спеціальних засобів, що дозволяють виконувати паралельне обробленняданих.
У процесі одночасної роботидекількох процесорів операційна система розподіляє різнізадачі між процесорами. Існують два режими роботи багатопроцесорних систем — асиметричний і симетричний.
У режиміасиметричного оброблення один процесор виконуєтільки задачі операційної системи, а решта процесорівреалізовують прикладні програми.
У режимісиметричного мультиоброблення — SMP (Symmetric Multi-Processing) задачі операційної системи і прикладні задачі користувачаможе виконувати будь-який процесор залежно від його завантаження. Цей режимбільш продуктивний і тому його використовують для більшостібагатопроцесорних систем.
Сучасні універсальні МПможуть одночасно виконувати кілька команд. Оскільки звернення до оперативної пам'яті і пристроїв виконується значно повільніше, ніж команди,процесор може простоювати під час таких звернень. Однак усісучасні операційні системи працюють у багатозадачному режимі, тому на процесорможна спрямовувати не один, а кілька потоків команд відрізних розв'язуваних одночасно задач. Такий режим реалізовано в останніх процесорах Pentium IV, Xeon та Itanium фірми Intel задопомогою гіперпотокової технології НТ (Hyper-ThreadingTechnology). Процесор, що підтримує цю технологію,виявляється для операційної системи як два віртуальні процесори і тому можеобробляти два рівнобіжні потоки даних. У цьому разі, за оцінками фірми Intel,продуктивність комп'ютера може підвищитися до 25 %.Реалізація гіперпотокової технології забезпечується нелише підтриманням цієї технології самим процесором, але й набороммікросхем і BIOS материнської плати та операційною системою багатопроцесорного режиму роботи.
Поняттяпро суперкомп'ютери
Суперкомп'ютери зорієнтовано на досягненнянадвисоких швидкостей оброблення інформації, підвищеннянадійності та живучості обчислювальних систем. Вони містять кілька десятків чи сотень порівняно простих (елементарних) процесорів.
Підвищення надійності, живучості тазавадостійкості суперкомп'ютерів, а тепер іінших типів комп'ютерів, досягається введенням надлишкового устаткування ізабезпеченням у разі відмов устаткування автоматичної реконфігурації системидля зберігання життєво важливихфункцій (можливо ціною втрати другорядних).
Натепер існують двіструктури побудови великих багатопроцесорних системвисокої продуктивності: матрична структура (рис.2) і структура з конвеєрнимобробленням команд (рис.1, була розглянута у попередньому навчальному питанні).
Комп'ютери, реалізовані звикористанням матричної структури, містять деякукількість однакових порівняно простих швидкодіючих процесорів (трансп’ютерів),з'єднаних між собою та пам'яттю так, що утворюється сітка(матриця), у вузлах якої розміщаються процесори. Системамістить кілька потоків даних і один загальний потік команд, тобто всі процесори виконують одночасно одну й ту саму команду (допускаєтьсяпропуск команд в окремих процесорах), але з різнимиоперандами, що доставляються процесорам з пам'яті декількомапотоками даних (SIMD – архітектура).
Основні принципи побудовизавадостійких комп'ютерів такі:
—багато однотипних пристроїв (система має містити декілька примірників однотипнихпристроїв: процесорів, модулів оперативної пам'яті, контролерів і т. ін.);
—загальні поля процесорів, оперативної пам'яті, каналів (шин) і периферійних пристроїв;
—динамічний розподіл функційміж однотипними пристроями (заздалегідь не відомо, який з однотипних пристроїв буде виконувати цю функцію і, більшетого, роботуможна почати на одному, продовжувати на другому і закінчувати на третьому пристрої);
/>
Рис.2. Оброблення даних у обчислювальної системі матричної (SIMD) архітектури.
—автоматичний контрольправильності виконання операцій (усі операції, наприклад обчислення в процесорі, виконуються на двохчи декількох пристроях і в разі розбіжності результатів операція повторюється і(чи) викликається програма автоматичної діагностики);
—динамічна реконфігурація (можливість замінювати устаткування чи модулі програмного забезпечення,що відмовили, без перерви в роботі справної частини устаткування і програмного забезпечення).
Наявність загальних полівпристроїв і динамічного розподілу функцій дозволяє комплексузберігати працездатність доти, доки залишається хоча б один справний пристрій кожного типу.
Суперкомп'ютери використовуютьсядля розв'язання особливо складних науково-технічних задач, оброблення великихобсягів даних у реальному масштабі часу, моделюванняскладних систем, автоматизованого проектування складних об'єктів, а також усистемах керування (промислових і військових).
Макет найпотужнішогосуперкомп'ютера ES (Earth Simulator) Центра моделювання Землі (Earth Simulator Center) у Йокогамі (Японія) показаний рис.3.
Цей суперкомп'ютер міститьтакі основні компоненти:
- 640 процесорних вузлів (PN — ProcessorNode), кожний з яких містить 8 суперскалярних процесорів NEC,частота яких 500 МГц. Процесор містить векторний блок з 72 векторних регістрів(кожний з регістрів має 256 векторних елементів) і використовується для виконання конвеєрних операцій для чисел із плаваючою комою;
- систему дискової пам'яті загальною ємністю250 000 Гбайт (250 Тбайт) (до кожного процесорного вузлапідключено 16 Гбайт розподіленої дискової пам'яті);
- 64 вузли мережі зв'язку (IN - — InterconnectionNode) між процесорами зі швидкістю обміну 12,3 Гбайт/с;
- архівну бібліотеку стрічкових картриджів (CTL- — Cartridge Type Library) загальною ємністю 1,5 Пбайт (1 500Тбайт).
Швидкість оброблення данихпід час тестування протягом 6 год — 35,6 1012 операцій/с.
Суперкомп'ютер ESвикористовують для моделювання глобальних і регіональних процесівв атмосфері, океанах та земній корі (зокрема, для моделювання землетрусів).
ВИСНОВОК
До основнихнапрямків підвищення продуктивності МП та МПС можна віднести наступне:
1. Вдосконаленняіснуючих архітектур МП та МПС, сучасної елементної бази обчислювальної техніки.
2. Розробкапринципово нових архітектур МП та МПС, що базуються на нетрадиційних методахорганізації обчислень та використанні нової елементної бази.
Основними напрямкамипідвищення продуктивності сучасних обчислювальних систем є конвеєризації тарозпаралелюванні обчислень – як на рівні МП, та к і на рівні МПС.
Крім конвеєризаціїта розпаралелювання обчислень, у сучасних МП та МПС застосовується ще великакількість архітектурних (та технологічних) рішень, що сприяють підвищенню їхшвидкодії:
1. Поступовийперехід від паралельних системних та зовнішніх інтерфейсів до послідовних.
2. Застосування RISK- ядра у універсальних МП.
3. Інтеграціябільшості контролерів периферійних та комунікаційних пристроїв безпосередньо ускладі системних плат ПК.
4. Збільшеннярозрядності МП.
5.Широке застосування багаторівневої кеш-пам’яті.
В дійсний час існують двіосновні структури побудови великих багатопроцесорнихсистем високої продуктивності: матрична структура і структура з конвеєрнимобробленням команд.