Архитектура x86

Процессор «крупноблочно»

Кэш

Общее описание и принцип действия

Во всех современных процессорах есть кэш (по-английски — cache). Кэш — это некая особенная разновидность памяти (основная особенность, кардинально отличающая кэш от ОЗУ — скорость работы), которая является своего рода «буфером» между контроллером памяти и процессором. Служит этот буфер для увеличения скорости работы с ОЗУ. Каким образом? Сейчас попытаемся объяснить. При этом мы решили отказаться от попахивающих детским садом сравнений, которые частенько встречаются в популяризаторской литературе на процессорную тематику (бассейны, соединённые трубами разного диаметра, и т.д. и т.п.). Всё-таки человек, который дочитал статью до этого места, и не заснул — наверное, способен выдержать и «переварить» чисто техническое объяснение, без бассейнов, кошечек и одуванчиков.

Итак, представим, что у нас есть много сравнительно медленной памяти (пусть это будет ОЗУ размером 10'000'000 байт) и относительно мало очень быстрой (пусть это будет кэш размером всего 1024 байта). Как нам с помощью этого несчастного килобайта увеличить скорость работы со всей памятью вообще? А вот здесь следует вспомнить, что данные в процессе работы программы, как правило, не бездумно перекидываются с места на место — они изменяются. Считали из памяти значение какой-то переменной, прибавили к нему какое-то число — записали обратно на то же место. Считали массив, отсортировали по возрастанию — опять-таки записали в память. То есть в один какой-то момент программа работает не со всей памятью целиком, а, как правило, с относительно маленьким её фрагментом. Какое решение напрашивается? Правильно: загрузить этот фрагмент в «быструю» память, обработать его там, а потом уже записать обратно в «медленную» (или просто удалить из кэша, если данные не изменялись). В общем случае, именно так и работает процессорный кэш: любая считываемая из памяти информация попадает не только в процессор, но и в кэш. И если эта же информация (тот же адрес в памяти) нужна снова, сначала процессор проверяет: а нет ли её в кэше? Если есть — информация берётся оттуда, и обращения к памяти не происходит вовсе. Аналогично с записью: информация, если её объём влезает в кэш — пишется именно туда, и только потом, когда процессор закончил операцию записи, и занялся выполнением других команд, данные, записанные в кэш, параллельно с работой процессорного ядра «потихоньку выгружаются» в ОЗУ.

Разумеется, объём данных, прочитанных и записанных за всё время работы программы — намного больше объёма кэша. Поэтому некоторые из них приходится время от времени удалять, чтобы в кэш могли поместиться новые, более актуальные. Самый простой из известных механизмов обеспечения данного процесса — отслеживание времени последнего обращения к данным, находящимся в кэше. Так, если нам необходимо поместить новые данные в кэш, а он уже «забит под завязку», контроллер, управляющий кэшем, смотрит: к какому фрагменту кэша не происходило обращения дольше всего? Именно этот фрагмент и является первым кандидатом на «вылет», а на его место записываются новые данные, с которыми нужно работать сейчас. Вот так, в общих чертах, работает механизм кэширования в процессорах. Разумеется, приведенное выше объяснение весьма примитивно, на самом деле всё ещё сложнее, но, надеемся, общее представление о том, зачем процессору нужен кэш и как он работает, вы получить смогли.

А для того чтобы было понятно, насколько важен кэш, приведем простой пример: скорость обмена данными процессора Pentium 4 со своим кэшам более чем в 10 раз (!) превосходит скорость его работы с памятью. Фактически, в полную силу современные процессоры способны работать только с кэшем: как только они сталкиваются с необходимостью прочитать данные из памяти — все их хваленые мегагерцы начинают просто «греть воздух». Опять-таки, простой пример: выполнение простейшей инструкции процессором происходит за один такт, то есть за секунду он может выполнить такое количество простых инструкций, какова его частота (на самом деле еще больше, но это оставим на потом…). А вот время ожидания данных из памяти может в худшем случае составить более 200 тактов! Что делает процессор, пока он ждет нужных данных? А ничего он не делает. Просто стоит и ждет…

Многоуровневое кэширование

Специфика конструирования современных процессорных ядер привела к тому, что систему кэширования в подавляющем большинстве CPU приходится делать многоуровневой. Кэш первого уровня (самый «близкий» к ядру) традиционно разделяется на две (как правило, равные) половины: кэш инструкций (L1I) и кэш данных (L1D). Это разделение предусматривается так называемой «гарвардской архитектурой» процессора, которая по состоянию на сегодня является самой популярной теоретической разработкой для построения современных CPU. В L1I, соответственно, аккумулируются только команды (с ним работает декодер, см. ниже), а в L1D — только данные (они впоследствии, как правило, попадают во внутренние регистры процессора). «Над L1» стоит кэш второго уровня — L2. Он, как правило, больше по объёму, и является уже «смешанным» — там располагаются и команды, и данные. L3 (кэш третьего уровня), как правило, полностью повторяет структуру L2, и в современных x86 CPU встречается редко. Чаще всего, L3 — это плод компромисса: за счёт использование более медленной и узкой шины, его можно сделать очень большим, но при этом скорость L3 всё равно остаётся более высокой, чем скорость памяти (хотя и не такой высокой, как у L2-кэша). Тем не менее, алгоритм работы с многоуровневым кэшем в общих чертах не отличается от алгоритма работы с одноуровневым, просто добавляются лишние итерации: сначала информация ищется в L1, если её там нет — в L2, потом — в L3, и уже потом, если ни на одном уровне кэша она не найдена — идёт обращение к основной памяти (ОЗУ).

Декодер

На самом деле, исполнительные блоки всех современных десктопных x86-процессоров... вовсе не работают с кодом в стандарте x86. У каждого процессора есть своя, «внутренняя» система команд, не имеющая ничего общего с теми командами (тем самым «кодом»), которые поступают извне. В общем случае, команды, исполняемые ядром — намного проще, «примитивнее», чем команды стандарта x86. Именно для того, чтобы процессор «внешне выглядел» как x86 CPU, и существует такой блок как декодер: он отвечает за преобразование «внешнего» x86-кода во «внутренние» команды, исполняемые ядром (при этом достаточно часто одна команда x86-кода преобразуется в несколько более простых «внутренних»). Декодер является очень важной частью современного процессора: от его быстродействия зависит то, насколько постоянным будет поток команд, поступающих на исполняющие блоки. Ведь они неспособны работать с кодом x86, поэтому то, будут они что-то делать, или простаивать — во многом зависит от скорости работы декодера. Достаточно необычный способ ускорить процесс декодирования команд реализовала в процессорах архитектуры NetBurst компания Intel — см. ниже про Trace cache.

Исполняющие (функциональные) устройства

Пройдя через все уровни кэша и декодер, команды наконец-то попадают на те блоки, ради которых вся эта катавасия и устраивалась: исполняющие устройства. По сути, именно исполняющие устройства и являются единственно необходимым элементом процессора. Можно обойтись без кэша — скорость снизится, но программы работать будут. Можно обойтись без декодера — исполняющие устройства станут сложнее, но работать процессор будет. В конце концов, ранние процессоры архитектуры x86 (i8086, i80186, 286, 386, 486, Am5x86) — как-то без декодера обходились. Без исполняющих устройств обойтись невозможно, ибо именно они исполняют код программы. В самом первом приближении они традиционно делятся на две больших группы: арифметико-логические устройства (ALU) и блок вычислений с плавающей точкой (FPU).

Добавить комментарий