Назовите направления увеличения производительности процессоров.

Повышение производительности вычислительной системы идет по двум направлениям. Первое – это повышение быстродействия самого процессора, второе – это повышение скорости доставки данных и команд процессору.

Первое достигается за счет: 1) увеличением тактовой частоты; 2) расширение методов параллельной обработки данных; 3) совершенствование конвейеризации исполнения команд; 4) дублирование вычислительных средств процессора (переименование регистров ); 5) предсказание переходов; 6) спекулятивное (опережающее) выполнение операций; 7) динамическое исполнение инструкций.

Второе достигается за счет: 1) иерархической организации памяти; 2) физического приближения буферной (кэш) памяти к вычислительному устройству процессора; 3) повышения тактовой частоты шины данных; 4) расширения разрядности шины данных; 5) совершенствование архитектуры (например, расслоение) основной памяти.

Конвейеризация (pipelining) предполагает разбивку выполнения каждой инструкции на микрооперации. Каждая микрооперация выполняется отдельным блоком конвейера, причем этап исполнение команды выполняется отдельным конвейером, состоящим из 5÷20 ступеней, в зависимости от модели процессора. При выполнении, инструкция продвигается по конвейеру по мере освобождения последующих ступеней. Таким образом, на конвейере одновременно может обрабатываться несколько десятков последовательных инструкций, и производительность процессора можно оценивать темпом выхода выполненных инструкций со всех его конвейеров.

Конвейеры процессоров с суперконвейерной архитектурой имеют большее число ступеней, что позволяет упростить каждую из них и, следовательно, сократить время пребывания в них инструкций.

Суперскалярный процессор имеет более одного (Pentium — два) конвейера, способных обрабатывать инструкции параллельно. Pentium является двухпотоковым процессором (имеет два конвейера), Pentium Pro, Pentium 4–мультипотоковые.

Переименование регистров позволяет обойти архитектурное ограничение на возможность параллельного исполнения инструкций (доступно всего восемь общих регистров). Процессоры с переименованием регистров фактически имеют более восьми общих регистров, т.е. в процессоре дублируются технические ресурсы. При записи промежуточных результатов устанавливается соответствие логических имен и физических регистров.

Продвижение данных подразумевает начало исполнения инструкции до готовности всех операндов. При этом выполняются все возможные действия, и декодированная инструкция с одним операндом помещается в исполнительное устройство, где дожидается готовности второго операнда, выходящего с другого конвейера.

Предсказание переходов позволяет продолжать выборку и декодирование потока инструкций после выборки инструкции ветвления (условного перехода), не дожидаясь проверки самого условия. Предсказание переходов направляет поток выборки и декодирования по одной из ветвей.

Статический метод предсказания работает считая, что переходы по одним условиям, вероятнее всего, произойдут, а по другим — нет.

Динамическое предсказание опирается на предысторию вычислительного процесса — для каждого конкретного случая перехода накапливается статистика поведения, и переход предсказывается, основываясь именно на ней.

Исполнение по предположению, называемое также спекулятивным, идет дальше — предсказанные после перехода инструкции не только декодируются, но и по возможности исполняются до проверки условия перехода. Если предсказание сбывается, то труд оказывается ненапрасным, если не сбывается — конвейер оказывается недогруженным и простаивает несколько тактов.

Динамическое исполнение (исполнение с изменением последовательности инструкций) свойственное RISC-архитектуре, теперь реализуется и для процессоров х86. При этом изменяется порядок внутренних манипуляций данными, а внешние (шинные) операции ввода/вывода и записи в память выполняются, конечно же, в порядке, предписанном программным кодом. Однако эта способность процессора в наибольшей степени может блокироваться несовершенством программного кода (особенно 16-битных приложений), если он генерируется без учета возможности изменения порядка.