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:

· увеличением тактовой частоты;

· расширение методов параллельной обработки данных;

· совершенствование конвейеризации исполнения команд;

· дублирование вычислительных средств процессора (переименование регистров );

· предсказание переходов;

· спекулятивное (опережающее) выполнение операций;

· динамическое исполнение инструкций.

Второе достигается за счет:

· иерархической организации памяти;

· физического приближения буферной (кэш) памяти к вычислительному устройству процессора;

· повышения тактовой частоты шины данных;

· расширения разрядности шины данных;

· совершенствование архитектуры (например, расслоение) основной памяти.

Переименование регистровпозволяет 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.

  Конвейеризацияпредполагает 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.

Продвижение данныхподразумевает 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 переходовпозволяет 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.