Микроархитектура и проектирование конвейеров являются решающими факторами, влияющими на эффективность и производительность процессоров в динамичном мире компьютерной архитектуры. Эти сложные системы влияют на то, как выполняются инструкции, как обрабатываются данные и, в конечном счете, насколько успешно процессор выполняет определенные задания. В этой статье исследуется интригующая область микроархитектуры и проектирования конвейеров, освещается ее актуальность, ее элементы и ее общее влияние на современные вычисления.
Внутреннее проектирование процессора называется микроархитектурой, часто известной как организация компьютера. Оно определяет, как данные перемещаются между различными частями процессора, а также как извлекаются, декодируются и выполняются инструкции. Микроархитектура, помимо прочего, влияет на ISA, каналы передачи данных, блоки управления и иерархии памяти. Производительность и энергоэффективность процессора могут быть значительно повышены за счет эффективного проектирования микроархитектуры, следовательно, производители процессоров должны принимать это во внимание.
Что такое микроархитектура?
Цифровая логика, которая обеспечивает выполнение набора команд, известна как микроархитектура (иногда пишется как “микроархитектура”). Он состоит из всех цифровых логических блоков, включая регистры, память, мультиплексоры и арифметико-логические блоки. Вместе эти части составляют процессор.
Компьютерная архитектура системы состоит из микроархитектуры и архитектуры набора команд (ISA). Одна и та же ISA может быть реализована многими микроархитектурами, однако могут быть компромиссы с точки зрения таких факторов, как энергоэффективность или скорость выполнения. Файл регистра, ALU, системная память и блок управления – все это компоненты самого фундаментального процессора. Блок управления позволяет процессору принимать решения в зависимости от команды, которую он обрабатывает в данный момент.
Файл регистра ARM
Должно быть место для временного хранения данных, чтобы выполнять с ними действия. Для этого используется файл регистра центрального процессора. Банк регистров, называемый файлом регистров, используется для хранения временных значений и выполнения операций над ними. Данные могут быть получены из регистров и сохранены в памяти компьютера вне их. Даже если это занимает больше времени, в памяти остается гораздо больше места, чем в сравнительно небольшом количестве доступных регистров. Обычно файл регистра представляет собой файл SRAM.
Рассмотрим 32-разрядное ядро ARM в качестве иллюстрации. В данном случае мы сосредоточимся на 32-разрядных командах ARMV7 и 32-разрядных регистрах.
Набор команд ARM соотносится со словом в виде 32-разрядной, или четырехбайтовой, величины. Шестнадцать регистров в файле регистров ARM используются для выполнения инструкций. Результаты операции могут храниться в регистре состояния, что позволяет процессору делать выбор на их основе.
Обозначения
Буква R и число используются для идентификации регистра.
R0-R3 используются для хранения переменных или временных значений, а также участвуют в вызовах подпрограмм. R4 – R12 являются универсальными.
Указатель стека R13, также известный как SP. Программа может хранить данные, которые ей понадобятся для последующего извлечения, по адресу памяти, который содержится в указателе стека.
Регистр ссылок, R14, используется с инструкциями по ветвлению для возврата в прошлое в программе.
Адрес следующей команды, которая должна быть выполнена, хранится в R15, также известном как PC для счетчика программ. Поскольку он решает, какие инструкции выполняются на центральном процессоре, это возлагает большую ответственность на ПК. Ваша программа может внезапно прекратить функционировать, если вы введете неправильное значение в компьютер; это называется сбоем.
Регистрируйте флаги
Множество флагов, которые могут быть установлены при выполнении команды, находятся в регистре текущего состояния программы (CPSR), который был описан ранее.
Здесь упоминаются флаги N, Z, C и V.:
- Когда результат выполнения инструкции отрицательный, используется буква N, которая обозначает отрицательный.
- Когда результат равен нулю, устанавливается Z для нуля.
- Когда результатом выполнения команды является выполнение, устанавливается буква C, которая расшифровывается как carry (перенос).
- Когда происходит переполнение, устанавливается переменная переполнения V.
- При разработке ассемблерного кода в инструкции для проверки наличия этих флагов добавляются определенные суффиксы условий (описанные в более поздней статье).
Части процессора: канал передачи данных и блок управления
ALU и память взаимодействуют с текущим состоянием процессора, которое хранится в файле register. Существует несколько частей памяти. Программа сборки, которая выполняется, содержится в одном; данные, которые ей потребуются, содержатся в другом. Линии, показанные зеленым цветом, в сочетании со всеми этими элементами составляют путь к данным процессора.
Блок управления расположен над трактом данных. Каждая команда содержит коды операций (operation codes) и коды условий, которые блок управления декодирует для открытия или закрытия определенных путей в тракте данных. Блок управления дает процессору возможность выполнять различные действия в соответствии с инструкцией, которая в данный момент считывается из памяти. Центральный процессор состоит из блока управления и канала передачи данных.
То, что мы называем процессором, создается путем добавления памяти, которая позволяет центральному процессору взаимодействовать с другими компонентами.
Ключевые компоненты микроархитектуры
Ключевыми компонентами микроархитектуры являются:
Выборка инструкций: Способ извлечения инструкций из памяти и подготовки к выполнению определяется микроархитектурой. Задержки конвейера, когда процессор простаивает в ожидании инструкций, могут быть уменьшены с помощью таких методов, как предварительная выборка команд и прогнозирование ветвления.
Декодирование инструкций: Процесс декодирования инструкций включает преобразование полученных инструкций в форму, понятную процессору. Сложность и эффективность этой операции зависят от архитектуры декодера команд.
Исполнительные устройства: микроархитектура состоит из множества устройств, которые выполняют арифметические, логические и другие функции. Для одновременной обработки множества типов инструкций процессоры могут иметь несколько исполнительных блоков.
Файл регистра: Для быстрого доступа во время вычисления в файле регистра сохраняются временные данные. Для безошибочного выполнения команд необходимы снижение рисков передачи данных и эффективное управление регистрами.
Проектирование конвейеров
Разделяя обработку инструкций на отдельные фазы, метод конвейерного проектирования может повысить скорость выполнения инструкций. Пропускная способность и производительность повышаются, поскольку на каждом этапе решается отдельная задача и одновременно может обрабатываться множество инструкций. Но при построении конвейера необходимо тщательно учитывать возможные риски, которые могут возникнуть из-за взаимосвязей между инструкциями.
Ключевые аспекты проектирования конвейеров
Некоторыми ключевыми аспектами проектирования конвейеров являются:
- Этапы: Конвейеры состоят из этапов, каждый из которых фокусируется на отдельной операции (такой как выборка команд, декодирование, выполнение, доступ к памяти и обратная запись). Длина конвейера и уровень детализации обработки команд зависят от количества шагов.
- Обработка опасностей: Когда зависимости между инструкциями затрудняют эффективную работу конвейера, возникают опасности. Чтобы снизить эти риски и обеспечить эффективный поток команд, разработчики используют стратегии, включающие пересылку, приостановку и выполнение не по порядку.
- Прогнозирование ответвлений: Условные ответвления часто приводят к задержкам в конвейерах. Прогнозирование того, как будут выглядеть эти ответвления, сокращает паузы в конвейере и поддерживает непрерывный поток инструкций.
- Суперскалярные конвейеры: эти конвейеры развивают идею, позволяя выдавать и выполнять одновременно несколько инструкций из одного и того же или разных потоков, что обеспечивает максимальное использование.
Заключение
Микроархитектура и проектирование конвейеров являются важнейшими основами эффективности процессора в быстро развивающейся области компьютерной архитектуры. Их сложное взаимодействие влияет на то, как выполняются действия, обрабатываются данные и выполняются указания. По мере развития технологий искусство микроархитектуры и конвейерного проектирования также продолжает прогрессировать, стимулируя компьютерные инновации и влияя на направление создания высокопроизводительных процессоров в будущем.
Часто задаваемые вопросы, связанные с микроархитектурой и проектированием конвейеров
Вот несколько часто задаваемых вопросов, связанных с микроархитектурой tp и проектированием конвейеров:
1. Что такое конвейерное проектирование процессоров?
Конвейерное проектирование – это метод, используемый для улучшения выполнения команд путем разбиения его на этапы. Каждый этап фокусируется на конкретной задаче, позволяя обрабатывать несколько команд одновременно. Это повышает пропускную способность и общую производительность процессора.
2. Как проектирование конвейеров повышает эффективность процессора?
Проектирование конвейера сокращает циклы простоя процессора, позволяя нескольким командам одновременно находиться на разных стадиях выполнения. Это сводит к минимуму время, затрачиваемое на ожидание завершения одной команды до запуска следующей, тем самым повышая общую эффективность.
3. Каковы этапы типичного конвейера?
Стандартный конвейер включает в себя такие этапы, как выборка команды, декодирование команды, выполнение, доступ к памяти и обратная запись. Каждый этап выполняет определенную операцию, внося свой вклад в общую обработку инструкции.
4. Каковы опасности при проектировании конвейеров?
Опасности – это ситуации в конвейере, когда зависимости между инструкциями создают задержки или конфликты, приводящие к неэффективной обработке. Типы опасностей включают структурные опасности (конфликты ресурсов), опасности данных (конфликты зависимостей) и опасности управления (конфликты, связанные с филиалами).
5. Как снижаются риски при проектировании конвейеров?
Опасности конвейера устраняются с помощью таких методов, как пересылка (обход данных), остановка (вставка пузырьков или инструкций по неработоспособности) и выполнение не по порядку (изменение порядка инструкций во избежание конфликтов), что обеспечивает бесперебойный поток команд.