Uzoq vaqt davomida an'anaviy hosildorlik

Ko'p yadroli protsessor bitta protsessor chipida yoki bitta paketda 2 yoki undan ko'p hisoblash yadrosini o'z ichiga olgan markaziy protsessor hisoblanadi.
Intel korporatsiyasi tomonidan 1971 yil 15-noyabrda birinchi (albatta, bitta yadroli!) Intel 4004 protsessori ishga tushirildi. U 2300 tranzistorni o'z ichiga olgan, 108 kHz soat chastotasida ishlagan va 300 dollar turadi.
Markaziy mikro protsessorning hisoblash quvvati talablari tobora o'sib bormoqda va o'sishda davom etmoqda. Ammo oldin protsessor ishlab chiqaruvchilari kompyuter foydalanuvchilari tomonidan amalga oshiriladigan tezkor (har doim o'sib borayotgan!) Talablarga moslashtirishi kerak bo'lsa, hozirda chiplar ishlab chiqaruvchilari uzoq yo'l oldilar!
Uzoq vaqt davomida an'anaviy hosildorlik yagona yadroli protsessorlar asosan soat chastotasining ketma-ket o'sishiga (protsessor ishlashining qariyb 80 foizi soat chastotasi bilan aniqlangan) va bir chipda tranzistorlar soni bir vaqtning o'zida ko'payishi natijasida yuzaga keldi. Shu bilan birga, soat chastotasining navbatdagi tezligi (3.8 gigagertsli soat chastotasi, chiplar o'ta qizib ketgan!) Bir qator fundamental fizik to'siqlarga asoslangan (chunki texnologik jarayonlar atom darajasiga juda yaqin: bugungi kunda protsessorlar 45nm texnologiyasidan foydalanib ishlab chiqarilgan va silikon atomining hajmi taxminan 0.543 nm):
Birinchidan, kristall o'lchamlari va ortib borayotgan soat chastotasi bilan tranzistor oqimining oqimi ortadi. Bu esa energiya sarfini oshirish va issiqlik chiqindilarining oshishiga olib keladi;
* ikkinchidan, xotiraga kirishning kechikishlaridan kelib chiqqan holda, yuqori chastotali soat tezligi afzalliklari qisman bekor qilinadi, chunki xotiradan foydalanish vaqti soatning chastotalarigacha mos kelmaydi;
* Uchinchidan, ba'zi ilovalar uchun an'anaviy ketma-ket arxitektorlar "von Neumann darboğazi" deb ataladigan soat chastotasining ortishi bilan samarasiz bo'lib qoladi - ketma-ket hisoblash oqimlari natijasida ishlash cheklovlari. Bu signal chastotasining ortishi bilan bog'liq bo'lgan qo'shimcha darboğaz bo'lgan signal uzatishni kuchaytiruvchi kechikishlarini oshiradi.
Ko'p protsessorli tizimlardan foydalanish ham keng tarqalgan emas, chunki u murakkab va qimmatli ko'p protsessorli anakartlarni talab qiladi. Shuning uchun mikroprotsessorlarning ishlashini boshqa yo'llar bilan yanada takomillashtirishga qaror qilindi. Superkompyuterlar dunyosidan kelib chiqqan ko'p tarmoqli kontseptsiya eng samarali yo'nalish sifatida tan olingan - bir nechta buyruqlar oqimlarining parallel ishlashi.
Shunday qilib, Intel bir yadroli protsessorda bir vaqtning o'zida to'rtta dasturiy ta'minot oqimlarini ishlashga imkon beruvchi ultra-oqimli ma'lumotlarni qayta ishlash texnologiyasi bo'lgan Hyper-Threading Technology (HTT) bilan tug'ilgan. Hyper-threading talab qilinadigan ilovalarning samaradorligini sezilarli darajada oshiradi (masalan, audio va videolarni tahrirlash, 3D-modellashtirish bilan bog'liq), shuningdek, OSni ko'p ishlov berish rejimida ishlatish.
Hyper-threading bilan ishlaydigan Pentium 4 protsessori ikkita mantiqiy yadroga bo'linadigan bir jismoniy yadroga ega, shuning uchun operatsion tizim uni ikki xil protsessor sifatida belgilaydi.
Hyper-threading aslida bitta chipda ikkita jismoniy yadroli protsessorlarni yaratish uchun tebranish paneli bo'ldi. 2 yadroli yadroli ikkita yadro (ikkita protsessor!) Parallel ishlaydi, bu esa past soat chastotasi bilan ko'proq ishlash imkonini beradi, chunki ikkita mustaqil buyruqlar oqimi bir vaqtning o'zida (bir vaqtning o'zida!) Amalga oshiriladi.
Protsessor bir vaqtning o'zida bir nechta dasturiy ta'minot ishlarini bajarish qobiliyatiga ish zarralari darajasida parallellik (TLP) deb ataladi. TLPga bo'lgan ehtiyoj muayyan vaziyatga bog'liq (ba'zi hollarda bu shunchaki foydasizdir!).
Fon-Neumann me'morchiligini takomillashtirishning bosqichlaridan biri - Mavzu Darajali Parallelizm, Tlp). U erda bir vaqtning o'zida ko'p ishlov berish (Bir vaqtning o'zida Ko'p ishlov berishSMT) va kristalli darajadagi ko'p ishlov berish (Chip- darajasi Ko'p ishlov berishCMT). Ushbu ikki yondashuv asosan oqim nima ekanligini tushunishida farqlanadi. Odatda vakillik SMT texnologiya deyiladi HTT (Hyper- Tishli Texnologiya).

a rxitekturaning birinchi vakillari CMP serverlarida foydalanish uchun mo'ljallangan po'latdan protsessorlar. Ushbu turdagi qurilmalarda bitta substratga asosan mustaqil ikkita yadro joylashtirildi (8-rasm). Ushbu sxemaning rivojlanishi avval umumiy kesh xotirasi shaklidagi tuzilishga aylandi. 9 va undan keyin har bir yadroda juda ko'p ishlaydigan tuzilish.

Ko'p yadroli protsessorlarning afzalliklari quyidagilar.
Dizayn va ishlab chiqarishning soddaligi (tabiiy ravishda nisbiy). Samarali bir yadro ishlab chiqqandan so'ng, uni zarur tizim komponentlari bilan arxitekturaga qo'shib kristallada takrorlash mumkin.
Quvvat iste'moli sezilarli darajada kamayadi. Misol uchun, agar siz ikkita yadroni chip ustida joylashtirsangiz va ularni bitta "yadro" ning ishlashiga teng bo'lgan ishlashni ta'minlaydigan soat chastotasida ishlayotgan bo'lsangiz, keyin ikkala kuch sarflanishini taqqoslasangiz, u holda elektr quvvatining sarflanishi maydonga deyarli mutanosib ravishda o'sib borayotgan bir necha marta kamayadi chastotalar.
Umuman olganda, agar siz 8 va 9-raqamlarga diqqat bilan qarasangiz, 2-yadroli protsessorda 2 protsessorli tizim va kompyuter o'rtasida hech qanday farq yo'qligini ko'rishingiz mumkin. Muammolar bir xil. Va ulardan biri mos keladigan operatsion tizimdir.
Protsessorlarning ishini tashkil qilish usullari
Kompyuter arxitekturasining rivojlanishiga asosiy rag'bat - hosildorlikni oshirish. Kompyuterning ishlashini yaxshilash usullaridan biri ixtisoslashuv (kompyuterning alohida elementlari va maxsus hisoblash tizimlarini yaratish).
Protsessorning ixtisoslashuvi 1960-yillarda, ota-markaz protsessor ma'lumotlarning muntazam kirish va chiqarilishidan ozod qilinganidan boshlandi. Bu funksiya atrof-muhit qurilmalari bilan bog'laydigan I / U protsessoriga o'tkazildi.
Hosildorlikni oshirishning yana bir yo'li - von Neumann ketma-ket arxitekturasidan uzoqlashib, parallelizmga qaratilgan. M. Flin hisoblash parallelligini ishlab chiqarish uchun faqatgina ikkita sabab - tizimda bir vaqtning o'zida mavjud bo'lgan buyruqlar oqimlarining mustaqilligi va bitta buyruqlar oqimida qayta ishlangan ma'lumotlarning uzilishiga e'tibor qaratdi. Hisoblash jarayonining parallelligi uchun birinchi sabab etarli darajada yaxshi ma'lum bo'lsa (oddiy multiprocessing), ma'lumotlar parallelizmi batafsilroq ko'rib chiqiladi, chunki ko'p hollarda u programlovchilardan yashiriladi va cheklangan miqdordagi mutaxassislar foydalanadi.
Ma'lumot parallelizmining eng oddiy misoli ikki buyruqlar ketma-ketligi: A = B + C; D = E * F;
Agar von Neumann tamoyiliga qat'iy amal qilsa, ikkinchi operatsiya faqat birinchi operatsiyani bajarishdan keyin bajarilishi mumkin. Biroq, bu buyruqlarni bajarish tartibi ahamiyatsiz - birinchi ko'rsatmaning A, B va C operandlari ikkinchi ko'rsatmaning D, E va F operandlari bilan hech qanday bog'liqlik mavjud emas. Boshqacha qilib aytganda, har ikkala operatsiyalar aniq parallel, chunki bu ko'rsatmalarning operandlari bir-biriga bog'liq emas. Uch yoki undan ortiq buyruqlar ketma-ketligi bilan bog'liq bo'lmagan ma'lumotlarga ega bo'lgan ko'plab misollarni keltirib o'tish mumkin. Bu aniq bir xulosaga olib keladi: deyarli har bir dastur parallel ma'lumotlarda operatsiyalar guruhlarini o'z ichiga oladi.

m a'lumotlarning boshqa bir turi, odatda, davriy ma'lumotlarni ishlash dasturlarida uchraydi. Masalan, ikkita massiv elementlarini qo'shganda, bir guruh ma'lumotlar (massiv) ning katta hajmini ishlov berishi mumkin. Bunday buyruqlar vektor deb nomlanadi va ushbu rejimni amalga oshiruvchi protsessor vektor hisoblanadi. Biz quyidagi ta'riflarni beramiz: "Vektorli protsessor ma'lumotlar majmualarida (vektorlarda) operatsiyani parallel bajarish imkonini beruvchi protsessor. Bu parallel ishlash elementlari guruhiga asoslangan maxsus arxitektura bilan tavsiflanadi va tasvirlarni, massivlarni va ma'lumotlar majmualarini ishlashga mo'ljallangan. "

Dastur parallelizmining tasnifi bo'yicha oltita darajadagi tasnifni eng taniqli deb hisoblashadi (10-rasm). Uchta yuqori parallellik darajalari yirik dastur ob'ektlari - mustaqil topshiriqlar, dasturlar va dasturiy vositalar tomonidan egallangan. Bog'langan operatorlar, ko'chadan va operatsiyalar past darajadagi parallelizmni tashkil qiladi. Agar M.Finning "parallel buyruqlar oqimlari" va "parallel ma'lumotlar oqimlari" toifalari bilan birlashtirilsa, yuqoridagi darajadagi muvozanat asosan ko'plab mustaqil buyruqlar oqimlari orqali erishilganligi va past darajadagi o'zaro o'xshashlik, asosan, bog'liq bo'lmagan ma'lumotlar oqimlari .
Konveyerni qayta ishlash va konveyer tuzilmalari
Oh k ompyuterning ishlashini yaxshilashning eng samarali usullaridan biri quvvatsizlanishdir. Shakl. 11 a) Qayta ishlash yagona universal blokda va 11-rasmda ko'rsatiladi b)va v) - quvurda. Tranzaktsiyalash g'oyasi universal funktsional blok (FB) tomonidan bir nechta ixtisoslashtirilgan ob'ektlar orasidagi vazifani taqsimlashdan iborat. Konveyerning barcha funktsional bloklari bir xil tezlikda ishlashi kerak (kamida o'rtacha). Amalda esa, kamdan-kam hollarda erishiladi va natijada quvurning ishlashi har bir funktsional blokning maksimal ishlash muddati bilan belgilanadi. Bufer registrlari FBsning ish vaqti davomida ular o'rtasidagi o'zgarishlarni bartaraf etish uchun kiritilgan. FIFO kabi bufer saqlash qurilmalari (11-rasm.) ichida). Chizmalarning boshqa farqiga e'tibor qaratiladi. b) va v). Tarkibida v) SI sinxronlash liniyasi yo'q. Bu bunday tuzilishga ega emasligini anglatmaydi, faqat ikkita konveyer turi mavjud: sinxronlashtiriladi umumiy sinxronlash liniyasi va asinxronu holda. Birinchisi, deyiladi jamoaviy boshqarish bilan, ikkinchisi - ma'lumotlarni boshqarish bilan. Asenkron quvur liniyalariga misol sistolik massiv sifatida xizmat qilishi

m a'lumotlarning boshqa bir turi, odatda, davriy ma'lumotlarni ishlash dasturlarida uchraydi. Masalan, ikkita massiv elementlarini qo'shganda, bir guruh ma'lumotlar (massiv) ning katta hajmini ishlov berishi mumkin. Bunday buyruqlar vektor deb nomlanadi va ushbu rejimni amalga oshiruvchi protsessor vektor hisoblanadi. Biz quyidagi ta'riflarni beramiz: "Vektorli protsessor ma'lumotlar majmualarida (vektorlarda) operatsiyani parallel bajarish imkonini beruvchi protsessor. Bu parallel ishlash elementlari guruhiga asoslangan maxsus arxitektura bilan tavsiflanadi va tasvirlarni, massivlarni va ma'lumotlar majmualarini ishlashga mo'ljallangan. "

Dastur parallelizmining tasnifi bo'yicha oltita darajadagi tasnifni eng taniqli deb hisoblashadi (10-rasm). Uchta yuqori parallellik darajalari yirik dastur ob'ektlari - mustaqil topshiriqlar, dasturlar va dasturiy vositalar tomonidan egallangan. Bog'langan operatorlar, ko'chadan va operatsiyalar past darajadagi parallelizmni tashkil qiladi. Agar M.Finning "parallel buyruqlar oqimlari" va "parallel ma'lumotlar oqimlari" toifalari bilan birlashtirilsa, yuqoridagi darajadagi muvozanat asosan ko'plab mustaqil buyruqlar oqimlari orqali erishilganligi va past darajadagi o'zaro o'xshashlik, asosan, bog'liq bo'lmagan ma'lumotlar oqimlari .
Konveyerni qayta ishlash va konveyer tuzilmalari
Oh k ompyuterning ishlashini yaxshilashning eng samarali usullaridan biri quvvatsizlanishdir. Shakl. 11 a) Qayta ishlash yagona universal blokda va 11-rasmda ko'rsatiladi b)va v) - quvurda. Tranzaktsiyalash g'oyasi universal funktsional blok (FB) tomonidan bir nechta ixtisoslashtirilgan ob'ektlar orasidagi vazifani taqsimlashdan iborat. Konveyerning barcha funktsional bloklari bir xil tezlikda ishlashi kerak (kamida o'rtacha). Amalda esa, kamdan-kam hollarda erishiladi va natijada quvurning ishlashi har bir funktsional blokning maksimal ishlash muddati bilan belgilanadi. Bufer registrlari FBsning ish vaqti davomida ular o'rtasidagi o'zgarishlarni bartaraf etish uchun kiritilgan. FIFO kabi bufer saqlash qurilmalari (11-rasm.) ichida). Chizmalarning boshqa farqiga e'tibor qaratiladi. b) va v). Tarkibida v) SI sinxronlash liniyasi yo'q. Bu bunday tuzilishga ega emasligini anglatmaydi, faqat ikkita konveyer turi mavjud: sinxronlashtiriladi umumiy sinxronlash liniyasi va asinxronu holda. Birinchisi, deyiladi jamoaviy boshqarish bilan, ikkinchisi - ma'lumotlarni boshqarish bilan. Asenkron quvur liniyalariga misol sistolik massiv sifatida xizmat qilishi
Simmetrik multiprocessing (SMP) bu muammolarni barcha tizim protsessorlarida Neutrino ning bir nusxasini ishlatish imkonini beradi. OS operatsion tizimning barcha elementlari bilan hamkorlik qiladi, bu sizning resurslarni resurslarni juda ko'p protsessorlar orasida tarqatish imkonini beradi, yoki hech qanday ishlab chiquvchidan aralashmaydi. Bundan tashqari, Neutrino bir nechta ilovalarni resurslarni osongina va xavfsiz ravishda almashish imkonini beradigan pthread_mutex_lock (), pthread_mutex_unlock (), pthread_spin_lock () va pthread_spin_unlock () kabi standartlashtirilgan ibtidoiylar uchun o'rnatilgan mexanizmni taqdim etadi.
Bir operatsion tizimni bir nechta protsessorlarda ishlash SMP-ni resurslarni dinamik ravishda maxsus dasturlarga o'tkazish imkonini beradi, shuning uchun mavjud hisoblash quvvatini kengaytiradi. Bundan tashqari, sistema asoslangan monitoring vositalariga operativ statistikani va dasturlashtirilgan ma'lumotlar almashinuvi ma'lumotlarini ko'p protsessor tizimida to'plash imkonini beradi, bu esa ishlab chiquvchilarga ilovalarni optimallash va disk ruxsati haqida qimmatli ma'lumot beradi.
Misol uchun, System Profiler (IDE qismi) ish zarrachalaridan bir protsessordan ikkinchisiga ko'chib o'tishni, shuningdek tizim qo'ng'iroqlarini, dasturlarni rejalashtirishni, ilovalar va boshqa hodisalarni o'tkazadigan xabarlarni kuzatib borishi mumkin. Ilovalarning sinxronlashtirilishi, shuningdek, murakkab IPC mexanizmlari o'rniga standart operatsion tizimning primitivlaridan foydalanish imkoniyati tufayli ham soddalashtirilgan.
Neutrino ilovalarni ishlov berish jarayonlarini har qanday protsessorga parallel ravishda ishlashga imkon beradi, bu esa ilovalarni har qanday vaqtda ko'p yadroli tizimning barcha mavjud hisoblash quvvatiga ega bo'lish imkonini beradi. Preemption va threadlarni tartiblash imkoniyati ishlab chiquvchiga protsessor vaqtining eng zarur bo'lgan ilovaga o'tkazilishiga ishonch hosil qilishiga imkon beradi.