Τι είναι το εμπόδιο μνήμης;

Ιστορικά οι CPU ήταν τέλεια διαδοχικές μηχανές. Αυτό είναι πολύ λογικό και κατανοητό, αλλά μπορεί να είναι θέμα απόδοσης. Με τα χρόνια, υπήρξαν πολλές έξυπνες προσαρμογές στα σχέδια της CPU για την εξαγωγή όσο το δυνατόν μεγαλύτερης απόδοσης από γκοφρέτες πυριτίου. Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα, όμως, είναι η εκτέλεση εκτός σειράς. Σε CPU εκτός σειράς εκτέλεσης, οι οδηγίες δεν χρειάζεται απαραίτητα να εκτελούνται με τη σειρά με την οποία εκδίδονται.

Στασιμότητα στην τάξη

Το κύριο πρόβλημα απόδοσης στο οποίο αντιμετωπίζει μια σειρά CPU ονομάζεται διακοπή του σωλήνα. Αυτό συμβαίνει όταν μια εντολή εξαρτάται από κάποια μνήμη, αλλά αυτή η μνήμη δεν είναι άμεσα διαθέσιμη σε έναν καταχωρητή. Σε αυτήν την περίπτωση, η CPU πρέπει να βρει αυτήν την τιμή στη μνήμη. Η κρυφή μνήμη της CPU ελέγχεται πρώτα, καθώς είναι η ταχύτερη βαθμίδα μνήμης. Εάν η τιμή δεν υπάρχει, ελέγχεται η μνήμη RAM του συστήματος. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, η CPU πρέπει να παραμείνει σε αδράνεια, καθώς η εντολή που εξαρτάται από τη μνήμη πρέπει να ολοκληρωθεί με τη σειρά πριν από τις ακόλουθες οδηγίες.

Ο αντίκτυπος στην απόδοση ενός στάσιμου αγωγού μπορεί να μην είναι τόσο κακός, αλλά μπορεί επίσης να είναι σχετικά σοβαρός. Για παράδειγμα, η κρυφή μνήμη L1 μπορεί συνήθως να επιστρέψει ένα αποτέλεσμα της τάξης μεγέθους 5 κύκλων CPU. Η κρυφή μνήμη L2 μπορεί να διαρκέσει 20 κύκλους, το L3 περίπου 200 κύκλους και η μνήμη RAM του συστήματος περίπου 400 κύκλους. Δεδομένου ότι μια CPU μπορεί να λειτουργεί σε περίπου 5 GHz, δηλαδή 5 δισεκατομμύρια κύκλους ρολογιού ανά δευτερόλεπτο, ακόμη και 400 κύκλοι δεν είναι τόσο κακοί (0,000008%). Ωστόσο, εάν έχετε πολλές οδηγίες που πρέπει να αναφέρετε δεδομένα πιο κάτω στα επίπεδα της κρυφής μνήμης, το αθροιστικό αποτέλεσμα μπορεί να προκαλέσει αισθητή επιβράδυνση.

Εκτέλεση εκτός παραγγελίας και μετονομασία μητρώου

Η εκτέλεση εκτός σειράς είναι μια τεχνική που επιτρέπει στον προγραμματιστή να αναδιατάξει τις οδηγίες στην ουρά του. Μέσω αυτής της αναδιάταξης, μπορεί να επιλέξει να δώσει προτεραιότητα σε συγκεκριμένα νήματα έναντι άλλων. Μπορεί επίσης να ωθήσει οδηγίες πίσω στην ουρά όταν έχουν μια εξάρτηση δεδομένων που δεν έχει ακόμη εκπληρωθεί. Αυτό αποτρέπει όσο το δυνατόν περισσότερο τα στάδια του αγωγού, ελαχιστοποιώντας τους κύκλους αδράνειας.

Η εκτέλεση εκτός σειράς απαιτεί ένα χαρακτηριστικό που ονομάζεται μετονομασία μητρώου. Η CPU μπορεί να έχει πρόσβαση σε δεδομένα που φυλάσσονται σε μητρώα μέσα σε έναν μόνο κύκλο. Τα μητρώα χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση δεδομένων που διαβάζονται και γράφονται. Είναι σημαντικό, ωστόσο, να διασφαλιστεί ότι ο υπολογιστής σε γενικές γραμμές βλέπει τα πάντα να συμβαίνουν με τη λογική σειρά, όχι με τη σειρά εκτός λειτουργίας, βελτιστοποιημένη για τον κύκλο της CPU. Για να ενεργοποιηθεί αυτό, οι CPU έχουν πολύ περισσότερους λογικούς καταχωρητές από ό,τι απαιτεί η αρχιτεκτονική της CPU.

Δεδομένα που πρέπει να διαγραφούν, αλλά έχουν μια «προηγούμενη» οδηγία που δεν έχει ολοκληρωθεί ακόμη, τοποθετούνται σε μητρώο αποθέματος. Αυτά τα δεδομένα δεν μεταφέρονται σε άλλο μητρώο όταν η παραγγελία έχει διευθετηθεί. Αντίθετα, το όνομα του μητρώου αποθήκευσης αλλάζει σε αυτό του μητρώου στο οποίο θα έπρεπε να είναι. Αυτό μοιάζει κάπως με την προετοιμασία ενός γλυκού πριν από το κυρίως πιάτο, αλλά στη συνέχεια διατηρείται στο ψυγείο μέχρι να έρθει η ώρα να το σερβίρετε.

Αυτά τα λογικά μητρώα είναι εντελώς αδιεύθυνση. Η CPU μπορεί πραγματικά να απευθυνθεί μόνο στους λογικούς καταχωρητές που μοιράζονται αυτήν τη στιγμή το όνομα των αρχιτεκτονικών μητρώων. Τούτου λεχθέντος, η CPU τα γνωρίζει αρκετά, ώστε εάν άλλες αναδιαταχθείσες εντολές βασίζονται στα δεδομένα του λογικού μητρώου διατήρησης, μπορούν να τα χρησιμοποιήσουν αντί για τα «παλαιωμένα» δεδομένα στο αρχιτεκτονικό μητρώο τη συγκεκριμένη εμπειρική στιγμή.

Εμπόδια μνήμης

Ένα φράγμα μνήμης - που αναφέρεται επίσης ως εντολή μεμβράνης, φράχτης μνήμης ή φράχτη - είναι μια οδηγία στον κώδικα υπολογιστή. Επιτρέπει σε έναν προγραμματιστή να επιβάλει έναν περιορισμό παραγγελίας στις λειτουργίες μνήμης που εκδίδονται πριν και μετά το φράγμα μνήμης. Το φράγμα μνήμης δίνει εντολή στον προγραμματιστή CPU να διασφαλίσει ότι όλες οι εντολές υποβάλλονται σε επεξεργασία πριν από οποιαδήποτε εντολή μετά το φράγμα. Αυτό γίνεται για να διασφαλιστεί ότι οι σημαντικές λειτουργίες ολοκληρώνονται με τη σωστή σειρά.

Γενικά, στους σύγχρονους υπολογιστές, αυτό δεν θα πρέπει να είναι απαραίτητο. Η εκτέλεση εκτός σειράς και η μετονομασία μητρώου είναι καθιερωμένα και ώριμα πεδία. Ωστόσο, ένα εμπόδιο μνήμης μπορεί να είναι χρήσιμο για παλαιότερους, λιγότερο εξελιγμένους, εκτός σειράς επεξεργαστές ή χρησιμοποιείται σε κρίσιμες λειτουργίες μνήμης.

Τα εμπόδια μνήμης ενδέχεται να προκαλέσουν κάποια βλάβη στην απόδοση. Αυτό συμβαίνει επειδή εμποδίζουν ενεργά τον προγραμματιστή CPU να βελτιστοποιήσει συγκεκριμένα μέρη της ροής εντολών. Αυτό αυξάνει την πιθανότητα ακινητοποίησης του αγωγού.

συμπέρασμα

Ένα φράγμα μνήμης είναι μια οδηγία που διασφαλίζει έναν περιορισμό παραγγελίας στις λειτουργίες μνήμης. Αυτό είναι σημαντικό επειδή οι επεξεργαστές εκτέλεσης εκτός σειράς ενδέχεται να αναδιατάξουν συγκεκριμένες οδηγίες. Ενώ η μετονομασία μητρώου είναι καθιερωμένη ως μέθοδος για τη διασφάλιση της ακεραιότητας της μνήμης σε αυτό το περιβάλλον, μπορεί να είναι χρήσιμο να τη διασφαλίσετε με μη αυτόματο τρόπο.

Το φράγμα μνήμης αναγκάζει τον προγραμματιστή της CPU να διασφαλίσει ότι οι οδηγίες ολοκληρώνονται πριν από οποιαδήποτε εντολή μετά το φράγμα. Αυτό αποτρέπει την αναδιάταξη των λειτουργιών μνήμης. Επίσης, εμποδίζει τη CPU να βελτιστοποιήσει τη ροή εντολών, η οποία μπορεί να επηρεάσει την απόδοση.