Mis on mälubarjäär?

Ajalooliselt on protsessorid olnud täiuslikult järjestikused masinad. See on väga loogiline ja kergesti mõistetav, kuid see võib olla jõudluse probleem. Aastate jooksul on CPU konstruktsiooni tehtud palju geniaalseid kohandusi, et saada räniplaatidest võimalikult palju jõudlust. Üks huvitavamaid on aga ebakorrapärane täitmine. Ebakorrapärase täitmisega protsessorites ei pea käske tingimata täitma nende väljastamise järjekorras.

Seiskumine korras

Peamist jõudlusprobleemi, millega tellimuses olev protsessor kokku puutub, nimetatakse konveieri seiskumiseks. See juhtub siis, kui käsk sõltub mõnest mälust, kuid see mälu pole registris otseselt saadaval. Sel juhul peab protsessor selle väärtuse mälust leidma. Esmalt kontrollitakse protsessori vahemälu, kuna see on kiireim mälutasand. Kui väärtust pole, kontrollitakse süsteemi RAM-i. Selle aja jooksul peab CPU seisma jõude, kuna mälust sõltuv käsk tuleb enne järgmisi juhiseid täita järjekorras.

Torujuhtme seiskumise mõju ei pruugi olla nii halb, kuid võib olla ka suhteliselt tõsine. Näiteks võib L1 vahemälu tavaliselt tagastada tulemuse suurusjärgus 5 CPU tsüklit. L2 vahemälu võib võtta 20 tsüklit, L3 umbes 200 tsüklit ja süsteemi RAM umbes 400 tsüklit. Arvestades, et protsessor võib töötada sagedusel umbes 5 GHz, st 5 miljardit taktisagedust sekundis, pole isegi 400 tsüklit nii halb (0,000008%). Kuid kui teil on palju juhiseid, mis nõuavad vahemälu madalamate andmete viitamist, võib kumulatiivne mõju põhjustada märgatava aeglustumise.

Ebakorrapärane täitmine ja registri ümbernimetamine

Korrast väljas täitmine on tehnika, mis võimaldab planeerijal käske oma järjekorras ümber järjestada. Selle ümberjärjestamise kaudu saab ta eelistada teatud lõime teistele. Samuti võib see juhised järjekorda tagasi lükata, kui neil on andmete sõltuvus, mida pole veel täidetud. See hoiab ära torujuhtme seiskumise nii palju kui võimalik, minimeerides tühikäigutsükleid.

Ebakorrapäraseks täitmiseks on vaja funktsiooni, mida nimetatakse registri ümbernimetamiseks. CPU pääseb ühe tsükli jooksul juurde registrites hoitavatele andmetele. Registreid kasutatakse loetavate ja kirjutatavate andmete salvestamiseks. Siiski on oluline tagada, et arvuti näeks kõike toimuvat loogilises järjekorras, mitte ebakorrapärases, protsessori tsüklile optimeeritud järjekorras. Selle võimaldamiseks on protsessoritel palju rohkem loogilisi registreid, kui CPU arhitektuur nõuab.

Andmed, mis vajavad väljakirjutamist, kuid millel on veel täitmata “varasem” juhend, kantakse majapidamisregistrisse. Neid andmeid ei edastata teise registrisse, kui tellimus on iseenesest lahenenud. Selle asemel muudetakse majapidamisregistri nimi selle registri nimeks, milles see peaks olema. See sarnaneb mõneti magustoidu valmistamisega enne pearooga, kuid seejärel hoitakse seda kuni serveerimiseni külmikus.

Need loogilised registrid on täielikult adresseerimata. CPU saab tõesti adresseerida ainult neid loogilisi registreid, mis praegu jagavad arhitektuuriregistrite nime. Sellegipoolest on CPU neist piisavalt teadlik, et kui muud ümberjärjestatud juhised tuginevad loogilise valduse registri andmetele, saavad nad seda kasutada, mitte sellel konkreetsel empiirilisel ajal arhitektuuriregistris olevaid "aegunud" andmeid.

Mälu tõkked

Mälutõke – mida nimetatakse ka membraaniks, mälupiirdeks või piirdejuhiseks – on arvutikoodis olev juhis. See võimaldab programmeerijal jõustada enne ja pärast mälubarjääri väljastatud mälutoimingute tellimispiirangut. Mälubarjäär juhendab CPU planeerijat tagama, et kõik juhised töödeldakse enne tõkkejärgseid juhiseid. Seda tehakse selleks, et tagada oluliste toimingute sooritamine õiges järjekorras.

Üldiselt ei tohiks see tänapäevaste arvutite puhul olla vajalik. Korrast väljas täitmine ja registri ümbernimetamine on hästi väljakujunenud ja küpsed valdkonnad. Sellegipoolest võib mälubarjäär olla abiks vanemate, vähem keerukate, korrast ära protsessorite jaoks või kriitilistes mälutoimingutes.

Mälutõkked võivad kaasneda mõningase jõudluse halvenemisega. Seda seetõttu, et need takistavad aktiivselt protsessori planeerijat käsuvoo konkreetseid osi optimeerimast. See suurendab torujuhtme seiskumise võimalust.

Järeldus

Mälubarjäär on käsk, mis tagab mälutoimingute järjestuspiirangu. See on oluline, sest rivist väljas täitmisprotsessorid võivad konkreetseid juhiseid ümber järjestada. Kuigi registri ümbernimetamine on selles keskkonnas mälu terviklikkuse tagamise meetodina hästi välja kujunenud, võib abi olla selle käsitsi tagamisest.

Mälubarjäär sunnib protsessori planeerijat tagama, et juhised täidetakse enne tõkkejärgseid juhiseid. See takistab mälutoimingute ümberjärjestamist. Samuti takistab see protsessoril käsuvoogu optimeerimast, mis võib jõudlust mõjutada.