Mikä on muistieste?

Historiallisesti CPU:t ovat olleet täydellisesti peräkkäisiä koneita. Tämä on erittäin loogista ja helposti ymmärrettävää, mutta se voi olla suorituskykyongelma. Vuosien varrella suorittimen suunnitteluun on tehty monia nerokkaita muutoksia, jotta piikiekoista saadaan mahdollisimman paljon suorituskykyä. Yksi mielenkiintoisimmista on kuitenkin epäkunnossa toteutus. Epäjärjestyksessä suoritettavissa CPU:issa käskyjä ei välttämättä tarvitse suorittaa siinä järjestyksessä, jossa ne on annettu.

Pysähtyy järjestyksessä

Pääasiallista suorituskykyongelmaa, johon tilauksessa oleva suoritin törmää, kutsutaan liukuhihnan pysähtymiseksi. Tämä tapahtuu, kun käsky on riippuvainen jostain muistista, mutta tämä muisti ei ole suoraan käytettävissä rekisterissä. Tässä tapauksessa CPU:n on löydettävä tämä arvo muistista. CPU-välimuisti tarkistetaan ensin, koska nämä ovat nopein muistitaso. Jos arvoa ei ole, järjestelmän RAM-muisti tarkistetaan. Tänä aikana CPU:n on oltava lepotilassa, koska muistista riippuvainen käsky on suoritettava järjestyksessä ennen seuraavia ohjeita.

Putkilinjan pysähtymisen vaikutus suorituskykyyn ei ehkä ole niin paha, mutta se voi myös olla suhteellisen vakava. Esimerkiksi L1-välimuisti voi tyypillisesti palauttaa tuloksen, joka on suuruusluokkaa 5 CPU-jaksoa. L2-välimuisti voi kestää 20 jaksoa, L3 noin 200 jaksoa ja järjestelmän RAM noin 400 jaksoa. Kun otetaan huomioon, että suoritin voi toimia noin 5 GHz:n taajuudella, eli 5 miljardilla kellojaksolla sekunnissa, jopa 400 jaksoa ei ole niin huono (0,000008 %). Mutta jos sinulla on monia ohjeita, jotka tarvitsevat viittauksia välimuistitasojen alempana oleviin tietoihin, kumulatiivinen vaikutus voi aiheuttaa huomattavan hidastumisen.

Epäjärjestyksessä suoritus ja rekisterin uudelleennimeäminen

Out-of-order-suoritus on tekniikka, jonka avulla ajoittaja voi järjestää ohjeet uudelleen jonossa. Tämän uudelleenjärjestelyn avulla se voi priorisoida tietyt säikeet muihin nähden. Se voi myös siirtää ohjeita takaisin jonoon, kun niillä on tietoriippuvuus, jota ei ole vielä täytetty. Tämä estää putkilinjojen jumiutumisen niin paljon kuin mahdollista ja minimoi tyhjäkäyntijaksot.

Virheellinen suoritus vaatii ominaisuuden nimeltä rekisterin uudelleennimeäminen. CPU pääsee käsiksi rekistereissä olevaan dataan yhden jakson aikana. Rekisterejä käytetään luettavan ja kirjoitettavan tiedon tallentamiseen. Olennaista on kuitenkin varmistaa, että tietokone yleensä näkee kaiken tapahtuvan loogisessa järjestyksessä, ei epäkunnossa, suorittimen syklioptimoidussa järjestyksessä. Tämän mahdollistamiseksi CPU:illa on paljon enemmän loogisia rekistereitä kuin CPU-arkkitehtuuri vaatii.

Tiedot, jotka on kirjoitettava, mutta joilla on "aiempi" ohje, jota ei ole vielä suoritettu, sijoitetaan omistusrekisteriin. Näitä tietoja ei siirretä toiseen rekisteriin, kun tilaus on ratkennut. Sen sijaan tilarekisterin nimi muutetaan sen rekisterin nimeksi, jossa sen pitäisi olla. Tämä on vähän samanlaista kuin valmistaisi jälkiruoka ennen pääruokaa, mutta säilytät sitä jääkaapissa tarjoiluhetkeen asti.

Nämä loogiset rekisterit ovat täysin osoittelemattomia. CPU voi todella käsitellä vain niitä loogisia rekistereitä, joilla on tällä hetkellä sama nimi kuin arkkitehtuurirekistereillä. CPU on kuitenkin tietoinen niistä myös tarpeeksi, että jos muut uudelleenjärjestetyt käskyt perustuvat loogisen omistusrekisterin tietoihin, he voivat käyttää sitä "vanhentuneiden" arkkitehtuurirekisterin tietojen sijaan kyseisellä empiirisellä hetkellä.

Muistin esteet

Muistieste – jota kutsutaan myös kalvoksi, muistiaidaksi tai aitaohjeeksi – on ohje tietokonekoodissa. Sen avulla ohjelmoija voi pakottaa järjestysrajoituksen muistitoimintoihin, jotka on annettu ennen ja jälkeen muistiesteen. Muistin este ohjaa suorittimen ajoitinta varmistamaan, että kaikki ohjeet käsitellään ennen esteen jälkeistä ohjetta. Tämä tehdään sen varmistamiseksi, että tärkeät toiminnot suoritetaan oikeassa järjestyksessä.

Yleensä nykyaikaisissa tietokoneissa tämän ei pitäisi olla välttämätöntä. Virheellinen suoritus ja rekisterin uudelleennimeäminen ovat vakiintuneita ja kypsiä aloja. Siitä huolimatta muistieste voi olla hyödyllinen vanhemmille, vähemmän kehittyneille, epäkunnossa prosessoreille tai sitä käytetään kriittisissä muistitoiminnoissa.

Muistin esteet voivat aiheuttaa suorituskyvyn haittaa. Tämä johtuu siitä, että ne estävät aktiivisesti CPU-ajastinta optimoimasta käskyvirran tiettyjä osia. Tämä lisää putkilinjan jumiutumisen todennäköisyyttä.

Johtopäätös

Muistin este on ohje, joka varmistaa muistitoimintojen järjestysrajoituksen. Tämä on tärkeää, koska epäjärjestyksessä suoritetut suorittimet voivat järjestää tiettyjä ohjeita uudelleen. Vaikka rekisterin uudelleennimeäminen on vakiintunut tapa varmistaa muistin eheys tässä ympäristössä, voi olla hyödyllistä varmistaa se manuaalisesti.

Muistin este pakottaa suorittimen ajoittimen varmistamaan, että ohjeet on suoritettu loppuun ennen esteen jälkeistä ohjetta. Tämä estää muistitoimintojen uudelleenjärjestämisen. Se myös estää CPU:ta optimoimasta käskyvirtaa, mikä voi vaikuttaa suorituskykyyn.