Що таке барєр памяті?

Історично процесори були ідеально послідовними машинами. Це дуже логічно і легко зрозуміти, але може бути проблемою продуктивності. Протягом багатьох років було внесено багато геніальних коригувань дизайну ЦП, щоб отримати якомога більше продуктивності від кремнієвих пластин. Однією з найцікавіших є позачергове виконання. У центральних процесорах із позачерговим виконанням інструкції не обов’язково повинні виконуватися в тому порядку, в якому вони видані.

Зривається в порядку

Основна проблема продуктивності, з якою стикається центральний процесор у порядку, називається зупинкою конвеєра. Це трапляється, коли інструкція залежить від деякої пам’яті, але ця пам’ять недоступна безпосередньо в регістрі. У цьому випадку ЦП повинен знайти це значення в пам’яті. Спочатку перевіряється кеш ЦП, оскільки це найшвидший рівень пам’яті. Якщо значення немає, перевіряється оперативна пам’ять системи. Протягом цього часу ЦП має простоювати, оскільки залежна від пам’яті інструкція має бути виконана в порядку перед наступними інструкціями.

Вплив зупинки конвеєра на продуктивність може бути не таким поганим, але він також може бути відносно серйозним. Наприклад, кеш-пам’ять L1 зазвичай може повертати результат порядку величини 5 циклів ЦП. Кеш L2 може зайняти 20 циклів, L3 близько 200 циклів, а оперативна пам'ять системи близько 400 циклів. Враховуючи, що ЦП може працювати на частоті близько 5 ГГц, тобто 5 мільярдів тактів на секунду, навіть 400 тактів не так вже й погано (0,000008%). Але якщо у вас є багато інструкцій, які потребують посилань на дані на нижчих рівнях кешу, кумулятивний ефект може спричинити помітне уповільнення.

Виконання поза порядком і перейменування реєстру

Виконання поза порядком — це техніка, яка дозволяє планувальнику змінювати порядок інструкцій у своїй черзі. Завдяки такому переупорядкуванню він може визначити пріоритет певних потоків над іншими. Він також може повертати інструкції назад у чергу, якщо вони мають залежність даних, яка ще не виконана. Це максимально запобігає зупинці трубопроводу, зводячи до мінімуму цикли простою.

Виконання поза порядком потребує функції під назвою перейменування реєстру. ЦП може отримати доступ до даних, що зберігаються в регістрах, протягом одного циклу. Регістри використовуються для зберігання даних, які читаються та записуються. Однак важливо переконатися, що комп’ютер загалом бачить усе, що відбувається в логічному порядку, а не в непорядковому порядку, оптимізованому для циклу ЦП. Щоб увімкнути це, ЦП мають набагато більше логічних регістрів, ніж вимагає архітектура ЦП.

Дані, які необхідно виписати, але мають «попередню» інструкцію, яка ще не виконана, розміщуються в реєстрі зберігання. Ці дані не передаються до іншого реєстру, коли замовлення відсортовано. Натомість назву реєстру зберігання змінено на реєстр, у якому він має бути. Це дещо схоже на приготування десерту перед основною стравою, але потім його зберігання в холодильнику, доки не настане час подавати.

Ці логічні регістри абсолютно безадресні. Центральний процесор може справді звертатися лише до логічних регістрів, які на даний момент мають спільну назву з архітектурними регістрами. Тим не менш, ЦП також знає про них настільки, що якщо інші переупорядковані інструкції покладаються на дані в логічному регістрі зберігання, вони можуть використовувати їх, а не «застарілі» дані в архітектурному регістрі в цей конкретний емпіричний час.

Бар'єри пам'яті

Бар’єр пам’яті, який також називають елементом, огорожею пам’яті або інструкцією із загородженням, є інструкцією в комп’ютерному коді. Це дозволяє програмісту накладати обмеження на впорядкування операцій з пам’яттю, виданих до та після бар’єру пам’яті. Бар'єр пам'яті наказує планувальнику процесора забезпечити обробку всіх інструкцій перед будь-якою інструкцією після бар'єру. Це робиться для того, щоб важливі операції були виконані в правильному порядку.

Як правило, на сучасних комп’ютерах це не потрібно. Виконання поза порядком і перейменування реєстру є усталеними та зрілими сферами. Тим не менш, бар’єр пам’яті може бути корисним для старих, менш складних процесорів, що вийшли з ладу, або використовуватися в критичних операціях з пам’яттю.

Бар'єри пам'яті можуть призвести до деякої втрати продуктивності. Це тому, що вони активно перешкоджають планувальнику ЦП оптимізувати певні частини потоку інструкцій. Це збільшує ймовірність зупинки трубопроводу.

Висновок

Бар'єр пам'яті - це інструкція, яка забезпечує обмеження порядку операцій з пам'яттю. Це важливо, оскільки процесори виконання поза чергою можуть змінити порядок певних інструкцій. Хоча перейменування реєстру добре зарекомендувало себе як спосіб забезпечення цілісності пам’яті в цьому середовищі, може бути корисно забезпечити це вручну.

Бар'єр пам'яті змушує планувальник процесора переконатися, що інструкції виконуються до будь-якої інструкції після бар'єру. Це запобігає зміні порядку операцій із пам’яттю. Це також заважає ЦП оптимізувати потік інструкцій, що може вплинути на продуктивність.