NEXT 1/2007 - 64-bitowa układanka

Coraz więcej osób zastanawia się, czy może skorzystać z 64-bitowego systemu operacyjnego i odpowiednich aplikacji oraz czego w efekcie należy się spodziewać. Dlaczego rezygnacja ze środowiska 32-bitowego jest tak ważna, jakie przynosi zyski i jakie problemy mogą się pojawić?

Aby zrozumieć istotę zmian wprowadzonych przez 64-bitowy tryb pracy, należy poznać nieco historii. Najpopularniejsze obecnie procesory o architekturze x86 wywodzą się w prostej linii z układów scalonych wykorzystywanych w kalkulatorach. Nic więc dziwnego, że podstawowym działaniem, jakie potrafiły na początku wykonywać, było dodawanie i mnożenie. Oczywiście, procesor zastosowany w pierwszych komputerach IBM PC miał już bardziej rozwiniętą listę rozkazową, jednak założenia konstrukcyjne niewiele się zmieniły.

Do wykonywania podstawowych działań wystarczał pojedynczy rejestr, tzw. akumulator, w którym zapisywany był młodszy bajt wyniku działania, zastępując jeden z operandów. Oprócz tego dostępny był rejestr pomocniczy BX, licznik pętli CX oraz rejestr DX, w którym zwracany był starszy bajt wyniku. Pozostałe cztery, tzw. rejestry specjalne, wykorzystywane były do adresowania pamięci, przy pobieraniu lub zapisywaniu danych.

Procesory od 8086 do 80386 pracowały synchronicznie z pamięcią, więc czas dostępu do danych w niej przechowywanych nie był dużym utrudnieniem – oczekiwanie na informacje trwało w większości instrukcji kilkanaście taktów. Wraz z rozwojem procesorów, czyli od pojawienia się układów i486 DX2, częstotliwość pracy procesora zaczęła rosnąć znacznie szybciej niż częstotliwość pamięci, co powodowało wydłużenie czasu oczekiwania na dane. Współczesne CPU pracują od 6 do 15 razy szybciej niż pamięć. Powoduje to powstawanie bardzo dużych opóźnień i gdyby nie stosowanie różnego rodzaju pamięci podręcznych oraz rozmaitych technik zmian kolejności przetwarzania ciągu instrukcji, obserwowalibyśmy ogromne zmniejszenie szybkości działania procesora. Dlatego bardzo istotne jest udostępnienie możliwości lokalnego przechowywania danych w rejestrach procesora.

Najważniejsze bloki funkcjonalne procesora

W strukturze procesora można wyróżnić wiele specjalizowanych bloków funkcjonalnych. Kolorami rozróżnione są generacje procesorów, w których wprowadzono poszczególne moduły.

Karkołomne sztuczki

W procesorach o architekturze x86 będących przedstawicielami CISC liczba rejestrów na­dal jest ograniczona. W 32-bitowym trybie pracy dostępne są jedynie 4, tylko ich długość została zwiększona z 8 do 32 bitów.

Tymczasem współczesne procesory typu  RISC mają od 32 do 64 rejestrów ogólnego przeznaczenia, a typu  VLIW – nawet 128. Tak duża liczba wynika z szybkości dostępu do przechowywanych danych – większość operacji może zostać wykonana w pojedynczym takcie zegara sterującego.

Próbą rozwiązania problemu opóźnień jest powiększenie pamięci podręcznej. Jednak nawet jeśli informacje znajdują się w  cache pierwszego poziomu, wówczas przestój procesora przy odwoływaniu się do nich trwa kilka taktów. Jeżeli dane muszą być pobrane z pamięci podręcznej drugiego poziomu, wówczas traconych jest kilkanaście do kilkudziesięciu taktów, co zależy od konkretnego modelu procesora. W kolejnych generacjach procesorów wprowadzono jeszcze inne sposoby obejścia tego ograniczenia. Najważniejsze z nich polegają na zmianie kolejności wykonywania instrukcji ( OoOE), tak by procesor nie czekał na pobranie danych z pamięci, a operował na tych, które są dostępne szybciej. Jest to jednak dość trudne do zrealizowania, a skuteczność działania nie jest stuprocentowa, bo często występują zależności kolejnych operacji od wyniku poprzedniego działania. W efekcie układy, które realizują wszelkie próby obejścia problemu, są bardzo złożone i zajmują duży fragment powierzchni w strukturze krzemowej, a to podnosi koszt wytworzenia procesora i zwiększa zużycie energii.

Ocena: (aktualna: 5,0; liczba głosów: 2)    (aby ocenić, musisz się zalogować w serwisie)

 del.icio.us |  Wykop mnie |  Digg this story |  dodajdo.com

• Trzy, a nawet cztery »
  procesor AMD
• 64-bitowa wydajność »
  szybkość działania aplikacji
• Scenariusze wdrożeń »
  Windows Server 2008
• Odmienić pulpit »
  raport: trendy w interfejsach użytkownika
• Polaris bliski działania »
  nowe sposoby konstruowania układów o dużej wydajności