Bài giảng Kiến trúc và tổ chức máy tính - Chương 3: Bộ xử lý trung tâm

dy Bridge/Mobile Express Series 6/Ultimate 6300 AGN – 2012: Ivy Bridge/Mobile Express Series 7/Ultimate-N 6300 – 2013: Haswell/Mobile Express Series 8/Wilkin Peak Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 66 bangtqh@utc2.edu.vn C.nghệ thực thi không theo trật tự
Các lệnh của chương trình thường được thực thi theo 2 phương pháp: – Thực thi tĩnh (theo trật tự - In Order Execution): Các lệnh được nạp, giải mã, thực hiện và kết thúc theo trật tự của chúng khi biên dịch. – Thực thi động(Không theo trật tự - Out of Order Execution) • Lệnh của chương trình được nạp và giải mã theo trật tự của chúng sau khi biên dịch • Các lệnh sau khi giải mã có thể thực hiện khác với trật tự của chúng sau biên dịch Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 67 bangtqh@utc2.edu.vn C.nghệ thực thi không theo trật tự
Ý tưởng chính – Các lệnh được thực thi (execute) ngay (không theo trật tự) nếu các tham số/toán hạng đầu vào của chúng đã sẵn sàng (trong các thanh ghi) – Các lện phải được hoàn tất (commit) ở giai đoạn lưu kết quả theo trật tự chương trình để đảm bảo kết quả thực hiện lệnh và kết quả của cả chương trình đúng.
Ưu điểm – Giảm tối thiểu thời gian chờ thực hiện; – Tận dụng tối đa năng lực của đơn vị thực hiện lệnh – Nếu có 1 lệnh phải dừng do chưa đủ điều kiện thực hiện thì lệnh phía sau đã đủ điều kiện được đẩy lên thực hiện trước Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 68 bangtqh@utc2.edu.vn C.nghệ thực thi không theo trật tự
Nhược điểm – Phức tạp hơn thực thi theo trật tự – Phải bổ sung thêm Khối cấp phát & Đổi tên thanh ghi – Bổ sung thêm bộ phận lập lịch động – Bổ sung thêm bộ sắp xếp và bộ thu hồi kết quả Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 69 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ OOE trong Pentium III Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 70 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ Advanced Smart Cache
Cache chia sẻ (L2 hoặc L3) giữa các nhân cho phép – Nếu các nhân có cùng nhu cầu xử lý 1 đơn vị dữ liệu, chỉ 1 copy của dữ liệu được nạp vào cache chia sẻ – Giảm lưu lượng trên bus hệ thống – Dung lượng cache được sử dụng hiệu quả hơn • Không có biên giới cứng phân chia cache giữa các nhân • Nếu 1 nhân có nhu cầu dữ liệu lớn hơn nhân khác, nó sẽ được cấp dung lượng cache nhiều hơn  tận dụng được không gian rảnh rỗi của cache – Do không gian cache sử dụng hiệu quả hơn  Không gian cache hiệu dụng lớn hơn  cạnh tranh trong cache giảm  tăng hệ số hit  tăng hiệu năng hệ thống Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 71 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ thông minh (tt) Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 72 bangtqh@utc2.edu.vn Cache thông minh trong Core i7 Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 73 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ tiết kiệm điện
Intel Speedstep là công nghệ cho phép tự động thay đổi xung nhịp CPU bằng phần mềm. – Xung nhịp điện áp được tự động điều chỉnh phù hợp với tải hệ thống, giúp giảm tiêu hao điện năng.
Hầu hết các OS hỗ trợ công nghệ Speedstep – Windows – Linux – Unix (BSD, Solaris,) – Mac OS Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 74 bangtqh@utc2.edu.vn Các phiên bản của Speedstep
V1.1 trong Pentium II: Hỗ trợ 2 chế độ làm việc thông qua điều chỉnh hệ số nhân xung nhịp – Tải cao: CPU hoạt động với xung nhịp 1GHz, tiêu thụ 20W – Tải thấp: CPU hoạt động với xung nhịp 600MHz tiêu thụ 6W
V2.1 (Enhanced Speedstep) trong Pentium III mobile tương tự như v1.1 nhưng đồng thời giảm điện áp trong CPU xuống trong chế độ tải thấp
V2.2 trong Pentium 4-M hỗ trợ 2 chế độ làm việc – Tải cao: CPU ở xung nhịp 1.8GHz tiêu thụ 30W – Tải thấp: CPU ở xung nhịp 1.2MHz tiêu thụ 20W Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 75 bangtqh@utc2.edu.vn Các phiên bản của Speedstep (tt)
V3.1 (Enhanced Intel Speedstep-EIST) trong PentiumM – Tự động điều chỉnh xung nhịp điện áp theo bước (100MHz với lõi Banias và 133MHz với lõi Dothan) trong khoảng 40-100% xung nhịp chuẩn – Bổ sung thêm khả năng điều chỉnh dung lượng hoạt động thực của bộ nhớ cache (ngắt điện bớt 1 phần cache trong chế độ tải thấp)
V3.2 (Enhanced EIST) – Cơ chế tương tự V3.1 – Hỗ trợ CPU nhiều nhân Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 76 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ Speedstep Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 77 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ siêu phân luồng
Hyper Threading Technology là công nghệ cho phép nhiêu luồng thực hiện chạy đồng thời trên 1 CPU vật lý – Do intel đưa ra vào năm 2002 trên CPU Xeon và sau đó là Pentium 4 – Công nghệ này được áp dụng trên các VXL họ Atom, Core iX và nhiệu họ VXL khác – Đòi hỏi Hệ điều hành phải hỗ trợ đa xử lý nhiều luồng đồng thời (Stimultaneous Multi-Threading)
Công nghệ siêu phân luồng được thiết kế nhằm cải thiện khả năng xử lý song song. – Mỗi CPU/Core vật lý có khả nưng thực hiện 2 luồng ảo – Các luồng ảo có khả năng chia sẻ tài nguyên và công việc. Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 78 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ siêu phân luồng (tt) Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 79 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ siêu phân luồng (tt)
Công nghệ HT được thực hiện bằng cách: – Mỗi CPU ảo có 1 số thành phần riêng, thường là phần lưu trạng thái kiến trúc (Architecture State), gồm đầy đủ các thanh ghi của nó (thanh ghi dữ liệu, thanh ghi đoạn,) – Các CPU ảo sẽ chia sẻ thành phân thực hiện của CPU vật lý Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 80 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ siêu phân luồng (tt)
Hệ điều hành nhìn CPU hỗ trợ phân luồng như 2 CPU logic – Cho phép Hệ điều hành lập lịch xử lý các luồng song song trên CPU ảo – Khi một luồng bị dừng vì một lý do nào đó, HĐH có thể cấp phát tài nguyên CPU vật lý cho luồng khác  giúp cải thiện hiệu năng
Tối ưu hóa HĐH trong hệ thống siêu phân luồng – Một hệ thống có 2 CPU vật lý, mỗi CPU vật lý hỗ trợ 2 CPU ảo  có 4 CPU ảo. Nếu bộ lập lịch của HĐH không hỗ trợ siêu phân luồng nó sẽ coi 4 CPU ảo là ngang nhau – Nếu tại một thời điểm có 2 luồng yêu cầu được thực hiện  HĐH chọn 2 CPU ảo và 1 CPU vật lý để chạy  một CPU vật lý tải rất cao trong khi CPU vật lý kia rỗi hoàn toàn  hiệu năng kém hơn hệ thống không hỗ trợ siêu phân luồng – Để tránh hiện tượng này, HĐH phải có khả năng phân biệt CPU vật lý và CPU ảo để lập lịch cho phù hợp Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 81 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ siêu phân luồng (tt)
Hiệu năng của hệ thống siêu phân luồng – Cải thiện hiệu năng cho các ứng dụng đa luồng – Cho phép nhiều luồng thực hiện đồng thời – Cải thiện được khả năng đáp ứng của ứng dụng
Số liệu thực nghiệm trên công nghệ siêu phân luồng – Tăng diện tích đế (die) khoảng 5% so với CPU thường – Hiệu năng tăng khoảng 15-30% (theo Intel) – Theo thực nghiệm của Tom’s Hardware, Pentium IV 3.0GHz có HT nhanh hơn Pentium IV 3.6 GHz không có HT – Hiệu năng phụ thuộc vào ứng dụng, nếu chạy đồng thời 2 chương trình nặng tải (tính toán nhiều) thì 1 hoặc cả 2 chạy chậm hơn khi có HT Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 82 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ ảo hóa (Virtualization)
Ảo hóa – Là sự kết hợp của các công nghệ phần cứng và phần mềm để tạo ra các máy ảo (VM – Virtual Machine) – Cho phép trừu tượng hóa phần cứng để 1 máy tính có thể hoạt đọng như nhiều máy tính
Ưu điểm – Giảm số máy vật lý nhưng vẫn đảm bảo sự đa dạng của nền tảng theo yêu cầu – Tiết kiệm không gian vật lý, điện năng và các tiện ích phục vụ khác – Hữu ích trong việc phát triển, kiểm thử phần mềm – Hỗ trợ cân bằng tải động và khôi phục sau sự cố – Sử dụng nhiều trong điện toán đám mấy, dịch vụ hóa tài nguyên phần cứng Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 83 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ ảo hóa (tt)
Virtual Machine Monitor (VMM) – Là phần trung tâm của công nghệ ảo hóa – Điểm khó khăn nhất trong thiết kết VMM là vấn đề điều khiển sử dụng tài nguyên vật lý 1 cách hiệu quả (Vấn đề ánh xạ bộ nhớ; Vấn đề ánh xạ thiết bị vào/ra.) Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 84 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ ảo hóa (tt)
CPU hỗ trợ ảo hóa giúp cho – Giảm tải các thao tác của VMM – Tăng tốc độ và năng lực của VMM – Giảm độ phức tạp khi phát riển VMM – Giúp VMM chia sẻ tài nguyên phần cứng hiệu quả hơn
Một số phần mềm tạo máy ảo như 1 ứng dụng trên HĐH nền – MS Windows Virtual PC – VMWare Workstation, VMWare Server – Oracle VM – KVM – Virtual Box – IMB VM – Sun xVM Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 85 bangtqh@utc2.edu.vn Công nghệ ảo hóa (tt)
Một số phần mềm tạo máy ảo như 1 HĐH nền – Microsoft Hyper-V – VMWare vSphere Hypervisor – Linux-VServer – Sloaris Containers – OpenVZ – Free VPS
Đặc điểm: – Được cài trực tiếp lên phần cứng vật lý, trực tiếp quản lý và tối ưu hóa cho chia sẻ tài nguyên phần cứng – Hỗ trợ nhiều máy ảo tốc độ cao – Thích hợp với ảo hóa máy chủ, tạo máy chủ ảo Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 86 bangtqh@utc2.edu.vn Thắc mắc – Thảo luận? Chương 3 - Bộ xử lý trung tâm 87