Sabtu, 19 September 2015
Mengapa kecepatan kinerja komputer meningkat begitu banyak sejak tahun 1970? Dalam menjawab pertanyaan, Alan Clements dari Universitas Teesside
menjelaskan perbedaan antara arsitektur komputer dan organisasi
komputer, dan pentingnya kedua berkaitan dengan bagaimana komputer telah
berevolusi.
Dari prasejarah sampai zaman modern, Sejak tahun 1970 kinerja komputer telah meningkat empat kali lipat. Mengapa komputer saat ini jauh lebih cepat? Sebagian itu karena perbaikan dalam teknologi semikonduktor. Sebagian itu karena cara di mana kita mengatur komputer. Mengejutkan itu tak ada hubungannya dengan kemajuan arsitektur komputer.Hardware, arsitektur dan organisasi Judul teks berurusan dengan pengoperasian komputer akan mencakup beberapa susunan kata-kata 'hardware', 'arsitektur' atau 'organisasi' . Meskipun 'arsitektur' dan 'organisasi' telah digunakan secara sinonim di masa lalu, hari ini mereka memiliki arti yang berbeda.Arsitektur Komputer adalah model abstrak dan pandangan programmer dalam hal instruksi, mode pengalamatan dan register. Organisasi Sebuah komputer mengungkapkan realisasi arsitektur. Arsitektur menggambarkan apa komputer tidak dan organisasi menjelaskan bagaimana melakukannya.
Arsitektur dan organisasi independen; Anda dapat mengubah organisasi dari komputer tanpa mengubah arsitektur. Sebagai contoh, arsitektur 64-bit dapat internal diselenggarakan sebagai mesin 64-bit benar atau sebagai mesin 16-bit yang menggunakan empat siklus untuk menangani nilai 64-bit.Perbedaan antara arsitektur dan organisasi yang terbaik diilustrasikan oleh contoh non-komputer. Apakah tuas transmisi di bagian mobil dari arsitekturnya atau organisasi? Arsitektur mobil sederhana; itu mengangkut Anda dari A ke B. tuas persneling milik organisasi mobil karena menerapkan fungsi mobil tapi bukan bagian dari fungsi (mobil tidak intrinsik membutuhkan tuas persneling).Komputer membaca instruksi dari memori, mengambil data, melakukan operasi pada data dan menyimpan hasil. Mereka menyediakan operasi aritmatika, logis dan pergeseran dasar. Beberapa komputer membiarkan Anda menentukan tiga operan, sedangkan beberapa menggunakan dua operan, memaksa Anda untuk lebih-menulis operan sumber.Beberapa komputer memungkinkan Anda untuk beroperasi data dalam memori sementara yang lain membatasi operasi untuk register. Beberapa komputer memiliki banyak register dan beberapa sangat sedikit. Beberapa memungkinkan Anda mengakses data dalam memori pada alamat yang diberikan; orang lain memaksa Anda untuk mengakses data secara tidak langsung melalui register pointer.Dan itu saja. Benar-benar ada sedikit variasi antara set instruksi (yaitu arsitektur) dari komputer yang berbeda.
Selama bertahun-tahun, arsitektur telah hampir tidak berubah dan pelopor komputer dari tahun 1950-an akan memiliki sedikit kesulitan dalam mengikuti bahasa assembly mikroprosesor modern. Tidak adanya perubahan arsitektur mungkin karena keterbatasan sumber daya on-chip (misalnya ketidakmampuan untuk mengatasi ribuan register), ketidakmampuan kompiler untuk mengeksploitasi fitur kompleks atau kebutuhan untuk kompatibilitas (harus menjalankan perangkat lunak tahun lalu pada PC tahun ini telah menjadi faktor kunci dalam keberhasilan PC).Gambar 1, dari Hewlett Packard [3], menggambarkan pertumbuhan kinerja komputer. Garis lurus merupakan pertumbuhan karena faktor teknologi. Peningkatan tambahan dalam kinerja adalah karena perubahan dalam organisasi.Perkembangan organisasi komputer
Komputer berjalan lebih cepat bukan karena instruksi baru tetapi karena cara di mana instruksi dilaksanakan.Jika
Anda berpikir dari sebuah komputer sebagai pabrik instruksi dan
bagaimana pabrik dapat ditata kembali, Anda baik pada jalan menuju
pemahaman bagaimana organisasi komputer telah maju. Sebuah kemajuan yang signifikan dalam organisasi komputer tiba dengan
revolusi RISC dari tahun 1980-an ketika pipelining menjadi populer.Alih-alih
melaksanakan instruksi untuk menyelesaikan sebelum memulai yang
berikutnya, instruksi dieksekusi secara bertahap oleh unit-unit
fungsional yang didedikasikan. Sebagai instruksi baru itu sedang diambil dari memori, yang sebelumnya sedang diterjemahkan; operan yang dibutuhkan oleh instruksi sebelum yang sedang diambil, dan sebagainya.Eksekusi ini teknik pemecahan instruksi ke dalam fase n dan instruksi
dieksekusi hingga n kali lebih cepat dari model non-pipelined.
Pipelining adalah bukan teknik baru yang radikal, paling tidak karena Henry Ford sudah lama diterapkan untuk produksi mobil. Pipelining tidak pernah hidup sampai janjinya. Misalkan instruksi yang mengubah aliran kontrol seperti cabang bersyarat dibawa ke dalam pipa.Pada
saat itu sampai ke ujung pipa dan komputer menyadari yang memiliki
untuk mengambil instruksi dari alamat non-sekuensial, semua petunjuk
diambil setelah cabang tidak lagi diperlukan. Instruksi tersebut disebut bahaya kontrol dan slot waktu yang terbuang dalam pipa disebut warung.Desainer komputer telah mengambil pendekatan yang lebih canggih yang pernah ke pipelining. Instruksi cabang terdeteksi dini dan hasil mereka diprediksi (yaitu diambil atau tidak diambil). Jika cabang diperkirakan sebagai diambil, mengambil mesin segera mendapat instruksi dari cabang alamat target ke dalam pipa.Sebagai contoh, jika BEQ XYZ terdeteksi dan prediktor tebakan 'diambil', instruksi yang diambil dari lokasi XYZ.
Jika prediksi ini benar, kios pipa tidak terjadi karena data yang tepat adalah di tempat yang tepat pada waktu yang tepat. Tentu saja jika prediksi salah pipa harus memerah. Hebatnya teknik cerdas yang digunakan untuk memprediksi hasil dari
cabang dengan melihat konstruksi semantik menggunakan cabang bersyarat.
Misalnya, untuk ... lingkaran cabang kembali pada setiap iterasi kecuali yang terakhir, sehingga memprediksi diambil adalah taruhan yang aman. Teknik prediksi lainnya mencatat sejarah pola cabang (bukan seperti penjudi berikut pacuan kuda) dan menggunakan sejarah masa lalu untuk menebak hasil masa depan cabang.Gambar 1 menggambarkan meningkatkan kinerja karena tiga variasi dalam organisasi komputer: tingkat instruksi paralelisme (ILP) yang menggunakan beberapa unit eksekusi; out-of-order ILP mana instruksi tidak dilaksanakan dalam rangka Program alami mereka memungkinkan komputer untuk melihat ke depan; dan eksekusi instruksi paralel eksplisit di mana beban penanganan out-of-order eksekusi dipindahkan dari CPU ke compiler.Masing-masing cara-cara alternatif pengorganisasian prosesor memberikan peningkatan berguna dalam kecepatan.Dinding memoriSelama bertahun-tahun, kecepatan komputer telah meningkat lebih cepat dari kecepatan memori. 'Memory wall' mengacu pada penghalang untuk maju bahwa memori tampaknya menyajikan karena dibutuhkan jauh lebih lama untuk mengakses data dari memori daripada untuk melakukan operasi internal [4]. Mungkin tantangan terbesar yang dihadapi desainer komputer mengatasi dinding memori.Memori cache memberikan solusi sementara dengan menjaga salinan data yang sering diakses di RAM cepat.
Selama
bertahun-tahun cache yang telah berkembang dari beberapa byte ke 4
Mbytes dan penelitian telah menyelidiki mekanisme cache yang semakin
efisien; misalnya, cache korban hang ke data yang dikeluarkan dari cache penuh dalam kasus itu diperlukan lagi dalam waktu dekat. Namun bahkan memori cache tidak bisa mengatasi latency memori semakin panjang.Karena Anda tidak dapat menghilangkan latency memori, desainer telah berusaha untuk menyembunyikannya. Pengenalan Hyperthreading menyediakan prosesor dengan dua set
register, yang masing-masing memegang konteks thread kode (program
counter, register, status prosesor).Misalkan satu thread berjalan dan memori diakses.
Dari pada menunggu data, set kedua register diaktifkan untuk beralih
konteks dan memungkinkan thread lain untuk menjalankan sementara thread
saat sedang menunggu memori.Seperti
kemampuan manufaktur telah membaik, beberapa prosesor dapat berada pada
satu chip memberikan keuntungan dari HyperThreading dan memungkinkan
eksekusi simultan petunjuk di kedua benang, serta latency-bersembunyi. Anda bahkan dapat menerapkan Hyperthreading untuk kedua prosesor untuk memungkinkan pelaksanaan empat thread.Multimedia drive fitur arsitektur baruMeskipun perkembangan arsitektur komputer telah agak sederhana selama
dua dekade terakhir, pengenalan tujuan khusus operasi vektor kecil
(kadang-kadang disebut ekstensi multimedia) memberikan pengecualian yang
signifikan.Meskipun prosesor modern mendukung 64-bit wordlengths, elemen data 8-
atau 16-bit yang digunakan oleh pengolahan audio video dan aplikasi
multimedia tidak dapat dengan mudah mengeksploitasi wordlengths lebar.
Operasi
vektor singkat membagi 64-bit register menjadi delapan byte dan
melakukan operasi di pasang kata 8-byte secara bersamaan; misalnya ADDP R1, R2 bisa menambahkan delapan byte R1 delapan byte dalam R2 dan menempatkan delapan jumlah satu-byte di R2. Dalam satu siklus clock, tindakan ini dapat menambah delapan pasang piksel dalam gambar.Ekstensi Multimedia juga menyediakan tipe data baru, integer jenuh. Dalam aritmatika biner konvensional, penambahan 1.111 + 1 hasil 0000 karena rollover. Dalam jenuh aritmatika biner operasi 1111 + 1 = 1111 karena Anda tidak bisa melampaui nilai tertinggi (maka saturasi istilah). Demikian pula, 0000-1 = 0000. Jenuh model aritmatika perilaku multimedia; misalnya, sebuah pixel tidak bisa menjadi lebih putih dari putih atau hitam dari hitam.Ringkasan
Pada artikel ini saya telah menyarankan bahwa peningkatan kecepatan prosesor lebih dari itu karena perangkat teknologi telah sebagian besar disebabkan perubahan dalam organisasi (pipelining, prediksi cabang, bersembunyi latency) daripada arsitektur. Namun salah satu perangkat tambahan yang signifikan arsitektur beberapa telah disediakan untuk mempercepat intensif operasi multimedia komputasi.
Seperti kepadatan transistor terus meningkat, itu akan menarik untuk melihat apakah tren yang sama terus selama dekade berikutnya dengan arsitektur konvensional tersisa dasarnya statis dan banyak penekanan ditempatkan pada paralelisme, bersembunyi latency atau bahkan prediksi nilai (yaitu menebak nilai operan sebelum diambil dari memori), atau apakah domain lanjut ekstensi arsitektur tertentu akan dimasukkan sesuai operasi multimedia seperti MPEG encoding dan decoding.
1. Patterson DA, Hennessey JL (2004) Organisasi Komputer dan Desain: The hardware / software antarmuka 3rd ed. Morgan Kaufmann.
2. Clements A (2000) Kurikulum sarjana di arsitektur komputer. IEEE Micro, 20 (3): 13-22.
3. Hewlett Packard Teknis Kertas (2002) Di dalam Intel Itanium 2 Processor.
4. Wulf WA, McKee SA (1995) Menekan dinding memori: Implikasi yang jelas. Arsitektur Komputer News, 23 (1): 20-24.
Langganan:
Posting Komentar (Atom)
0 komentar:
Posting Komentar