計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)專題研究學(xué)習(xí)報(bào)告.ppt

計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)專題研究學(xué)習(xí)報(bào)告,報(bào)告人：劉曉莉 2006年6月26日,超線程專題,作者：劉曉莉 033355 張雪蓮 033354,研究背景,CPU生產(chǎn)商為了提高CPU性能，通常做法是提高CPU的時(shí)鐘頻率和增加緩存容量 目前CPU的頻率越來(lái)越快，若依然采用以上方法來(lái)提高性能，必定會(huì)受到制造工藝上的限制以及成本過(guò)高的制約,研究背景（續(xù)一）,目前大多數(shù)執(zhí)行線程缺乏ILP（Instruction-Level Parallelism，多種指令同時(shí)執(zhí)行）支持，使得CPU的性能沒(méi)有得到全部的發(fā)揮 提高CPU性能的另一種途徑提高并行性 Intel公司采用第二種途徑,研究背景（續(xù)二）,2002年初，Intel公司在為服務(wù)器領(lǐng)域提供的Xeon處理器中應(yīng)用了超線程技術(shù) 其后，Intel公司在頻率為3.06GHz或更高的奔騰四處理器中應(yīng)用了超線程技術(shù) 超線程技術(shù)進(jìn)入PC機(jī)領(lǐng)域,研究背景（續(xù)三）,WINDOWS 2000系列、WINDOWS XP以及較新版本的LINUX操作系統(tǒng)都能很好的支持超線程技術(shù) OFFICE 2000/XP、MAYA等多種軟件均支持超線程技術(shù),什么是超線程技術(shù)？概念,通過(guò)在硬件上的微小改變 增加獨(dú)立的一套指令指針、寄存器別名 表、返回棧指針、高級(jí)編程中斷控制器 等一些硬件投入 利用特殊的硬件指令 從軟件和操作系統(tǒng)的角度來(lái)看,單處理器CPU表現(xiàn)為兩個(gè)或更多的邏輯CPU 邏輯CPU間采用共享的Cache、總線等重要 資源，從而能保持較低的成本增加,什么是超線程技術(shù)？概念（續(xù)）,單處理器能使用線程級(jí)并行計(jì)算 兼容多線程操作系統(tǒng)和軟件 減少了CPU的閑置時(shí)間，提高了CPU的運(yùn)行效率,超線程技術(shù)如何工作？,超線程如何工作？（續(xù)一）,兩個(gè)邏輯處理器都處于空閑等待狀態(tài)，等待請(qǐng)求執(zhí)行的線程； 第一個(gè)線程到來(lái)，第一個(gè)邏輯處理器接受并跟蹤執(zhí)行此線程； 第二個(gè)線程到來(lái)，CPU立即組織空閑的處理單元，第二個(gè)邏輯處理器利用這些單元在執(zhí)行第一個(gè)線程的同時(shí)接受第二個(gè)線程并執(zhí)行； 當(dāng)兩個(gè)線程同時(shí)需要某一個(gè)共享資源（如加法器、總線等）時(shí)，通過(guò)一定的調(diào)度方式讓其中一個(gè)邏輯處理器先使用此資源，而另一個(gè)邏輯處理器等待到資源可用為止。,超線程技術(shù)如何工作？（續(xù)二）,就這樣，CPU總是能使用不同部分同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)線程，只有兩個(gè)邏輯處理器產(chǎn)生資源沖突時(shí)，兩個(gè)正在執(zhí)行的線程才感知“別人”的存在，而其它時(shí)間他們就猶如獨(dú)占CPU一樣順利執(zhí)行。這使得CPU得到充分的利用，從而達(dá)到了提高系統(tǒng)性能的目的,超線程技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),由于線程級(jí)并行的實(shí)現(xiàn)，它能通過(guò)兩種方式改進(jìn)系統(tǒng)性能： 每個(gè)邏輯CPU運(yùn)行同一應(yīng)用程序的不同線程，從而加速原本是多線程的應(yīng)用程序的速度； 每個(gè)邏輯CPU運(yùn)行不同應(yīng)用程序的線程，在這種方式下它能增加包含多個(gè)應(yīng)用的多任務(wù)系統(tǒng)的工作量。,超線程技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)一）,超線程技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)還在于，它通過(guò)添加少數(shù)的硬件以及軟件支持的“小付出”做到了提高CPU的使用率、提高系統(tǒng)性能的“大回報(bào)” 有數(shù)據(jù)表明，超線程技術(shù)的使用利用5%的硬件投入使系統(tǒng)性能提高了25%！,超線程技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)二）,超線程技術(shù)在Web服務(wù)、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)等很多服務(wù)器領(lǐng)域的應(yīng)用中表現(xiàn)優(yōu)異； 主流的桌面芯片組基本都已可以支持超線程技術(shù)，用戶無(wú)需額外的花費(fèi)； Windows XP已經(jīng)針對(duì)超線程技術(shù)做出優(yōu)化，在運(yùn)行多個(gè)不支持多線程的程序時(shí)，性能也可能會(huì)獲得提高。即便帶來(lái)?yè)p失，也會(huì)顯得比較輕微； 在某些支持多線程的軟件應(yīng)用上能夠得到30%左右的性能提升，如3dsmax、Maya、Office、Photoshop等。Intel甚至在一項(xiàng)測(cè)試中取得了90%的提高。,超線程技術(shù)的不足,超線程技術(shù)主要有以下兩個(gè)缺點(diǎn)： 單任務(wù)模式下邏輯處理器的閑置會(huì)造成資源浪費(fèi) 解決兩個(gè)邏輯處理器資源沖突時(shí)會(huì)產(chǎn)生延遲，沖突大量出現(xiàn)時(shí)會(huì)降低系統(tǒng)性能,超線程技術(shù)的不足（續(xù)一）,當(dāng)運(yùn)行單線程應(yīng)用軟件時(shí)，超線程技術(shù)甚至?xí)档拖到y(tǒng)性能，尤其在多線程操作系統(tǒng)運(yùn)行單線程軟件時(shí)容易出現(xiàn)此問(wèn)題 下面通過(guò)對(duì)英特爾P4 超線程技術(shù)的分析來(lái)討論,超線程技術(shù)的不足（續(xù)二）,英特爾P4 超線程技術(shù)有兩個(gè)運(yùn)行模式，Single Task Mode（單任務(wù)模式）及Multi Task Mode（多任務(wù)模式） 當(dāng)程序不支持Multi-Processing（多處理器作業(yè)）時(shí)，系統(tǒng)會(huì)停止其中一個(gè)邏輯CPU的運(yùn)行 此時(shí)資源集中于單個(gè)邏輯CPU中，使單線程程序不會(huì)因其中一個(gè)邏輯CPU閑置而減低性能 然而，被停止運(yùn)行的邏輯CPU還是會(huì)等待工作，占用一定的資源 因此具有超線程功能的CPU運(yùn)行Single Task Mode程序模式時(shí)，有可能達(dá)不到不帶超線程功能的CPU性能，雖然性能差距不會(huì)太大,超線程技術(shù)的不足（續(xù)三）,超線程技術(shù)還有一個(gè)由資源沖突引起的不可避免的缺陷 超線程技術(shù)并不像兩個(gè)真正的CPU那樣，各CPU都具有獨(dú)立的資源 如果兩個(gè)線程都同時(shí)需要某一個(gè)資源時(shí)就會(huì)出現(xiàn)資源沖突 解決沖突時(shí)會(huì)出現(xiàn)延遲或需要重新開(kāi)始執(zhí)行某個(gè)程序；尤其當(dāng)沖突大量出現(xiàn)時(shí)，性能就會(huì)降低，甚至?xí)葲](méi)有超線程技術(shù)時(shí)更差！,超線程技術(shù)與雙核心技術(shù)的區(qū)別,很多普通用戶可能分不清楚超線程技術(shù)與雙核心技術(shù)。例如，開(kāi)啟了超線程技術(shù)的Pentium 4 530與Pentium D 530在操作系統(tǒng)中都同樣被識(shí)別為兩顆處理器 它們究竟是不是一樣的呢？這個(gè)問(wèn)題確實(shí)具有迷惑性,超線程技術(shù)與雙核心技術(shù)的區(qū)別 （續(xù)一）,從最簡(jiǎn)單的方面講： 雙核心技術(shù)可以理解為兩個(gè)“物理”處理器，是一種“硬”的方式 超線程技術(shù)只是兩個(gè)“邏輯”處理器，是一種“軟”的方式,超線程技術(shù)與雙核心技術(shù)的區(qū)別 （續(xù)二）,從實(shí)質(zhì)上說(shuō)，超線程技術(shù)和雙核心技術(shù)是提高系統(tǒng)并行性的兩種典型應(yīng)用 超線程技術(shù)采用資源共享方法 雙核心技術(shù)采用資源重復(fù)方法,超線程技術(shù)和雙核心技術(shù)的區(qū)別 （續(xù)三）,從原理上來(lái)說(shuō)，超線程技術(shù)屬于Intel版本的多線程技術(shù) 超線程技術(shù)中的兩個(gè)邏輯處理器沒(méi)有獨(dú)立的執(zhí)行單元、整數(shù)單元、寄存器甚至緩存等資源。它們?cè)谶\(yùn)行過(guò)程中仍需要共用執(zhí)行單元、緩存和系統(tǒng)總線接口 在執(zhí)行多線程時(shí)，兩個(gè)邏輯處理器交替工作 如果兩個(gè)線程都同時(shí)需要某一個(gè)資源時(shí)，其中一個(gè)要暫停并要讓出資源，要待那些資源閑置時(shí)才能繼續(xù) 因此，超線程技術(shù)所帶來(lái)的性能提升遠(yuǎn)不能等同于兩個(gè)相同時(shí)鐘頻率處理器帶來(lái)的性能提升?？梢哉f(shuō)Intel的超線程技術(shù)僅可以看做是對(duì)單個(gè)處理器運(yùn)算資源的優(yōu)化利用。,超線程技術(shù)和雙核心技術(shù)的區(qū)別 （續(xù)四）,雙核心技術(shù)是通過(guò)“硬”的物理核心實(shí)現(xiàn)多線程工作 每個(gè)核心擁有獨(dú)立的指令集、執(zhí)行單元，與超線程中所采用的模擬共享機(jī)制完全不一樣 在操作系統(tǒng)看來(lái)，它是實(shí)實(shí)在在的雙處理器，可以同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，能讓處理器資源真正實(shí)現(xiàn)并行處理模式，其效率和性能提升要比超線程技術(shù)要高得多，不可同日而語(yǔ) 因此超線程技術(shù)是通過(guò)少量的硬件增加，實(shí)現(xiàn)大量資源共享，從而得到系統(tǒng)性能的提高。而雙核心技術(shù)則是運(yùn)用資源重復(fù)的原理在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)處理器，來(lái)達(dá)到對(duì)系統(tǒng)性能的大幅度提高。,超線程技術(shù)的應(yīng)用,對(duì)于PC而言，超線程技術(shù)無(wú)疑是一項(xiàng)革命性的技術(shù)，它將為個(gè)人電腦用戶帶來(lái)全新的體驗(yàn) 英特爾公司副總裁兼臺(tái)式機(jī)平臺(tái)事業(yè)部總經(jīng)理Louis Burns先生說(shuō)：“多任務(wù)應(yīng)用在目前的生活和工作中隨處可見(jiàn)，人們自然希望個(gè)人電腦也能夠以同樣的多任務(wù)方式運(yùn)行。超線程技術(shù)是一項(xiàng)突破性的計(jì)算創(chuàng)新，它可以幫助家庭和商業(yè)用戶在更短的時(shí)間里完成更多的工作。”,超線程技術(shù)的應(yīng)用（續(xù)）,已經(jīng)出現(xiàn)四年之久的超線程技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是在PC機(jī)領(lǐng)域，大有主導(dǎo)市場(chǎng)的趨勢(shì) 然而，各種指責(zé)也是伴隨著超線程技術(shù)一路走來(lái)。業(yè)內(nèi)某些技術(shù)專家曾經(jīng)指出，使用了超線程技術(shù)處理器的服務(wù)器性能出現(xiàn)了許多問(wèn)題，例如SQL Server服務(wù)器和Citrix終端服務(wù)器環(huán)境下，啟用了英特爾超線程技術(shù)的主板在大負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下表現(xiàn)出性能的顯著降低。 他們同時(shí)指出，如果禁用超線程技術(shù)，性能立即就會(huì)恢復(fù)到預(yù)期的水平。 甚至還有一些人曾經(jīng)指出Intel超線程技術(shù)存在漏洞，會(huì)使Linux/Unix容易被黑客攻擊！,超線程技術(shù)的發(fā)展方向,經(jīng)過(guò)了四年的時(shí)間考驗(yàn)，隨著相關(guān)軟硬件的發(fā)展成熟、系統(tǒng)的完善，可以說(shuō)超線程技術(shù)也已經(jīng)充分地體現(xiàn)出了它的能力和價(jià)值 在迅速發(fā)展的計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，它能否笑到最后？,超線程技術(shù)的發(fā)展方向（續(xù)一）,超線程技術(shù)原本的目的在于，通過(guò)資源共享提高對(duì)計(jì)算機(jī)的單個(gè)處理器的利用率 隨著處理器制造工藝的發(fā)展，使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)擁有多個(gè)處理器的夢(mèng)想成為可能 Intel首席技術(shù)官Justin Rattner在今年三月份表示，鑒于多核心處理器時(shí)代即將到來(lái)，Intel原有的超線程技術(shù)即將走到末路,超線程技術(shù)的發(fā)展方向（續(xù)二）,新興的多核處理技術(shù)必將取代超線程技術(shù) 然而，超線程技術(shù)所使用的資