計算機體系結(jié)構(gòu)專題研究學(xué)習(xí)報告.ppt

計算機體系結(jié)構(gòu)專題研究學(xué)習(xí)報告,報告人：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的時鐘頻率和增加緩存容量 目前CPU的頻率越來越快，若依然采用以上方法來提高性能，必定會受到制造工藝上的限制以及成本過高的制約,研究背景（續(xù)一）,目前大多數(shù)執(zhí)行線程缺乏ILP（Instruction-Level Parallelism，多種指令同時執(zhí)行）支持，使得CPU的性能沒有得到全部的發(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)進入PC機領(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,通過在硬件上的微小改變 增加獨立的一套指令指針、寄存器別名 表、返回棧指針、高級編程中斷控制器 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)的角度來看,單處理器CPU表現(xiàn)為兩個或更多的邏輯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并行計算 兼容多線程操作系統(tǒng)和軟件 減少了CPU的閑置時間，提高了CPU的運行效率,超線程技術(shù)如何工作？,超線程如何工作？（續(xù)一）,兩個邏輯處理器都處于空閑等待狀態(tài)，等待請求執(zhí)行的線程； 第一個線程到來，第一個邏輯處理器接受并跟蹤執(zhí)行此線程； 第二個線程到來，CPU立即組織空閑的處理單元，第二個邏輯處理器利用這些單元在執(zhí)行第一個線程的同時接受第二個線程并執(zhí)行； 當(dāng)兩個線程同時需要某一個共享資源（如加法器、總線等）時，通過一定的調(diào)度方式讓其中一個邏輯處理器先使用此資源，而另一個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執(zhí)行兩個線程，只有兩個邏輯處理器產(chǎn)生資源沖突時，兩個正在執(zhí)行的線程才感知“別人”的存在，而其它時間他們就猶如獨占CPU一樣順利執(zhí)行。這使得CPU得到充分的利用，從而達到了提高系統(tǒng)性能的目的,超線程技術(shù)的優(yōu)點,由于線程級并行的實現(xiàn)，它能通過兩種方式改進系統(tǒng)性能： 每個邏輯CPU運行同一應(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； 每個邏輯CPU運行不同應(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（續(xù)一）,超線程技術(shù)的優(yōu)點還在于，它通過添加少數(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” 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（續(xù)二）,超線程技術(shù)在Web服務(wù)、SQL數(shù)據(jù)庫等很多服務(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)，用戶無需額外的花費； Windows XP已經(jīng)針對超線程技術(shù)做出優(yōu)化，在運行多個不支持多線程的程序時，性能也可能會獲得提高。即便帶來損失，也會顯得比較輕微； 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甚至在一項測試中取得了90%的提高。,超線程技術(shù)的不足,超線程技術(shù)主要有以下兩個缺點： 單任務(wù)模式下邏輯處理器的閑置會造成資源浪費 解決兩個邏輯處理器資源沖突時會產(chǎn)生延遲，沖突大量出現(xiàn)時會降低系統(tǒng)性能,超線程技術(shù)的不足（續(xù)一）,當(dāng)運行單線程應(yīng)用軟件時，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)運行單線程軟件時容易出現(xiàn)此問題 下面通過對英特爾P4 超線程技術(shù)的分析來討論,超線程技術(shù)的不足（續(xù)二）,英特爾P4 超線程技術(shù)有兩個運行模式，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，系統(tǒng)會停止其中一個邏輯CPU的運行 此時資源集中于單個邏輯CPU中，使單線程程序不會因其中一個邏輯CPU閑置而減低性能 然而，被停止運行的邏輯CPU還是會等待工作，占用一定的資源 因此具有超線程功能的CPU運行Single Task Mode程序模式時，有可能達不到不帶超線程功能的CPU性能，雖然性能差距不會太大,超線程技術(shù)的不足（續(xù)三）,超線程技術(shù)還有一個由資源沖突引起的不可避免的缺陷 超線程技術(shù)并不像兩個真正的CPU那樣，各CPU都具有獨立的資源 如果兩個線程都同時需要某一個資源時就會出現(xiàn)資源沖突 解決沖突時會出現(xiàn)延遲或需要重新開始執(zhí)行某個程序；尤其當(dāng)沖突大量出現(xiàn)時，性能就會降低，甚至?xí)葲]有超線程技術(shù)時更差！,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)中都同樣被識別為兩顆處理器 它們究竟是不是一樣的呢？這個問題確實具有迷惑性,超線程技術(shù)與雙核心技術(shù)的區(qū)別 （續(xù)一）,從最簡單的方面講： 雙核心技術(shù)可以理解為兩個“物理”處理器，是一種“硬”的方式 超線程技術(shù)只是兩個“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）,從實質(zhì)上說，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）,從原理上來說，超線程技術(shù)屬于Intel版本的多線程技術(shù) 超線程技術(shù)中的兩個邏輯處理器沒有獨立的執(zhí)行單元、整數(shù)單元、寄存器甚至緩存等資源。它們在運行過程中仍需要共用執(zhí)行單元、緩存和系統(tǒng)總線接口 在執(zhí)行多線程時，兩個邏輯處理器交替工作 如果兩個線程都同時需要某一個資源時，其中一個要暫停并要讓出資源，要待那些資源閑置時才能繼續(xù) 因此，超線程技術(shù)所帶來的性能提升遠不能等同于兩個相同時鐘頻率處理器帶來的性能提升?？梢哉fIntel的超線程技術(shù)僅可以看做是對單個處理器運算資源的優(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“硬”的物理核心實現(xiàn)多線程工作 每個核心擁有獨立的指令集、執(zhí)行單元，與超線程中所采用的模擬共享機制完全不一樣 在操作系統(tǒng)看來，它是實實在在的雙處理器，可以同時執(zhí)行多項任務(wù)，能讓處理器資源真正實現(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 因此超線程技術(shù)是通過少量的硬件增加，實現(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)則是運用資源重復(fù)的原理在系統(tǒng)中設(shè)置兩個處理器，來達到對系統(tǒng)性能的大幅度提高。,超線程技術(shù)的應(yīng)用,對于PC而言，超線程技術(shù)無疑是一項革命性的技術(shù)，它將為個人電腦用戶帶來全新的體驗 英特爾公司副總裁兼臺式機平臺事業(yè)部總經(jīng)理Louis Burns先生說：“多任務(wù)應(yīng)用在目前的生活和工作中隨處可見，人們自然希望個人電腦也能夠以同樣的多任務(wù)方式運行。超線程技術(shù)是一項突破性的計算創(chuàng)新，它可以幫助家庭和商業(yè)用戶在更短的時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)在計算機領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是在PC機領(lǐng)域，大有主導(dǎo)市場的趨勢 然而，各種指責(zé)也是伴隨著超線程技術(shù)一路走來。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)的主板在大負荷運行狀態(tài)下表現(xiàn)出性能的顯著降低。 他們同時指出，如果禁用超線程技術(shù)，性能立即就會恢復(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)過了四年的時間考驗，隨著相關(guān)軟硬件的發(fā)展成熟、系統(tǒng)的完善，可以說超線程技術(shù)也已經(jīng)充分地體現(xiàn)出了它的能力和價值 在迅速發(fā)展的計算機領(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，通過資源共享提高對計算機的單個處理器的利用率 隨著處理器制造工藝的發(fā)展，使得一臺計算機擁有多個處理器的夢想成為可能 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代即將到來，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