Раздел: Технические науки
РЕФЕРАТ

Содержание.

Вступление. *
Необходимость применения Hyper-Threading. *
Совместимость технологии Hyper-Threading. *
Заключение. *

Intel Pentium 4 с тактовой частотой 3,06 ГГц и поддержкой технологии Hyper-Threading.
Вступление.

Совсем не так уж и давно вышел Pentium 4 2,8 ГГц, однако, компания Intel изобрела новое процессорное ядро, способное к постоянному “разгону”.
От предыдущей типовой модели рассматриваемый нами процессор отличается не только более высокой частотой (больше предыдущего на мегагерц). На данном процессоре компанией Intel применяется технология эмуляции двух процессоров на одном процессорном ядре, доступная раньше лишь на сверх дорогих Xeon.
Радует и тот факт, что на всех последующие моделях Pentium 4, начиная с рассматриваемого, будет применятся такая технология, как Hyper-Threading.
Фактически технология Hyper-Threading — это многопроцессорность, только виртуальная. Ибо процессор Pentium 4 на самом деле один, а операционная система процессоров видит два.

К обыкновенному однопроцессорному процессору добавили еще один блок AS — IA-32 Architectural State. В общем-то его назначение заключается в том, что он содержит состояние регистров (общего назначения, управляющих, APIC, служебных). Фактически, AS#1 плюс единственное физическое ядро (блоки предсказания ветвлений, ALU, FPU, SIMD-блоки и пр.) представляет из себя один логический процессор (LP1), а AS#2 плюс все то же физическое ядро — второй логический процессор (LP2).
У каждого LP есть свой собственный контроллер прерываний (APIC — Advanced Programmable Interrupt Controller) и набор регистров. Для корректного использования регистров двумя LP существует специальная таблица — RAT (Register Alias Table), согласно данным в которой можно установить соответствие между регистрами общего назначения физического CPU. RAT у каждого LP своя. В результате получается схема, при которой на одном и том же ядре могут свободно выполняться два независимых фрагмента кода т. е. де-факто — многопроцессорную систему!

Теперь разберемся с тем, как работает классическая система Symmetric Multi-Processor (SMP). Но для начала отметим, что поддержкой данной технологии могут обладать не все операционные системы.
Все ОС компании Microsoft обладают поддержкой данной технологии. Также данной поддержкой обладают все ОС, основанные на идеологии Unix — всевозможные Free- Net- BSD, коммерческие Unix (такие как Solaris, HP-UX, AIX), и многочисленные разновидности Linux.
Если в данный момент времени исполняется одно приложение — то все ресурсы одного процессора будут отданы ему, второй же будет просто простаивать. Если приложений стало два — второе будет отдано на исполнение второму CPU, так что по идее скорость выполнения первого не должна уменьшиться, но на самом деле все сложнее.
Исполняемое пользовательское приложение может быть запущено всего одно, но количество процессов (т. е. фрагментов машинного кода, предназначенных для выполнения некой задачи) в многозадачной ОС всегда намного больше. Поэтому на самом деле второй CPU способен немного “помочь” даже одиночной задаче, взяв на себя обслуживание процессов, порожденных операционной системой.
Сначала отметим, что поток отличается от процесса только двумя вещами — он во-первых никогда не порождается пользователем (процесс может запустить как система, так и человек, в последнем случае процесс = приложение; появление потока инициируется исключительно запущенным процессом), и во-вторых — поток выгружается вместе с родительским процессом независимо от своего желания.
Во время работы даже одно приложение может порождать потоки, которые при наличии нескольких CPU могут исполняться на них по отдельности. Так, например, поступают почти все программы рендеринга — они специально писались с учетом возможности работы на многопроцессорных системах. Поэтому в случае использования потоков выигрыш от SMP иногда довольно вес о м даже в “однозадачной” ситуации.
И вообще если две задачи одновременно работают с ОЗУ, мешать они друг другу будут все равно, даже если CPU у каждой свой. Это происходит из-за того, что в классической SMP-системе оба процессора работают каждый со своим кэшем и набором регистров, но память у них общая.

А если вообще приблизится к реальности, то пользователь имеет дело не с одним, не с двумя, и даже не с тремя процессами. На приведенном коллаже (это действительно коллаж, потому что со скриншота Task Manager были удалены все пользовательские процессы, т. е. приложения, запускаемые “для работы”) хорошо видно, что “голая” Windows XP, сама по себе, не запустив еще ни одного приложения, уже породила 12 процессов, причем многие из них к тому же еще и многопоточные, и общее количество потоков достигает двухсот восьми штук!
На картинке приведены некоторые процессы.

Исходя из этого, рассчитывать на то, что удастся прийти к схеме “по собственному CPU на каждую задачу” совершенно не приходится, и переключаться между фрагментами кода процессоры будут все равно — и физические, и виртуальные. Впрочем, на самом деле все не так грустно — при грамотно написанном коде ничего в данный момент не делающий процесс (или поток) процессорного времени практически не занимает (это тоже видно на коллаже).

Необходимость применения Hyper-Threading.

Компания Intel, если внимательно посмотреть, никогда не отличалась абсолютным совершенством своих продуктов, более того — вариации на те же темы от других производителей подчас получались гораздо более интересными и концептуально стройными. Однако, как оказалось, абсолютно все делать совершенным и не нужно — главное чтобы чип олицетворял собой какую-то идею, и идея эта приходилась очень вовремя и к месту. И еще — чтобы ее просто не было у других.
Так было с Pentium, когда Intel противопоставила весьма производительному в целочисленных операциях AMD Am5x86 мощный FPU. Так было с Pentium II, который получил широкую шину и быстрый кэш второго уровня, благодаря чему за ним так и не смогли угнаться все процессоры Socket 7. Так было и с Pentium 4, который противопоставил всем остальным наличие поддержки SSE2 и быстрый рост частоты — и тоже де-факто выиграл. Сейчас Intel предлагает Hyper-Threading.
Я думаю, что стоит задуматься — почему производитель, известный грамотностью своих инженеров (ни слова про маркетологов) и громадными суммами, которые он тратит на исследования, предлагает эту технологию.
Объявить Hyper-Threading “очередной маркетинговой штучкой”, конечно, проще простого. Однако не стоит забывать, что это технология , она требует исследований, денег на разработку, времени, сил. Не проще ли было нанять за меньшую сумму еще одну сотню PR-менеджеров или сделать еще десяток красивых рекламных роликов? Видимо, не проще. А значит, “что-то в этом есть”. Следует попытаться понять даже не то, что получилось в результате, а то, чем руководствовались разработчики IAG (Intel Architecture Group), когда принимали решение — разрабатывать “эту интересную мысль” дальше, или отложить на потом.
Как ни странно, для того чтобы понять как функционирует Hyper-Threading, вполне достаточно понимать как работает любая многозадачная операционная система. И действительно — ведь исполняет же каким-то образом один процессор сразу десятки задач? Этот “секрет” всем уже давно известен — на самом деле, конечно одновременно все равно выполняется только одна (на однопроцессорной системе) задача, просто переключение между кусками кода разных задач выполняется настолько быстро, что создается иллюзия одновременной работы большого количества приложений.
По сути, Hyper-Threading предлагает то же самое, но реализована аппаратно, внутри самого CPU. Есть некоторое количество различных исполняющих блоков (ALU, MMU, FPU, SIMD), и есть два “одновременно” исполняемых фрагмента кода. Специальный блок отслеживает, какие команды из каждого фрагмента необходимо выполнить в данный момент, после чего проверяет, загружены ли работой все исполняющие блоки процессора. Если один из них простаивает, и именно он может исполнить эту команду — ему она и передается. Естественно, существует и механизм принудительного посыла команды на выполнение — в противном случае один процесс мог бы захватить весь процессор (все исполняющие блоки) и исполнение второго участка кода (исполняемого на втором “виртуальном CPU”) было бы прервано. Данный механизм (пока) не является интеллектуальным т. е. не способен оперировать различными приоритетами, а просто чередует команды из двух разных цепочек в порядке живой очереди. Если, конечно, не возникает ситуации, когда команды одной цепочки по исполняющим блокам нигде не конкурируют с командами другой. В этом случае получается действительно на 100% параллельное исполнение двух фрагментов кода.
Самое очевидное следствие применения технологии Hyper-Threading — повышение коэффициента полезного действия процессора. Действительно — если одна из программ использует в основном целочисленную арифметику, а вторая — выполняет вычисления с плавающей точкой, то во время исполнения первой FPU просто ничего не делает, а во время исполнения второй — наоборот, ничего не делает ALU. Казалось бы, на этом можно закончить.
Однако это идеальный (с точки зрения применения Hyper-Threading) вариант. Следует рассмотреть и другой: обе программы задействуют одни и те же блоки процессора. Понятно, что ускорить выполнение в данном случае довольно сложно — ибо физическое количество исполняющих блоков от “виртуализации” не изменилось. А вот не замедлится ли оно?
Если процессор не поддерживает Hyper-Threading, то имеется просто “честное” поочередное выполнение двух программ на одном ядре с арбитром в виде операционной системы, и общее время их работы определяется:
- временем выполнения кода программы №1
- временем выполнения кода программы №2
- временными издержками на переключение между фрагментами кода программ №1 и №2

А вот при наличии данной технологии на процессоре дело облегчается:
- время выполнения программы №1 на процессоре №1 (виртуальном)
- время выполнения программы №2 на процессоре №2 (виртуальном)

время на переключение одного физического ядра (как набора требуемых обеим программам

исполняющих блоков) между двумя эмулируемыми “виртуальными CPU”

Компания Intel поступает вполне логично : конкурируют между собой по быстродействию только пункты за номером три, и если в первом случае действие выполняется программно аппаратно (ОС управляет переключением между потоками, задействуя для этого функции процессора), то во втором случае имеется полностью аппаратное решение — процессор все делает сам. Теоретически, аппаратное решение всегда оказывается быстрее программного.

Но проблемы все равно остаются, ведь Pentium 4 приходится иметь дело с классическим x86-кодом, в котором активно используется прямое адресование ячеек и даже целых массивов, находящихся за пределами процессора — в ОЗУ. К тому же большинство обрабатываемых данных чаще всего находится там. Поэтому делить между собой виртуальные CPU будут не только регистры, но и общую для обеих процессорную шину, минуя которую данные в CPU попасть просто не могут.
На сегодняшний день “честные” двухпроцессорные системы на Pentium III и Xeon находятся в точно такой же ситуации ! Потому что шина AGTL+, доставшаяся в наследство всем сегодняшним процессорам Intel от знаменитого Pentium Pro (в дальнейшем ее лишь подвергали модификациям, но идеологию практически не трогали) — всего одна, сколько бы CPU ни было установлено в системе.
Рискуя всем, отойти от схемы на x86 попробовала только AMD со своим Athlon MP — у AMD 760MP/760MPX от каждого процессора к северному мосту чипсета идет отдельная шина. Впрочем, даже в таком варианте проблема отодвигается не очень далеко, так как шина памяти точно одна, причем вот в этом случае уже везде.
Но отметим, что даже из этого, в общем-то, не очень приятного момента Hyper-Threading может помочь извлечь какую-то пользу. Дело в том, что по идее должен будет наблюдаться существенный прирост производительности не только в случае с несколькими задачами, использующими разные функциональные блоки процессора, но и в том случае, если задачи по-разному работают с данными, находящимися в ОЗУ. Если одно приложение что-то усиленно считает “внутри себя”, другое же — постоянно подкачивает данные из ОЗУ, то общее время выполнения их в случае использования Hyper-Threading по идее должно уменьшиться даже если они используют одинаковые блоки исполнения инструкций хотя бы потому, что команды на чтение данных из памяти смогут обрабатываться в то время, пока наше первое приложение будет что-то считать.

Совместимость технологии Hyper-Threading.

Начнем опять с проблем. Не все ОС (даже поддерживающие многопроцессорность) могут работать с таким CPU как с двумя . Проблема кроется в изначальном определении количества процессоров при инициализации операционной системы. Intel прямо заявляет, что ОС без поддержки ACPI второй логический процессор увидеть не смогут. Кроме того, BIOS системной платы также должен уметь определять наличие процессора с поддержкой Hyper-Threading. Фактически, применительно, к примеру, к Windows, это означает, что оказывается неприемлемой не только линейка Windows 9x, но и Windows NT — последняя ввиду отсутствия поддержки ACPI не сможет работать с одним новым Pentium 4 как с двумя.

Несмотря на заблокированную возможность работы с двумя физическими процессорами, с двумя логическими, получаемыми с помощью Hyper-Threading, сможет работать Windows XP Home Edition.

К сожалению новые CPU с частотой более 3 ГГц могут потребовать замены системной платы, потому что Windows XP Professional, кстати, несмотря на ограничение количества физических процессоров до двух, при двух установленных CPU с поддержкой Hyper-Threading честно “видит” четыре.
Даже при номинальном сохранении все того же процессорного разъема Socket 478 Intel не удалось оставить в неприкосновенности потребляемую мощность и тепловыделение новых процессоров. Увеличение потребления по току связано не только с ростом частоты, но и с тем, что из-за ожидаемого использования “виртуальной многопроцессорности” нагрузка на ядро в среднем вырастет, следовательно, возрастет и средняя потребляемая мощность. “Старые” системные платы в некоторых случаях могут быть совместимы с новыми CPU — но только если делались “с запасом”. Грубо говоря, те производители, которые делали свои платы в соответствии с рекомендациями самой Intel относительно потребляемой Pentium 4 мощности, оказались в проигрыше по отношению к тем, кто немного перестраховался.Но и это еще не все. Кроме ОС, BIOS и электроники платы, с технологией Hyper-Threading должен быть совместим еще и чипсет . Поэтому счастливыми обладателями двух процессоров по цене одного смогут стать только те, чья системная плата основана на одном из новых чипсетов с поддержкой 533 МГц FSB: i850E, i845E, i845PE/GE.

Заключение.
Изучив все аспекты (как положительные, так и отрицательные) выпуска компанией Intel нового процессора, можно сказать, что мы хоть и не много, но значительно продвинулись. Дело тут не только в лишних двухстах мегагерцах, а и в новой технологии под названием – Hyper-Threading
С теоретической точки зрения технология Hyper-Threading выглядит весьма неплохо и соответствует реалиям сегодняшнего дня. Ведь на сегодняшний день уже довольно редко можно застать пользователя с одним сиротливо открытым окном на экране — всем хочется одновременно и музыку слушать, и по Internet бродить, и диски с любимыми MP3 записывать, а может даже, и поиграть на этом фоне в какую-нибудь компьютерную игру.
Однако плюс технологии Hyper-Threading не является всеобъемлющим и глобальным. Она позволяет увеличить коэффициент полезного действия процессора в определенных ситуациях. В частности — в ситуациях, когда одновременно исполняются разнородные по характеру приложения. Понятно, что появление CPU, способного в два раза быстрее делать все то, что делалось ранее — это громадный прорыв. Однако Intel не стал инициировать начало новой эпохи перемен, просто добавив своему процессору возможность кое-что делать быстрее.
Hyper-Threading — это сочетание процессов развлекательных или служебных с процессами рабочими. Пользователь не получит существенного ускорения от CPU с поддержкой этой технологии в большинстве классических многопроцессорных задач, или если по привычке будет запускать только одно приложение в один момент времени. Но он скорее всего получит уменьшение времени исполнения многих фоновых задач , исполняемых в качестве “довеска” к обычной работе. Фактически, Intel просто еще раз напомнила всем нам, что операционные системы, в которых мы работаем — многозадачные . И предложила способ ускорения — но не столько одного какого-то процесса самого по себе, сколько комплекса выполняемых одновременно приложений . Это интересный и достаточно востребованный подход.
В заключении отметим, что нельзя назвать Hyper-Threading пустяковой технологией, так как при определенных комбинациях она дает вполне ощутимый эффект. Даже намного больший эффект, чем иногда наблюдается при сравнении, к примеру, двух платформ с одним процессором на разных чип сетах. Хотя эффект этот наблюдается не всегда, и существенно зависит от стиля работы пользователя с компьютером. Причем именно здесь проявляется то что: Hyper-Threading — это не SMP . Классический SMP-стиль, где пользователь рассчитывает на реакцию столь же классической “честной” многопроцессорной системы, здесь не даст желаемого результата.