Современные операционные системы

Современные операционные системы
Что такое операционная система / Многопоточные и многоядерные микропроцессоры

Многопоточные и многоядерные микропроцессоры




Закон Мура гласит, что количество транзисторов на одном кристалле удваивается каждые 18 месяцев. Этот «закон», в отличие от закона сохранения импульса, не имеет никакого отношения к физике, он появился в результате наблюдений одного из соучредителей корпорации Intel Гордона Мура (Gordon Moore) за темпами, с которыми шло уменьшение размеров транзисторов. Закон Мура соблюдался в течение трех десятилетий, и, как ожидается, будет соблюдаться как минимум еще одно десятилетие.

Высокая плотность размещения транзисторов ведет к проблеме: как распорядиться их возросшим количеством? Ранее мы уже ознакомились с одним из подходов к ее решению — использованием суперскалярной архитектуры, имеющей множество функциональных блоков. Но с ростом числа транзисторов открываются более широкие возможности. Одно из очевидных решений — размещение на кристалле центрального процессора более объемной кэш-памяти — уже воплощено в жизнь. Однако это порог, за которым дальнейшее увеличение объема кэш-памяти только уменьшает отдачу от этого решения.

Следующим очевидным шагом является дублирование не только функциональных блоков, но и части управляющей логики. Такие свойства, присущие процессору Pentium 4 и некоторым другим микропроцессорам, называются многопоточностью, или гиперпоточностью (hyperthreading по версии Intel). В первом приближении эта технология позволяет процессору сохранять состояние двух различных потоков и осуществлять переключения между ними за наносекунды. (Поток является разновидностью легковеского процесса, который, в свою очередь, является выполняющейся программой; подробности мы рассмотрим в главе 2.) Например, если одному из процессов нужно прочитать слово из памяти (что занимает несколько тактов), многопоточный процессор может переключиться на другой поток. Многопоточность не предлагает настоящей параллельной обработки данных. Одновременно работает только один процесс, но время переключения между процессами сведено до наносекунд.

Многопоточность оказывает влияние на операционную систему, поскольку каждый поток предстает перед ней как отдельный центральный процессор. Представим себе систему с двумя реальными процессорами, у каждого из которых организовано по два потока. Операционной системе будут видны четыре процессора. Если в какой-то момент времени у операционной системы найдутся задачи для загрузки только двух процессоров, она может непреднамеренно направить оба потока на один и тот же реальный процессор, а другой будет в это время простаивать. Эффективность такого режим работы намного ниже, чем использование по одному потоку на каждом реальном центральном процессоре. В архитектуре преемника Pentium 4, процессора Core (и Core 2), гиперпоточность отсутствует, но Intel объявила, что следующие за Core процессоры вновь обретут это свойство.

Кроме процессоров с многопоточностью, существуют процессоры, содержащие на одном кристалле два, четыре и более полноценных процессоров, или ядер. Например, четырехъядерные процессоры, показанные на рис. 1.8, фактически имеют в своем составе четыре мини-чипа, каждый из которых представляет собой независимым процессор. (Кэши мы рассмотрим чуть позже.) Несомненно, для использования такого многоядерного процессора потребуется многопроцессорная операционная система. SHAPE №6 2003



Полное описание: Многопоточные и многоядерные микропроцессоры




С этим описанием рассматриваются следующие темы:


Многопоточный процесс на однопроцессорной системе
Когда многопоточный процесс выполняется на однопроцессорной системе, потоки выполняются, сменяя друг друга. На рис. 2.1 мы видели работу процессов в многозадачном режиме. За счет переключения между несколькими процессами система создавала иллюзию параллельно работающих отдельных последовательных процессов. Многопоточный режим осуществляется аналогичным способом. Центральный процессор быстро переключается между потоками, создавая иллюзию, что потоки выполняются параллельно, пусть даже на более ме ... Читать

Четвертое поколение (с 1980 года по наши дни): персональные компьютеры
Следующий период эволюции операционных систем связан с появлением БИС — больших интегральных схем (LSI, Large Scale Integration) — кремниевых микросхем, содержащих тысячи транзисторов на одном квадратном сантиметре. С точки зрения архитектуры персональные компьютеры (первоначально называемые микрокомпьютерами) были во многом похожи на мини-компьютеры класса PDP-11, но, конечно же, отличались по цене. Если появление мини-компьютеров позволило отделам компаний и факультетам университетов иметь соб ... Читать

Шины
Структура, показанная на рис. 1.6, на протяжении многих лет использовалась в мини-компьютерах, а также в первой модели IBM PC. Но по мере увеличения скорости работы процессоров и памяти возможности единой шины (и, конечно, шины IBM PC) по обеспечению всех процессов обмена данными достигли своего предела. Нужно было что-то делать. В результате появились дополнительные шины как для более быстродействующих устройств ввода-вывода, так и для обмена данными между процессором и памятью. Вследствие этой ... Читать

Процессоры
Центральный процессор (ЦП) — это «мозг» компьютера. Он выбирает команды из памяти и выполняет их. Обычный цикл работы центрального процессора выглядит так: выборка из памяти первой команды, ее декодирование для определения ее типа и операндов, выполнение этой команды, а затем выборка, декодирование и выполнение последующих команд. Этот цикл повторяется до тех пор, пока не закончится программа. Таким образом осуществляется выполнение программ.

Модель процесса
В этой модели все выполняемое на компьютере программное обеспечение, иногда включая операционную систему, сведено к ряду последовательных процессов, или, для краткости, просто процессов. Процесс — это просто экземпляр выполняемой программы, включая текущие значения счетчика команд, регистров и переменных. Концептуально у каждого процесса есть свой, виртуальный, центральный процессор. Разумеется, на самом деле настоящий центральный процессор постоянно переключается между процессами, но чтобы поня ... Читать