Như đã đề cập phần trước , một vấn đề chính của CPU là có quá nhiều Cache "miss" , bởi vì Fetch Unit phải truy cập trực tiếp tới bộ nhớ hệ thống RAM chậm
Trang 1CPU làm việc như thế nào ( phần 3 )
[10/07/2006 03:06]
(Phần 2)
(Phần 3)
Quá trình phân nhánh
Như đã đề cập phần trước , một vấn đề chính của CPU là có quá nhiều Cache "miss" , bởi vì Fetch Unit phải truy cập trực tiếp tới bộ nhớ hệ thống RAM chậm , như vậy sẽ làm hệ thống chậm đi
Thông thường sử dụng bộ nhớ Cache để tránh vấn đề trên , nhưng có một tình huống hay xảy ra ở đó phần điều khiển Cache sẽ bị "miss" : bị phân nhánh Nếu trong khoảng giữa của chương trình có lệnh gọi là JMP ( lệnh Jump hoặc Go to ) gửi chương trình tới một vị trí hoàn toàn khác trong tình huống này không thể tải ở trong bộ nhớ Cache L2 , nó làm cho Fetch Unit phải truy cập trực tiếp vào bộ nhớ hệ thống RAM Trong lệnh để giải quyết tình huống này , phần điều khiển Cache của CPU phân tích khối bộ nhớ mà nó tải về để tìm xem lệnh JMP nằm ở đâu và nó sẽ tải khối bộ nhớ đó vào trong Cache L2 trước khi CPU yêu cầu lệnh những JMP này
Hình dưới đây mô tả tình huống rẽ nhánh không điều kiện
Đây là vấn đề dễ giải quyết , còn một vấn đề là kh ichương trình rẽ nhánh có điều kiện , có nghĩa là chương trình sẽ chạy tuỳ thuộc vào điều kiện có hay không biết trước Lấy ví dụ : nếu a=<b thì chạy tới địa chỉ 1 hoặc nếu a>b chạy tới địa chỉ 2
Chúng ta sẽ xem hình dưới đây:
Trang 2Trong tình huống trên dễ xảy ra tình trạng Cache "miss" bởi vì giá trị a , b chưa biết trước mà phần điều khiển Cache chỉ tìm được lệnh JMP
Giải pháp như sau : phần điều khiển Cache sẽ tải cả hai điều kiện vào trong bộ nhớ Cache Sau cùng khi CPU xử lí lệnh rẽ nhánh nó sẽ đơn giản huỷ bỏ một điều kiện không được chọn tới Đó là tốt nhất để tải bộ nhớ Cache còn hơn là truy cập trực tiếp dữ liệu bên trong bộ nhớ hệ thống RAM
Quá trình xử lí các lệnh
Fetch Unit sẽ tải những lệnh từ bộ nhớ Đầu tiên nó sẽ tìm những lệnh mà CPU yêu cầu bên trong Cache chỉ dẫn ( lệnh ) L1 , nếu không có nó sẽ tới bộ nhớ Cache L2 Nếu lệnh cũng không có nó sẽ tải trực tiếp từ bộ nhớ của hệ thống RAM Khi chúng ta bất máy tính tất cả bộ nhớ Cache hoàn toàn rỗng , khi hệ thống bắt đầu tải chương trình hệ thống , CPU sẽ bắt đầu xử lí những lệnh đầu tiên được tải từ ổ cứng và phần điều khiển cache bắt đầu tải vào bộ nhớ Cache , và quá trình làm việc bắt đầu
Sau khi Fetch Unit lấy những lệnh được CPU yêu cầu để xử lí , nó sẽ gửi chúng tới Decode Unit ( phần giải mã )
Decode Unit sẽ tính ra những lệnh thông thường để làm Nó làm bằng một chương trình trong bộ nhớ ROM tồn tại bên trong CPU gọi là Microcode Mỗi một lệnh để cho CPU hiểu được đặt trong microcode Microcode sẽ "dạy" cho CPU phải làm những gì Nó như là hướng dẫn từng bước một cho mọi lệnh Nếu lệnh được tải , ví dụ , a+b , microcode sẽ nói cho Decode Unit rằng nó cần hai tham số a và b Decode Unit sẽ yêu cầu Fetch Unit lấy dữ liệu ở trong hai ô nhớ mà giá trị bên trong là a và b Sau đó Decode Unit sẽ "dịch" lệnh này và lấy tất cả dữ liệu yêu cầu để thực hiện lệnh Nó sẽ lấy dữ liệu một cách từng bước một để tới phần thực hiện lệnh ( Execute Unit ) và cho biết lệnh đó thực hiện như thế nào
Execute Unit cuối cùng sẽ thực hiện lệnh đó Trong nhiều kiểu CPU chúng ta sẽ thấy có một vài Execute Unit làm việc song song với nhau Điều này sẽ làm tăng hiệu suất của quá trình xử lí lệnh Ví dụ : một CPU có sáu Excute Unit có thể thực hiện sáu lệnh song song với nhau , do đó về mặt lí thuyết nó có thể đạt được như là sáu bộ vi xử lí bên trong một Execute Unit Cấu trúc như vậy gọi là cấu trúc Superscalar
Thông thường CPU không có vài Execute Unit riêng biệt , chúng có Execute Unit chuyên để thực hiện một loại lệnh nào đó
Ví dụ là FPU , Float Point Unit, được sử dụng để thực hiện những phép toán phức tạp
Bình thường giữa Decode Unit và Execute Unit có một phần gọi là Dispatch ( hoặc Schedule Unit ) để gửi lệnh tới đúng Execute Unit mà nó cần , có nghĩa là nếu lệnh là phép toán nó sẽ được gửi tới FPU nếu không phải nó sẽ gửi tới Execute Unit chung Những Execute Unit chung đó gọi là ALU, Arithmetic and Logic Unit
Cuối cùng khi quá trình xử lí kết thúc , kếy quả được gửi tới Cache dữ liệu L1 Kết quả này có thể dược gửi quay trở lại bộ nhớ hệ thống RAM hoặc gửi tới một chỗ khác , ví dụ như card màn hình Nhưng điều này sẽ phụ thuộc vào lệnh tiếp theo
Trang 3mà trong quá trình xử lí tiếp diễn ( lệnh tiếp theo có thể là " in kết quả ra màn hình ").
Một đặc điểm cần quan tâm khác mà tất cả bộ vi xử lí có một thời gian dài gọi là "pipeline" , khả năng có vài lệnh khác nhau
ở những tầng ( stage ) khác nhau của CPU trong cùng một thời gian
Sau khi Fetch Unit gửi lệnh tới Decode Unit , nó sẽ tạm nghỉ không làm gì có phải không ? Do đó nó sẽ phải làm gì để thay thế thời gian không làm gì , có yêu cầu Fetch Unit lấy lệnh tiếp theo không ? Khi lệnh đầu tiên tới Execute Unit , Fetch Unit
có thể gửi lệnh tiếp theo tới Decode Unit và tiếp tục lấy tiếp lệnh thứ ba , cứ như thế
Trong kiểu CPU có 11 stage ( stage là tên khác của mỗi thành phần - unit - bên trong CPU ) , có sẽ có thể có 11 lệnh bên trong liên tục trong cùng một lúc Trên thực tế tất cả kiểu CPU đều có cấu trúc Superscalar , có nhiều lệnh thực hiện liên tục bên trong CPU
Như trên đã nói CPU có Pipeline 11-stage , thì một lệnh để thực hiện đầy đủ sẽ phải qua 11 phần ( unit) Số tầng càng cao thì thời gian trễ để thực hiện một lệnh đầy đủ càng lớn
Có một vài mẹo nhỏ được sử dụng trong một vài kiểu CPU để tăng hiệu suất Chúng ta sẽ giải thích hai trong số chúng đó
là Out-Of-Order execution (OOO) và thực hiện suy đoán Speculative Execution
