Multithreading (bilgisayar mimarisi) - Multithreading (computer architecture)

Bu makalenin birden çok sorunu var. Lütfen yardım et onu geliştir veya bu konuları konuşma sayfası. (Bu şablon mesajların nasıl ve ne zaman kaldırılacağını öğrenin) Bu makale için ek alıntılara ihtiyaç var doğrulama. Lütfen yardım et bu makaleyi geliştir tarafından güvenilir kaynaklara alıntılar eklemek. Kaynaksız materyale itiraz edilebilir ve kaldırılabilir. Kaynakları bulun: "Multithreading" bilgisayar mimarisi  – Haberler  · gazeteler  · kitabın  · akademisyen  · JSTOR (Ekim 2009) (Bu şablon mesajını nasıl ve ne zaman kaldıracağınızı öğrenin) Bu makale muhtemelen içerir orjinal araştırma. Lütfen onu geliştir tarafından doğrulanıyor iddia edilen ve eklenen satır içi alıntılar. Yalnızca orijinal araştırmadan oluşan ifadeler kaldırılmalıdır. (Ekim 2010) (Bu şablon mesajını nasıl ve ne zaman kaldıracağınızı öğrenin) (Bu şablon mesajını nasıl ve ne zaman kaldıracağınızı öğrenin)

Tek bir işlemci üzerinde çalışan, iki yürütme parçacığı içeren bir süreç.

İçinde bilgisayar Mimarisi, çok iş parçacıklı yeteneğidir Merkezi işlem birimi (CPU) (veya bir çok çekirdekli işlemci ) çoklu sağlamak için yürütme konuları eşzamanlı olarak, işletim sistemi. Bu yaklaşım şundan farklıdır: çoklu işlem. Çok iş parçacıklı bir uygulamada, iş parçacıkları, hesaplama birimlerini içeren tek veya birden çok çekirdeğin kaynaklarını paylaşır, CPU önbellekleri, ve çeviri görünüm arabelleği (TLB).

Çoklu işlem sistemlerinin bir veya daha fazla çekirdekte birden fazla tam işlem birimi içerdiği durumlarda, çok iş parçacıklı, tek bir çekirdeğin kullanımını artırmayı amaçlamaktadır. iş parçacığı düzeyinde paralellik, Hem de öğretim düzeyinde paralellik. Bu iki teknik birbirini tamamlayıcı nitelikte olduğundan, bazen çoklu çok iş parçacıklı CPU'lara ve birden çok çok iş parçacıklı çekirdeğe sahip CPU'lara sahip sistemlerde birleştirilirler.

Genel Bakış

Çok iş parçacıklı paradigma daha fazla istismar etme çabaları arttıkça daha popüler hale geldi öğretim düzeyinde paralellik 1990'ların sonlarından beri durdu. Bu, kavramına izin verdi verim hesaplama daha özel bir alandan yeniden ortaya çıkmak hareket işleme. Tek bir iş parçacığını veya tek bir programı daha da hızlandırmak çok zor olsa da, çoğu bilgisayar sistemi aslında birden çok iş parçacığı veya program arasında çok görevlidir. Bu nedenle, tüm görevlerin verimini artıran teknikler, genel performans kazanımları ile sonuçlanır.

Aktarım hızı hesaplaması için iki ana teknik şunlardır: çok iş parçacıklı ve çoklu işlem.

Avantajlar

Bir iş parçacığı çok alırsa önbellekte eksik, diğer iş parçacıkları kullanılmayan bilgi işlem kaynaklarından yararlanmaya devam edebilir, bu da daha hızlı genel yürütmeye yol açabilir, çünkü bu kaynaklar yalnızca tek bir iş parçacığı çalıştırılırsa boşta kalır. Ayrıca, bir iş parçacığı CPU'nun tüm hesaplama kaynaklarını kullanamazsa (çünkü talimatlar birbirinin sonucuna bağlıdır), başka bir iş parçacığı çalıştırmak bu kaynakların boşta kalmasını engelleyebilir.

Dezavantajları

Önbellek veya önbellek gibi donanım kaynaklarını paylaşırken birden çok iş parçacığı birbirine müdahale edebilir. çeviri görünüm tamponları (TLB'ler). Sonuç olarak, daha düşük frekanslar veya iş parçacığı anahtarlama donanımını barındırmak için gerekli olan ek boru hattı aşamaları nedeniyle, tek bir iş parçacığının yürütme süreleri iyileştirilmez ve yalnızca bir iş parçacığı yürütülürken bile azaltılabilir.

Genel verimlilik değişir; Intel,% 30'a varan iyileşme iddia ediyor Hyper-Threading Teknolojisi,^[1] Optimize edilmemiş bağımlı kayan nokta işlemleri döngüsünü gerçekleştiren sentetik bir program paralel olarak çalıştırıldığında aslında% 100 hız artışı elde eder. Öte yandan, elle ayarlanmış montaj dili kullanan programlar MMX veya AltiVec uzantılar ve veri ön yüklemeleri gerçekleştirme (iyi bir video kodlayıcının olabileceği gibi) önbellekte eksikliklerden veya boşta kalan bilgi işlem kaynaklarından zarar görmez. Bu tür programlar, bu nedenle, donanım çoklu iş parçacığından yararlanamazlar ve gerçekten de paylaşılan kaynaklar için çekişme nedeniyle düşük performans görebilirler.

Yazılım açısından, çoklu okuma için donanım desteği yazılım tarafından daha görünürdür ve hem uygulama programlarında hem de işletim sistemlerinde çoklu işlemeye göre daha fazla değişiklik gerektirir. Desteklemek için kullanılan donanım teknikleri çok iş parçacıklı genellikle için kullanılan yazılım teknikleriyle paralel bilgisayar çoklu görev. İş parçacığı çizelgeleme aynı zamanda çok iş parçacıklı okumada önemli bir sorundur.

Çoklu kullanım türleri

Interleaved / Temporal multithreading

Kaba taneli çok iş parçacıklı okuma

En basit çoklu iş parçacığı türü, bir iş parçacığı, normalde uzun gecikmeli bir durma yaratan bir olay tarafından engellenene kadar çalıştığında ortaya çıkar. Böyle bir durma, yonga dışı belleğe erişmesi gereken ve verilerin geri dönmesi için yüzlerce CPU döngüsü gerektirebilecek bir önbellek kaybı olabilir. Sıkışmanın çözülmesini beklemek yerine, iş parçacıklı bir işlemci yürütmeyi çalışmaya hazır başka bir iş parçacığına geçirir. Yalnızca önceki iş parçacığının verileri geldiğinde, önceki iş parçacığı listeye geri yerleştirilirdi. koşmak için hazır İş Parçacığı.

Örneğin:

1. Döngü ben: talimat j iş parçacığından Bir verilir.
2. Döngü ben + 1: talimat j + 1 iş parçacığından Bir verilir.
3. Döngü ben + 2: talimat j + 2 iş parçacığından Bir tüm önbelleklerde eksik olan bir yükleme talimatı olan yayınlandı.
4. Döngü ben + 3: iş parçacığı zamanlayıcı çağrıldı, iş parçacığına geçer B.
5. Döngü ben + 4: talimat k iş parçacığından B verilir.
6. Döngü ben + 5: talimat k + 1 iş parçacığından B verilir.

Kavramsal olarak, kullanılan kooperatif çoklu görevlendirmeye benzer gerçek zamanlı işletim sistemleri, görevlerin bir tür olayı beklemeleri gerektiğinde yürütme süresinden gönüllü olarak vazgeçtiği. Bu tür çok iş parçacıklı okuma, blok, işbirlikçi veya kaba taneli çok iş parçacıklı olarak bilinir.

Çok iş parçacıklı donanım desteğinin amacı, engellenen bir iş parçacığı ile çalışmaya hazır başka bir iş parçacığı arasında hızlı geçişe izin vermektir. Bu amaca ulaşmak için donanım maliyeti, programın görünür kayıtlarını ve bazı işlemci kontrol kayıtlarını (program sayacı gibi) çoğaltmaktır. Bir iş parçacığından başka bir iş parçacığına geçiş, donanımın bir kayıt kümesini kullanmaktan diğerine geçmesi anlamına gelir; etkin iş parçacıkları arasında verimli bir şekilde geçiş yapmak için her etkin iş parçacığının kendi kayıt kümesine sahip olması gerekir. Örneğin, iki iş parçacığı arasında hızlıca geçiş yapmak için, yazmaç donanımının iki kez somutlaştırılması gerekir.

Çoklu iş parçacığı için ek donanım desteği, iş parçacığı değiştirmenin tek bir CPU döngüsünde yapılmasına izin vererek performans iyileştirmeleri getirir. Ayrıca, ek donanım, her bir iş parçacığının tek başına yürütülüyormuş gibi davranmasına ve diğer iş parçacıklarıyla herhangi bir donanım kaynağını paylaşmamasına izin vererek, uygulama ve işletim sistemi içinde çoklu okumayı desteklemek için gereken yazılım değişikliği miktarını en aza indirir.

Birçok aile mikrodenetleyiciler ve gömülü işlemciler, hızlı bağlam değiştirme kesintiler için. Bu tür şemalar, kullanıcı program dizisi ve kesme evreleri arasında çok iş parçacıklı bir blok türü olarak düşünülebilir.^{[kaynak belirtilmeli ]}

Interleaved multithreading

Interleaved multithreading işleminin amacı tüm veri bağımlılığı infazdan kaynaklanan duraklamalar boru hattı. Bir iş parçacığı diğer iş parçacıklarından nispeten bağımsız olduğundan, bir boru hattı aşamasındaki bir talimatın, ardışık düzendeki eski bir talimattan bir çıktıya ihtiyaç duyma şansı daha azdır. Kavramsal olarak benzer önleyici işletim sistemlerinde kullanılan çoklu görev; bir analoji, her aktif iş parçacığına verilen zaman diliminin bir CPU döngüsü olması olabilir.

Örneğin:

1. Döngü ben + 1: iş parçacığından bir talimat B verilir.
2. Döngü ben + 2: iş parçacığından bir talimat C verilir.

Bu tür çok iş parçacıklı okuma, ilk olarak varil işleme olarak adlandırıldı; burada bir varilin çıtaları, boru hattı aşamalarını ve bunların çalıştırma iş parçacığını temsil eder. Aralıklı, önleyici, ince taneli veya zaman dilimli çok iş parçacıklı okuma daha modern terminolojidir.

Çok iş parçacıklı blok tipinde tartışılan donanım maliyetlerine ek olarak, aralıklı çok iş parçacıklı okuma, işlediği talimatın iş parçacığı kimliğini izleyen her bir boru hattı aşamasının ek maliyetine sahiptir. Ayrıca, ardışık düzen içinde eşzamanlı olarak yürütülen daha fazla iş parçacığı olduğundan, önbellekler ve TLB'ler gibi paylaşılan kaynakların, farklı iş parçacıkları arasında çarpışmayı önlemek için daha büyük olması gerekir.

Eşzamanlı çoklu okuma

En gelişmiş çoklu okuma türü aşağıdakiler için geçerlidir: süper skalar işlemciler. Normal bir süper skalar işlemci, her CPU döngüsünde tek bir iş parçacığından birden çok talimat verirken, eşzamanlı çok iş parçacıklı (SMT) bir süper skalar işlemci, her CPU döngüsünde birden çok iş parçacığından talimatlar verebilir. Herhangi bir tek iş parçacığının sınırlı miktarda olduğunu kabul ederek öğretim düzeyinde paralellik, bu tür çok iş parçacıklı okuma, kullanılmayan sorun yuvalarıyla ilişkili atıkları azaltmak için birden çok iş parçacığı genelinde mevcut olan paralellikten yararlanmaya çalışır.

Örneğin:

1. Döngü ben: Talimatlar j ve j + 1 iş parçacığından Bir ve talimat k iş parçacığından B eşzamanlı olarak verilir.
2. Döngü ben + 1: talimat j + 2 iş parçacığından Bir, talimat k + 1 iş parçacığından Bve talimat m iş parçacığından C hepsi aynı anda yayınlanır.
3. Döngü ben + 2: talimat j + 3 iş parçacığından Bir ve talimatlar m + 1 ve m + 2 iş parçacığından C hepsi aynı anda yayınlanır.

Diğer çoklu iş parçacığı türlerini SMT'den ayırmak için "zamansal çoklu okuma ", bir seferde yalnızca bir iş parçacığından talimat verilebileceğini belirtmek için kullanılır.

Serpiştirilmiş çok iş parçacıklı okuma için tartışılan donanım maliyetlerine ek olarak, SMT, işlenen her talimatın iş parçacığı kimliğini izleyen her bir boru hattı aşamasının ek maliyetine sahiptir. Yine, önbellekler ve TLB'ler gibi paylaşılan kaynakların, işlenen çok sayıda etkin iş parçacığı için boyutlandırılması gerekir.

Uygulamalar şunları içerir: ARALIK (sonra Compaq ) EV8 (tamamlanmamıs), Intel Hyper-Threading Teknolojisi, IBM GÜÇ5, Sun Microsystems UltraSPARC T2, Cray XMT, ve AMD Buldozer ve Zen mikro mimariler.

Uygulama özellikleri

Önemli bir araştırma alanı, daha sonra yürütmek için çalıştırmaya hazır iş parçacığı listesinden hızlı bir şekilde seçim yapması gereken iş parçacığı zamanlayıcıdır ve ayrıca çalışmaya hazır ve durdurulmuş iş parçacığı listelerini korur. Önemli bir alt konu, zamanlayıcı tarafından kullanılabilen farklı iş parçacığı öncelik şemalarıdır. İş parçacığı zamanlayıcı, tamamen yazılımda, tamamen donanımda veya bir donanım / yazılım kombinasyonu olarak uygulanabilir.

Başka bir araştırma alanı, hangi tür olayların bir iş parçacığı anahtarına neden olması gerektiğidir: önbellek eksiklikleri, iş parçacıkları arası iletişim, DMA tamamlama vb.

Çoklu okuma şeması, ayrıcalıklı kontrol kayıtları ve TLB'ler dahil olmak üzere yazılımın gördüğü tüm durumu kopyalarsa, Sanal makineler her iş parçacığı için oluşturulacak. Bu, her iş parçacığının aynı işlemci üzerinde kendi işletim sistemini çalıştırmasına izin verir. Öte yandan, yalnızca kullanıcı modu durumu kaydedilirse, daha az donanım gerekir, bu da aynı kalıp alanı veya maliyet için bir seferde daha fazla iş parçacığının etkin olmasına izin verir.

Ayrıca bakınız

• Süper iş parçacığı
• Spekülatif çoklu okuma

Referanslar

Dış bağlantılar

• Açık Çok İş Parçacıklı İşlemcilere Ait Bir İnceleme, ACM, Mart 2003, Theo Ungerer, Borut Robi ve Jurij Silc
• İşletim Sistemi | Çoklu Görev, Çoklu Kullanım ve Çoklu İşlem arasındaki fark GeeksforGeeks, 6 Eylül 2018.