Немного о технологиях

Немного о технологиях

Поговорим немного о технологиях!

Я лично да и многие другие пользователи при выборе процессора или других компонентов ПК не раз интересовались значением таких названий как:
SMM, MMX, 3D NOW!, SSE, SSE2, SSE3, Hyper-Threading и так далее!
Так - же многие пользователи задавались вопросом о влиянии этих функций на быстродействие ПК!
Мне всегда было интересно узнать о этих технологиях, поэтому я решил познакомиться с ними по ближе да и поделиться с вами!

Информация будет периодически обновляться.

Режим управления системой (SMM)

Задавшись целью создавать более быстрые и мощные процессоры для ПК, Intel и AMD в начале 90-х годов начали внедрять "режим управления системой".
Это позволяет процессорам управлять на низком уровне системой энергосбережения.
Система SMM обладает изолированной средой программирования, открытую для операционных систем, прикладных программ и предназначена для использования системой БИОС и драйверами устройств.
Эта система впервые была внедрена в октябре 1990 года в мобильном процессоре 386SL. Так - же компания AMD внедрила эту систему в процессоры АМ486 и К5.
С этого момента все процессоры, поступающие на рынок, включали в себя систему SMM.
Режим SMM вызывается с помощью подачи сигнала на специальный вывод процессора, который генерирует "прерывание управление системой" (System Management Interrupt-SMI) - не маскируемое прерывание с наивысшим доступным приоритетом. При запуске SMM текущий контекст (состояние) процессора и выполняющихся программ сохраняется. После этого процессор переключается в специально выделенное адресное пространство и выполняет код SMM совершенно прозрачно для прерванной программы. После завершения работы кода SMM восстанавливается прежде сохраненный контекст прерванных программ и процессор продолжает работу в той точке, в которой он остановился.
Несмотря на то, что SMM изначально использовалась только для управления электропитанием, она предназначена для любой низкоуровневой системной функции, которой необходима работа, независимая от операционной системы и программного обеспечения.
В современных системах это следующие функции:

1. Функция управления электропитанием ACPI и APM
2. Поддержка портом USB старых устройств (клавиатура и мышь)
3. Загрузка устройств USB (эмуляция устройств)
4. Функции защиты паролем
5. Мониторинг температуры
6. Мониторинг скорости вентилятора
7. Чтение/запись CMOS, ОЗУ
8. Обновление BIOS
9. Протоколирование ошибок ЕСС памяти
10. Протоколирование ошибок других устройств
11. Функции включения ПК при возникновении событий например (Wake On Lan)

Работа системы SMM в повседневной жизни:
Предположим, что некоторая программа выполняет попытку чтения файла с жесткого диска, который с целью энергосбережения был приостановлен. При получении такого запроса контроллер диска
генерирует прерывание SMI, чтобы включить систему SMM. После этого программное обеспечение SMI подает команды раскрутки жесткого диска и приведение его в состояние готовности.
После этого управление возвращается операционной системе и загрузка файла с диска начинается так, будто работа диска не приостанавливалась.

Технология MMX и SIMD

В зависимости от контекста MMX может означать "Muli - Media Extensions" (мультимедийные расширения)
Так - же Matrix Math Extensions (матричные математические расширения).

Технология ММХ использовалась в старых моделях процессоров Pentium пятого поколения в качестве расширения, благодаря которому ускоряется компрессия/декомпрессия видеоданных, манипулирования изображением, шифрование и выполнение операций ввода/вывода - почти все операции, используемые во многих современных программах.
В архитектуре процессоров ММХ есть два основных усовершенствования:
Первое и основное состоит в том, что все микросхемы ММХ имеют больший внутренний кеш первого уровня, чем их собратья, не использующею технологию. Это повышает эффективность
выполнения каждой программы и всего программного обеспечения независимо от того использует ли оно фактически команды MMX.
Второе усовершенствование ММХ является расширение набора команд процессора 57 новыми командами, а также введение новой возможности выполнения команд, называемой одиночный поток команд
- множественный поток данных (Single Instruction - Multiple Data или SIMD)
В современных мультимедийных и сетевых приложениях часто используются циклы, хотя они занимают около 10% объема полного кода приложения, на их выполнение может уйти до 90% общего времени выполнения.

Технология SIMD позволяет одной команде осуществлять одну и ту - же операцию над несколькими данными.
Например преподаватель читая лекцию обращается ко всей аудитории, а не к каждому студенту по отдельности.
Применение SIMD позволяет ускорить выполнение циклов при обработке
аудио, видео и анимационных файлов, иначе эти циклы отнимали бы много времени у процессора.
Внедренные, специально разработанные 57 новых команд, позволяют более эффективно работать с программами обладающими высокой степенью параллелизма последовательностей, которые часто
встречаются при работе мультимедийных программ. Высокая степень параллелизма означает, что одни и те же алгоритмы применяются ко многим данным, например данным в различных точках при изменении графического изображения.

Инструкции SSE, SSE2, SSE3, SSE4, SSE5

Инструкции SSE
В начале 1999 года Intel представила процессор Pentium III, содержащий обновление ММХ, получивший название SSE (Streaming SIMD Extensions - поточные расширения SIMD). Так же SSE имел название KNI и MMX2.
Инструкции SSE содержат 70 новых команд для работы с графикой и звуком в дополнение к существующим ММХ. Инструкции SSE позволяют выполнять операции с плавающей запятой, реализуемые в отдельном модуле процессора. В технологиях MMX для этого использовалось стандартное устройство с плавающей запятой.

Инструкции SSE2 содержащие 144 дополнительные SIMD команды, были представлены в 2000 году. В SSE2 были включены все инструкции предыдущих наборов MMX и SSE.
SSE2 использует восемь 128-битных регистров (xmm0 до xmm7), включенных в архитектуру x86 с вводом расширения SSE, каждый из которых трактуется как 2 последовательных значения с плавающей точкой двойной точности.
SSE2 включает в себя набор инструкций, который производит операции со скалярными и упакованными типами данных.
Содержит инструкции для потоковой обработки целочисленных данных в тех же 128-битных xmm регистрах, что делает это расширение более предпочтительным для целочисленных вычислений, нежели использование набора инструкций MMX.

Инструкции SSE3 были представлены в 2004 году в месте с процессором Pentium4 Prescott. В обновление вошли 13 новых команд SIMD.
Набор содержит инструкции: FISTTP (x87), MOVSLDUP (SSE), MOVSHDUP (SSE), MOVDDUP (SSE2), LDDQU (SSE/SSE2), ADDSUBPD (SSE), ADDSUBPD (SSE2), HADDPS (SSE), HSUBPS (SSE), HADDPD (SSE2), HSUBPD (SSE2), MONITOR (нет аналога в SSE3 для AMD), MWAIT (нет аналога в SSE3 для AMD).
Наиболее заметное изменение - возможность горизонтальной работы с регистрами. Если говорить более конкретно, то добавлены команды сложения и вычитания нескольких значений, хранящихся в одном регистре. Эти команды упростили ряд DSP и 3D-операций.
Существует также новая команда для преобразования значений с плавающей точкой в целые значения, без необходимости
вносить изменения в глобальном режиме округления, предназначенных для ускорения выполнения сложных математических операций, обработки графики, кодирования видео и синхронизации потоков данных.
Инструкции SSE3 так - же содержали все предыдущие инструкции.

Дополнительные инструкции SSSE3 (Suplemental SSE) были представлены в 2006 году в процессорах Xeon 5100 и Core 2 Duo. В это набор были включены еще 32 дополнительные команды.
В целом SSE обеспечивал следующие преимущества:

1. Более высокое разрешение при просмотре и обработки графических изображений
2. Улучшенное качество воспроизведения звуковых файлов формата MPEG2, а также одновременное кодирование и декодирование этого формата в мультимедийных приложениях.
3. Уменьшение загрузки процессора и выполнения точности\скорости реагирования при выполнения программного обеспечения для распознавания речи.

Инструкции SSEx были особенно эффективны при декодирования файла в формат MPEG2, который являлся стандартом сжатия звуковых и видео данных, используемых в DVD.

Инструкции SSE4
SSE4 - технология представляющая собой набор из 54 новых команд. Они были призваны увеличить производительность
процессора в работе с медиа - контентом, в игровых приложениях, задачах трехмерного моделирования.
Набор SSE4 включает в себя множество новых, инновационных инструкций, которые можно разделить
на две основные категории:

1) Векторизирующий компилятор и мультимедиа ускорители.
Включают в себя целочисленные операции и операции с плавающей точкой, поддержку упакованных операций DWORD и QDWORD, новые операции с плавающей точкой одинарной точности, быстрые регистровые операции, оптимизированные операции с памятью и т.д.
Компиляторы использующие эти элементы, реализовывали их преимущества в широком диапазоне приложений, включая мультимедиа приложения, например: скорость кодирования видео можно было увеличить в полтора раза.
А так - же серверные приложения для высокопроизводительных вычислений.

2) Ускорители обработки строк и текстовой информации.
Команды обработки строк и текста позволяют увеличить производительность приложений для обработки данных, поиска и других текстовых приложений. Они включают в себя набор команд сравнения упакованных строк, который позволяет производить несколько операций сравнения и поиска за одну инструкцию.

SSE5

SSE5 (Streaming Extensions version 5)- расширение системы команд,
предложенное компанией AMD в 2007 году как дополнение к 128 - битным
командам ядра в архитектуре AMD64
Но AMD решила не использовать функциональность SSE5 как было задуманно
изначально и в 2009 году заменила SSE5 тремя меньшими наборами инструкций
включающие 50 новых команд, названными ХОР, FMA4 и CVT16, которые сохраняют
предложенную функциональность SSE5, но по другому кодируют инструкции для
лучшей совместимости с набором команд AVX, предложенной Intel.

Одна из главных особенностей SSE5 - это увеличенное количество
(с двух до трех) опернандов, это позволяет объеденить несколько инструкций
в одну, что в свою очередь увеличивает производительность и быстродействие.

До сих пор это было харрактерно лишь для некорых RISC платформ.

Все нововведения должны были позволять разработчикам игр и мультимедийных
приложений упростить код и повысить эффективность итоговых продуктов.
Планировалось использование новых наборов команд, основанных на SSE5
для внедрения в ядро процессора AMD Bulldozer для того, что бы начать
производство в 2011г. процессоров с использованием 32нм. техпроцесса
источник
источник

Hyper - Threading (HT или гиперпоточность) - технология одновременной мультипоточности
реализована компанией intel в процессорах на архитектуре NetBust.
Эта технология увеличивает производительность процессора при определенных
рабочих нагрузках путем предоставления "полезной работы" исполнительным устройствам,
которые иначе будут бездействовать.

Для примера:
Промах по чтению из кеша инструкций. Обычно дает очень большую задержку, поскольку
процессор не может продолжать исполнение программы
(по крайней мере текущего потока исполнения) и вынужден простаивать в ожидании загрузки
инструкций из памяти.

Процессоры Pentium 4 с одним физическим ядром и с включенным HT операционная
система определяла как два различных процессора вместо одного.
В процессорах Core 2 Duo технология не была реализована, но внедрена в
процессоры серии Core i3 и Core i5 при этом каждое физическое ядро процессора
определяется как два логических

Принцип работы
В процессорах с использованием технологии HT каждый физический процессор может хранить
состояние сразу двух потоков, что для операционной системы выглядит как наличие
двух логических процессоров. Физически у каждого из логических процессоров есть
свой набор регистров и контроллер прерываний, а остальные элементы процессора являются общими.
Когда при исполнении потока одним из логических процессоров возникает пауза
в результате кеш промаха или иной ошибки, то управление передается потоку
в другом логическом процессе. Таким образом, пока один процесс ждет данные
из памяти, вычислительные ресурсы физического процессора используются
для обработки другого процесса

источник