So verstehen Sie einen Maschinenzyklus
Ehrlich gesagt sind CPUs heutzutage ein Albtraum an Komplexität. Sie machen diesen ganzen verrückten Kram: Befehle neu anordnen, mehrere Kerne, tiefe Pipelines, Sprungvorhersage, Registerumbenennung … es ist, als würde man versuchen, dem Verkehr einer Stadt während der Hauptverkehrszeit auf Steroiden zu folgen. Die Kernidee ist jedoch, dass jeder Befehl eine Reihe von Phasen durchläuft – Abrufen, Dekodieren, Ausführen, Zurückschreiben –, die den Prozessor am Laufen halten. Aber es ist nicht mehr wie früher, als ein Befehl nur abgeschlossen sein musste, bevor der nächste gestartet werden konnte. Heute ist alles pipelined, d.h.mehrere Befehle befinden sich gleichzeitig in verschiedenen Phasen. In der Theorie cool, in der Praxis ziemlich stressig, weil das Verständnis davon bei der Behebung von Leistungsproblemen oder CPU-Macken hilft. Eine Sache ist überraschend konstant geblieben: Was tatsächlich in jedem Schritt passiert, trotz all dieser Upgrades. Der Prozessor ruft einen Befehl aus dem Speicher ab (mithilfe des Programmzählers), dekodiert dann, was er tun muss, führt die Operation aus und schreibt schließlich das Ergebnis zurück. Das alles reibungslos in Hardware (und Software) zum Laufen zu bringen, ist eine große Leistung.
Die grundlegenden Phasen der Pipeline
Jede CPU führt im Großen und Ganzen die gleichen Dinge in ziemlich der gleichen Reihenfolge aus, obwohl die Art und Weise, wie sie dies tut, sehr unterschiedlich sein kann. Zuerst ruft sie eine Anweisung aus dem Speicher ab – wobei sie den Programmzähler verwendet, um die richtige Stelle zu finden – und lädt diese Anweisung dann in ein Register. Der PC aktualisiert dann, um auf die nächste Anweisung zu verweisen – manchmal ist das einfach, manchmal nicht, aufgrund von Verzweigungsvorhersagen oder Sprüngen, die den Abrufvorgang durcheinanderbringen können. Auf manchen Maschinen möchten Sie beim Debuggen oder Optimieren vielleicht in den Anweisungscache schauen oder die Assembly überprüfen, um zu sehen, was während des Abrufs wirklich passiert. Nach dem Abrufen wird die Anweisung zur Dekodierung weitergeleitet, wo die CPU herausfindet, was sie tun soll. Dazu gehört, sie in Signale zur Ausführung zu übersetzen und zu prüfen, welche Daten (Operanden) benötigt werden. Hier kommen der Cache und die Register ins Spiel; wenn die benötigten Daten nicht im L1-Cache oder in den Registern sind, kann dies zu Verzögerungen führen. Außerdem benennen moderne CPUs Register um – etwas seltsam, aber es hilft, Gefahren durch falsche Daten zu vermeiden. Wenn Sie langsamen Code beheben, achten Sie auf Cache-Treffer/-Fehlschläge, da diese Phase entscheidend ist. In der Ausführungsphase finden die eigentlichen mathematischen oder logischen Vorgänge statt. Die Anweisungen und Daten werden an die ALU- oder FP-Einheiten weitergeleitet, wo die Kernberechnung abgeschlossen wird. Normalerweise ist das superschnell – in vielen Fällen etwa ein Taktzyklus –, aber wenn die Pipeline tief ist oder es zu einem Pipeline-Stall kommt, können Verzögerungen auftreten. Moderne CPUs haben etwa 25 Pipeline-Stufen. Das klingt verrückt, aber es geht darum, jedes Quäntchen Leistung herauszuholen. Schließlich erfolgt der Writeback-Schritt. Dabei aktualisiert die CPU das Register oder den Speicher mit Ihren Ergebnissen. Wenn es hier zu einer Verzögerung kommt, macht sich dies in Form von Stalls oder langsamen Reaktionszeiten bemerkbar. Durch Pipelining befinden sich mehrere Anweisungen gleichzeitig in verschiedenen Stufen, was den Durchsatz, aber auch die Komplexität erhöht, insbesondere wenn es darum geht, Leistungsprobleme einzugrenzen.
Zusammenfassung
Ein Maschinenzyklus oder Befehlszyklus beschreibt im Wesentlichen die Art und Weise, wie eine CPU einen einzelnen Befehl durch die Phasen Fetch, Decode, Execute und Writeback verarbeitet. Und selbst bei der modernen Architektur bleiben diese Kernschritte weitgehend gleich. Bei der Fehlerbehebung bei der Leistung oder bei ungewöhnlichem CPU-Verhalten hilft das Verständnis dieses Pipeline-Modells, die Ursachen von Verzögerungen oder Beschleunigungen zu verstehen. CPUs sind komplizierte Gebilde, aber das Verständnis dieser Grundlagen macht das Ganze etwas weniger rätselhaft.
Zusammenfassung
- CPUs verarbeiten Anweisungen schrittweise: Abrufen, Dekodieren, Ausführen, Zurückschreiben.
- Durch Pipelining können sich mehrere Anweisungen gleichzeitig in verschiedenen Phasen befinden.
- Cache-Treffer/-Fehlschläge und Pipeline-Stalls beeinträchtigen die Leistung erheblich.
- Das Verständnis dieser Informationen hilft bei der Fehlerbehebung bei Verlangsamungen oder ungewöhnlichen CPU-Problemen.