Может ли одноядерный процессор выполнять несколько команд одновременно?

Question

[Андрей]

Может ли одноядерный процессор выполнять несколько команд одновременно, иметь нессколько потоков? если да, то каким образом может это происходить?

Comments

[Александр Скуснов]

Если хотите углубиться, то почитайте про арифметический сопроцессор (не знаю, как сейчас, но раньше был точно), и видеопроцессор.

Answer 1

[Saboteur]

1) Может ли одноядерный процессор выполнять несколько команд одновременно
Нет, одно ядро может выполнять только одну команту за такт.

2), иметь нессколько потоков? если да, то каким образом может это происходить?
Да, например в такой технологии как hyper-threading. Реализовано тем, что в процессоре есть два набора регистров для двух потоков, ОС видит процессор с двумя логическими ядрами.
Если один поток что-то ожидает, то процессор может переключиться и выполнить команду другого потока.
Понятно, что это не так быстро, как реальные два ядра - просто процессор просто не будет простаивать, если один поток чего-то ожидает, и не будет затрачивать время для переключения с одного потока на другой, так как необходимые для работы данные - во втором наборе регистров.

Comments

[Андрей]

Saboteur если процессор поддерживает hyper-threading значит у него может быть несколько потоков, значит и он может параллельно выполнять несколько задач? под каждый поток в процессора идут отдельные регистры?

[Saboteur]

Андрей,
Процессор может выполнять несколько задач, но не несколько команд. Почувствуйте разницу.

В стандартной ситуации, когда многозадачная операционная система выполняет несколько программ одновременно, на самом деле в единицу времени всегда выполняется только одна программа. Затем по прерыванию таймера одна программа приостанавливается, все ее данные сохраняются, переключаемся на другую программу, восстанавливаем данные, запускаем.
На сохранение и восстановление данных (состояние регистров, стека) уходит время.

Гипертрейдинг позволяет выполнять два потока на железном уровне. То есть система думает что процессоров два. А процессор сам считает, когда какой поток выполнять, переключаясь между ними. Например, когда некая программа ожидает данных от устройства, процессор может выполнить команду для другого потока, при этом у него есть двойной набор регистров, чтобы не тратить время на их восстановление.
Но сам процессор - один, за один такт - только одна команда.
Собственно детальное пояснение что такое гипертрейдинг вполне доступно описано на википедии, а на ютубе есть даже видяшки от интела, где наглядно демонстрируется что происходит.

[Андрей]

Saboteur, в программировании когда мы выполняем в разных потоках код, это выходит мы параллельно выполняем несколько задач или несколько команд?

[Saboteur]

Андрей, Это вы выполняете несколько задач, при этом за распределением процессорного времени следит операционная система, на базе которой вы пишете.
Вы же, как программист, знаете какой именно способ многопоточности используете (библиотеки, платформы).

До уровня ассемблера и его прерываний в большинстве случаев добираются исключительно системные программисты, специализирующиеся на написании компиляторов, ядра систем. Ну еще в embedded.

[Андрей]

Saboteur, https://ark.intel.com/products/126688/Intel-Core-i... как этот процессор может иметь несколько потоков если у него нет поддержки Hyper-Threading

[Saboteur]

Андрей, Number of Cores: 4, у него есть честных 4 ядра

Answer 2

[15432]

Современные x86 процессоры устроены очень сложно. Они имеют внутри себя микропрограмму для декомпозиции и преобразования поступающих машинных слов на ещё более низкоуровневые опкоды (микроопкоды). Они включают в себя конвейерную архитектуру, когда независимые друг от друга команды исполняются частично параллельно. Есть специализированные SSE, MMX, AVX команды (да и Floating-point тоже сюда), их исполнение производится на сопроцессорах и также может быть произведено одновременно с исполнением основных команд (а ещё могут одновременно исполняться на частях сопроцессора, так возможно одновременное исполнение сразу двух MMX команд). Медленная работа с памятью ускоряется кэшированием, но все равно может быть отложена "в фон" в угоду более быстрым командам. Предикция переходов "угадывает", куда пойдёт исполнение логического ветвления, процессор может вычислить часть команд ещё до того, как туда дойдёт исполнение... Всё ради того, чтобы вы посидели вконтактике без тормозов.

Сейчас сложно сказать, сколько команд выполняет процессор за такт. В зависимости от самой исполняемой программы, некоторые Intel или AMD x86 процесоры способны выполнять до 32 floating-point инструкций за один такт и до 6 "стандартных" микроопкодов за такт.

К примеру, цифровой сигнальный процессор архитектуры TMS320 по документации умеет исполнять 8 команд за такт, и компиляторы это учитывают, расставляют флаги зависимостей, стараются оптимизировать параллельное исполнение.