O что такое цпу в рамках ос

Каждое отклонение от модели можно проанализировать, чтобы найти первопричину. Следует изучить состояние задействованных потоков и найти распространенные первопричины. Ниже описано несколько основных причин, связанных с ЦП, для действий, которые не выполняются с требуемой скоростью или откладываются.

Прямое использование ЦП. Соответствующие потоки получили полные ресурсы ЦП, но требуемая программа не выполнялась достаточно быстро. Это может быть вызвано неисправностью программы или медленным оборудованием.

Взаимодействие потока. Поток не получил достаточно времени выполнения, так как вместо этого выполнялись другие потоки. В этом случае поток считается голодным или вытесняется.

Помехи DPC/ISR: потоки не получили достаточно времени выполнения, так как ЦП были заняты обработкой DPC или ISR.

Во многих случаях одна из этих первопричин не оказывает заметного влияния на поток, и поток проводит большую часть своего времени в состоянии ожидания. В этом случае необходимо определить и исследовать событие, для которого ожидается поток. Этот рекурсивный тип исследования называется анализом ожидания и начинается с определения критического пути.

Расширенный метод: анализ ожидания и критический путь

Действие — это сеть операций, некоторые последовательные и параллельные, которые передаются от события начала к событию end. Любая пара событий начала и окончания в трассировке может рассматриваться как действие. Самый длинный путь через эту сеть операций называется критическим путем. Уменьшение длительности любой операции на критическом пути напрямую сокращает продолжительность общей активности, хотя это также может изменить критический путь.

На рис. 23 Операции действий показаны действия трех потоков. Thread-1 отправляет событие запуска действия, а затем ожидает завершения задач Thread-2 и Thread-3. Сначала выполняется задача Thread-2, а затем Thread-3. Когда оба потока завершают свои задачи, Поток-1 будет готов и завершает событие действия.

Рисунок 23. Операции активности

В этом сценарии критический путь включает части Thread-3 и Thread-1. Они трассируются на рис. 24 Критический путь. Так как Thread-2 не находится на критическом пути, время, необходимое для выполнения задачи, не влияет на общее время действия.

Рисунок 24. Критический путь

Критический путь — это малоуровневый литеральный ответ на вопрос о том, почему действие занимает столько же времени, сколько это было. После того как ключевые сегменты критического пути будут известны, их можно проанализировать, чтобы найти проблемы, влияющие на общую задержку.

Общий подход к поиску критического пути

Первым шагом к поиску критического пути является проверка модели сценария, чтобы понять назначение и реализацию действия.

Понимание действия может помочь определить конкретные операции, процессы и потоки, которые могут находиться на критическом пути. Например, задержка в действии инициализации быстрого запуска Обозреватель может быть вызвана приложениями RunOnce и процессом инициализации Обозреватель, для которых требуется значительный объем операций ввода-вывода.

После просмотра модели сценария проверка, чтобы узнать, сообщила ли оценка о каких-либо проблемах для затронутого действия. Во многих случаях приблизительная оценка критического пути включается в проблемы с задержкой, сообщаемой о оценке. Критический путь отображается в виде последовательности ожиданий и готовых действий. Его можно считать от начала до конца как последовательность событий, при этом основной отложенный сегмент критического пути находится в середине списка. Последняя запись в списке — это действие, которое приготовили поток, завершив действие.

Если необходимо вручную найти критический путь, рекомендуется определить процесс и поток, который завершил действие, и работать в обратном направлении с момента завершения действия. Вы можете определить процесс и поток, которые запустили действие, а также процесс и поток, завершив действие, с помощью графа Действия в WPA.

Граф Действия отображается при загрузке трассировки через XML-файл результатов оценки. Чтобы определить процесс и поток, связанные с определенным действием, разверните граф до интересующего действия, а затем переключите представление в граф и таблицу. Установите режим графа в значение Таблица. Для каждого действия в таблице отображаются столбцы Start Process (Начальный процесс), Start Thread Id (Идентификатор начального процесса), Start Thread Id (Идентификатор конечного потока), End Process (Конечный процесс) и End Thread Id (Идентификатор конечного потока).

После того как вы узнаете о начальном и конечном процессах, потоке и реализации действия, критический путь можно отследить обратно. Начните с анализа потока, завершившего действие, чтобы определить, как этот поток потратил большую часть своего времени: на выполнение, готовность или ожидание.

Значительное время выполнения указывает на то, что прямое использование ЦП могло способствовать длительности критического пути. Время, затраченное в режиме готовности, указывает на то, что другие потоки влияют на длительность критического пути, препятствуя выполнению потока на критическом пути. Время, затраченное на точки ожидания ввода-вывода, таймеры или другие потоки и процессы на критическом пути, для которого ожидал текущий поток.

Каждый поток, который готов к текущему потоку, вероятно, является еще одним звеном в критическом пути, а также может быть проанализирован до тех пор, пока не будет учтена длительность критического пути.

Процедура. Поиск критического пути в WPA

В следующей процедуре предполагается, что вы определили действие на графе Действия, для которого требуется найти критический путь.

1. Чтобы определить процесс, завершив действие, наведите указатель мыши на действие на диаграмме Действия .
2. Добавьте граф Загрузка ЦП (точная). Увеличьте масштаб затронутого действия и примените предустановку «Использование по процессам», «Поток «.
3. Щелкните правой кнопкой мыши заголовки столбцов и сделайте столбцы ReadyThreadStack и Загрузка ЦП (мс) видимыми. Удалите столбцы Ready (us) [Max] и Waits (us) [Max] .
4. Разверните целевой процесс и отсортируйте его соответственно по загрузке ЦП (мс),Ready (us) [Sum] и Waits (us) [Sum].
5. Найдите NewThreadIds в процессе, затрачиваемого на наибольшее количество времени в состоянии «Выполняется», «Готово» или «Ожидание». Потоки, которые тратят значительное время в состояниях Выполняется или Готово, могут представлять прямую загрузку ЦП на критическом пути. Обратите внимание на идентификаторы потоков. Потоки, которые проводят значительное время в состоянии ожидания, могут ожидать ввода-вывода, таймера или другого потока в критическом пути.
6. Чтобы узнать, чего ждали потоки, разверните группу NewThreadId , чтобы отобразить ReadyThreadStack.
7. Разверните [Корень].
8. Стеки, начинающиеся с KiDispatchInterrupt , не связаны с другим потоком. Чтобы определить, чего ожидает поток в этих стеках, разверните узел KiDispatchInterrupt и просмотрите функции в дочернем стеке. IopfCompleteRequest указывает, что готовый поток ожидал ввода-вывода. KiTimerExpiration указывает, что готовый поток ожидал таймера.
9. Разверните стеки, которые не начинаются с KiDispatchInterrupt , пока не увидите ReadyingProcess и ReadyingThread. Если процесс уже развернут, разверните NewThreadId , соответствующий параметру ReadyingThread. Повторяйте этот шаг, пока не найдете поток, который выполняется, готов, ожидает другой причины или ожидает другого процесса. Если поток ожидает другой процесс, повторите эту процедуру с помощью этого процесса.

Пример

В этом примере показана задержка в действии «Быстрый запуск возобновления Обозреватель инициализации». Поиск в области Проблемы показывает, что для этого действия сообщается о семи проблемах типа задержки. Каждую из этих проблем можно рассматривать как сегмент критического пути. Определены следующие ключевые сегменты:

• Поток 3872 TestBootStrapper.exe процесса (3024) вытесняется на 2,1 секунды.
• Поток 3872 TestBootStrapper.exe процесса (3024) использует 1 секунду времени ЦП.
• Поток 3872 TestBootStrapper.exe процесса (3024) очищает куст реестра в течение 544 миллисекунда.
• Поток 3872 TestBootStrapper.exe процесса (3024) в спящем режиме в течение 513 миллисекундах.
• Потоки 4052 и 4036 Explorer.exe считывать с диска, что приводит к задержке в 461 миллисекунда.
• Поток 3872 TestBootStrapper.exe процесса (3024) голодает в течение 187 миллисекунда.
• Поток 3872 TestBootStrapper.exe процесса записывает на диск 3,5 МБ, что приводит к задержке в 178 миллисекундах.

Проблемы показывают, что это действие было отложено на 5,2 секунды. Эти задержки составляют значительную часть деятельности общей продолжительностью 6,3 секунды. Приложение TestBootStrapper.exe в первую очередь отвечает за задержку, в первую очередь потому, что оно вытесняет другие задачи обработки.

Исследование проблем в критическом пути

1. Увеличьте затронутый регион и добавьте столбцы ReadyThreadStack и Загрузка ЦП (мс).
2. В этом случае Explorer.exe — это процесс, который завершает действие. Разверните процесс explorer.exe и отсортируйте его соответственно по загрузке ЦП (мс),Ready (us) [Sum] и Waits (us) [Sum], как показано на следующих рисунках: Рис. 25. Активность по загрузке ЦП (мс)Рис. 26. Действие от Ready (us)Рис. 27. Действия по ожиданиям (us)
3. При сортировке по столбцу Загрузка ЦП (мс) отображается верхняя дочерняя строка 299 миллисекунда. При сортировке по столбцу Ready (us) [Sum] отображается верхняя дочерняя строка 46 мс. При сортировке по столбцу Waits (us) [Sum] отображается верхняя дочерняя строка 5749 миллисекунд и вторая строка 4902 миллисекунд. Так как эти строки значительно влияют на задержку, их следует исследовать дальше.
4. Разверните стеки, чтобы отобразить готовые потоки, как показано на следующих рисунках: Рис. 28. Процесс подготовки и подготовка потока для потокаРис. 29. Процесс подготовки и подготовка потока для другого потока В этом примере первый поток тратит большую часть времени на ожидание выхода RunOnce.exe процесса. Следует выяснить, почему процесс RunOnce.exe занимает так много времени. Второй поток ожидает первого потока и, вероятно, является незначительным звеном в той же цепочке ожидания.
5. Повторите действия, описанные в этой процедуре, для RunOnce.exe. Основной столбец участников — Waits (us) и имеет четыре возможных участника.
6. Разверните каждый участник, чтобы увидеть, что первые три участника ожидают четвертого участник. Эта ситуация делает первые три участника незначительными для цепочки ожидания. Четвертый участник ожидает другого процесса, TestBootStrapper.exe. Этот сценарий показан на рис. 30. Процесс подготовки и Подготовка потока для потока в RunOnce.exe: Рис. 30. Процесс подготовки и Подготовка потока для потока в RunOnce.exe
7. Повторите действия, описанные в этой процедуре, для TestBootStrapper.exe. Результаты показаны на следующих трех рисунках: Рис. 31. Потоки по загрузке ЦП (мс)Рис. 32. Потоки по готовности (нас)Рис. 33. Потоки по ожиданиям (нас) Поток 3872 провел примерно 1 секунду, 2 секунды готовности и 1,3 секунды ожидания. Поскольку этот поток также является потоком подготовки для потока 3872, время выполнения и готовности, вероятно, влияет на задержку. Оценка сообщает о следующих проблемах, время которых совпадает с задержками:
   • Поток 3872 TestBootStrapper.exe процесса (3024) вытеснен на 2,1 секунду.
   • Поток 3872 TestBootStrapper.exe процесса (3024) на 187 миллисекундах.
   • Поток 3872 TestBootStrapper.exe процесса (3024) использует 1 секунду времени ЦП.

Чтобы найти другие проблемы, связанные с вкладом, просмотрите событие, для которого ожидал поток 3872. Разверните узел ReadyThreadStack , чтобы просмотреть участников за 1,3 секунды ожидания, как показано на рис. 34. Время ожидания участников:

Рисунок 34. Вклады во время ожидания

KiRetireDpcList обычно связан с вводом-выводом, а KiTimerExpiration — таймером. Вы можете просмотреть, как были инициированы ввод-вывод и таймер, удалив ReadyThreadStack , а затем просмотрев NewThreadStack. В этом представлении показаны три связанные функции, как показано на рисунке 35 операции ввода-вывода и таймера в NewThreadStack:

Рис. 35. Ввод-вывода и таймер в NewThreadStack

В этом представлении приводятся следующие сведения:

• Поток 3872 TestBootStrapper.exe процесса (3024) очищает куст реестра в течение 544 миллисекунда.
• Поток 3872 TestBootStrapper.exe процесса (3024) переходит в спящий режим в течение 513 миллисекундах.
• Поток 3872 TestBootStrapper.exe процесса записывает на диск 3,5 МБ, что приводит к задержке в 178 миллисекундах.

Прямое использование ЦП

Действия часто задерживаются, так как поток на критическом пути использует значительное время ЦП. Используя модель состояния потока, можно увидеть, что эта проблема характеризуется потоком на критическом пути, который тратит исключительное количество времени в состоянии Выполняется. На некотором оборудовании такая высокая загрузка ЦП может способствовать задержкам.

Идентификация проблемы

Во многих оценках используется эвристика для выявления проблем, связанных с прямым использованием ЦП. О значительной загрузке ЦП на критическом пути сообщается как о проблеме в следующей форме:

Использование ЦП процессом P задерживает затронутое действие A на x секунд

Где P — это выполняемый процесс, A — действие, а x — время в секундах.

Если эти проблемы связаны с действием, которое приводит к задержкам, причиной может быть прямое использование ЦП.

Изучение прямого использования ЦП

1. Вы можете вручную определить проблему, найдите отдельные ЦП, которые потребляют 100 % ресурсов ЦП на графе Использование ЦП (выборка).
2. Увеличьте область интереса на графике и выберите предустановку Использование по процессам и потокам . По умолчанию в верхней части таблицы отображаются строки с наибольшим совокупным использованием ЦП. Эти потоки также отображаются в верхней части графа Использование ЦП (выборка).Примечание В системе с несколькими процессорами поток, использующий 100 % одного процессора, будет потреблять 100/(количество логических процессоров). В системе такого типа только виртуальный бездействующий поток (PID 0, TID 0) может показывать большую загрузку процессора, чем 100/(количество логических процессоров). Если процессы и потоки, которые потребляют большую часть ЦП, соответствуют любым потокам в критическом пути, то, вероятно, фактором является прямое использование ЦП.

Пример проблемы Assessment-Reported прямого использования ЦП

Использование ЦП процессом TestUM.exe (4024) задерживает затронутое действие, процесс быстрого завершения работы TestIM.exe запуска, на 2,1 секунды. Этот пример показан на рисунке 37 Поток 3208:

Рисунок 37. Поток 3208

Исследование

После того как вы обнаружите, что прямое использование ЦП приводит к задержке на критическом пути, необходимо определить конкретные модули и функции, которые влияют на задержку.

Способ. Проверьте проблему Assessment-Reported прямого использования ЦП

Вы можете расширить проблему прямого использования ЦП, о котором сообщалось о оценке, чтобы отобразить критический путь, на который влияет прямое использование ЦП. Если развернуть узел, связанный с загрузкой ЦП, отобразятся стеки, связанные с загрузкой ЦП и связанными модулями. Это представление показано на рис. 38. Сегмент расширенного использования ЦП:

Рисунок 38. Развернутый сегмент использования ЦП

Метод. Вручную изучите стеки проблемы с прямым использованием ЦП

Если оценка не сообщает о проблеме или требуется дополнительная проверка, можно использовать диаграмму Использование ЦП (выборка) для ручного сбора сведений о модулях и функциях, связанных с проблемой использования ЦП. Для этого необходимо увеличить область интереса и просмотреть стеки, отсортированные по загрузке ЦП.

Вручную изучите стеки проблемы с прямым использованием ЦП

1. В меню Трассировка выберите команду Загрузить символы.
2. Увеличьте масштаб временная шкала, чтобы отобразить только ту часть критического пути, на которую влияет проблема С ЦП.
3. Примените предустановку Использование по процессу и потоку .
4. Добавьте столбец Stack на экран, а затем перетащите этот столбец справа от элемента Идентификатор потока (слева от панели).
5. Разверните процесс и поток, чтобы отобразить деревья стека. Строки в стеке сортируются в порядке убывания по весу загрузки ЦП. Это ставит самые интересные стеки на вершине. При развертывании стеков watch столбец %Вес, чтобы сохранить фокус на строках с наибольшим использованием.
6. Чтобы извлечь копию стека, выделите все строки, щелкните правой кнопкой мыши и выберите команду Копировать выделенный фрагмент.

Решение

Для решения проблем с высокой загрузкой ЦП можно применять решения как на уровне конфигурации, так и на уровне компонентов.

Прямое использование ЦП оказывает большее влияние на компьютеры с процессорами более низкого уровня. В таких случаях можно добавить дополнительную вычислительную мощность компьютера. Кроме того, вы можете удалить модули проблем из критического пути или из системы. Если вы можете изменить компоненты, рассмотрите возможность перепроектирования, чтобы достичь одного из следующих результатов:

• Удаление кода с ресурсоемким ЦП из критического пути
• Использование более эффективных алгоритмов ЦП
• Откладывать или кэшировать работу

Интерференция потока

Использование ЦП потоками, которые не находятся на критическом пути (и могут не быть связаны с действием), может привести к задержке потоков, которые находятся на критическом пути. Модель состояния потока показывает, что эта проблема характеризуется потоками на критическом пути, которые проводят необычное количество времени в состоянии Готовности.

Идентификация проблемы

Многие оценки используют эвристические методы для выявления проблем, связанных с вмешательством. Они представлены в одной из следующих двух форм:

• Процесс P голодает. Голодание приводит к задержке затронутого действия A в x мс.
• Процесс P вытесняется. Вытеснение приводит к задержке затронутого действия Ax мс .

Где P — это процесс, A — действие, а x — время в мс.

Первая форма отражает помехи от потоков на том же уровне приоритета, что и поток на критическом пути. Вторая форма отражает помехи от потоков, которые находятся на более высоком уровне приоритета, чем поток на критическом пути.

Если эти типы проблем возникают при отложенном действии, причиной может быть вмешательство потока. Для определения проблемы вручную можно использовать диаграмму Загрузка ЦП (точная ).

Выявление проблем с интерференцией потока

1. Увеличьте интервал и примените предустановку Загрузка по ЦП . Использование 100 % на всех ЦП указывает на проблему с помехами.
2. Примените предустановку «Использование по процессу», «Поток» и сортируйте по первому столбцу Ready (us). (Это столбец, содержащий агрегат Sum .)
3. Разверните процесс затронутого действия и просмотрите время готовности для потоков на критическом пути. Это значение является максимальным временем уменьшения задержки путем устранения любой проблемы с интерференцией потока. Значение с величиной, значительной относительно исследуемой задержки, указывает на то, что существует проблема с интерференцией потока.

На рисунке 39 загрузка ЦП показана почти 100 %, а на рис. 40 — проблема с интерференцией потока.

Рисунок 39. Эксплуатация близка к 100%

Рисунок 40. Проблема интерференции потока

Исследование

После выявления проблемы необходимо определить, почему затронутый поток провел так много времени в состоянии Готовности.

Метод. Определение того, почему поток потратил время в состоянии готовности

С помощью графа Загрузка ЦП (точная) можно определить, почему поток провел время в состоянии Готовности. Сначала необходимо определить, ограничен ли поток определенными процессорами. Хотя вы не можете получить эти сведения напрямую, вы можете изучить журнал использования ЦП потока в периоды высокой загрузки ЦП. Это период, когда потоки, как правило, часто переключаются между процессорами.

Определение ограничений процессора потока

1. Увеличьте масштаб затронутой области.
2. Добавьте диаграмму Загрузка ЦП (точная) и примените предустановку «Использование по процессам», «Поток «.
3. Используйте диалоговое окно Дополнительно , чтобы добавить столбец ЦП с режимом агрегирования Уникальное число справа от NewThreadId.
4. Отфильтруйте диаграмму, чтобы отобразить только интересующие вас потоки. Значение в столбце ЦП отражает количество процессоров, на которых поток выполнялся в течение текущего интервала времени. В периоды 100 % загрузки ЦП это число приблизительно соответствует количеству процессоров, на которых разрешено запускать этот поток. Если значение меньше числа доступных процессоров, поток, вероятно, ограничен определенными ЦП. На рисунке 41 Ограниченные потоки представлен пример этого графа: Рисунок 41. Ограниченные потоки

После того как вы узнаете об ограничениях процессора потока, вы можете определить, что вытесняет поток. Для этого необходимо определить интервалы, которые поток провел в состоянии Готовности, а затем проверить, какие другие потоки или процессы выполнялись в течение этих интервалов.

Определение того, что было вытеснено или измощено потоком

1. Создайте диаграмму, показывающую, когда поток находился в состоянии Готовности, и примените предустановку «Использование по процессам», «Поток «.
2. Откройте редактор представлений, нажмите кнопку Дополнительно и выберите вкладку Конфигурация графа .
3. Для параметра Время начала задайте значениеReadyTime (s) и задайте для параметра Duration значение Ready (us), как показано на рисунке 42 Столбцы Времени готовности. Нажмите кнопку ОК. Рисунок 42. Столбцы времени готовности
4. В редакторе представлений замените столбец Загрузка ЦП (%) столбцом Ready (us) [Sum] .
5. Выберите интересующий поток, чтобы создать граф, похожий на рис. 43. Рисунок 43. График времени готовности
6. В этом случае поток провел значительное время в состоянии Готовности. Чтобы определить типичный приоритет, добавьте в столбец NewInPri агрегирование «Среднее«. В этом случае средний приоритет потока равен ровно 8. Это число указывает, что, вероятно, это фоновый поток, который никогда не получает повышения приоритета.
7. После того как средний приоритет будет известен, просмотрите активность ЦП для ЦП, на которых разрешено запускать поток. В этом случае было определено, что поток имеет сходство только с ЦП 1.
8. Добавьте еще один график использования ЦП (точная) и примените предустановку Использование ЦП по ЦП . Выберите соответствующие ЦП.
9. Откройте представление Дополнительно и добавьте фильтр по приоритету, который вы нашли ранее, чтобы отфильтровать этот поток. Этот сценарий показан на рисунке 44 Фильтр потоков: Рисунок 44. Фильтр потока На рис. 45 Загрузка ЦП, Время готовности и Другие действия потока на верхнем графике показана загрузка ЦП потоком 3548. На среднем графике показано время, когда поток был готов, а на нижнем — активность на ЦП, на которых потоку было разрешено выполняться (в данном случае Cpu1). Рис. 45. Загрузка ЦП, время готовности и другие действия потока
10. Увеличьте область, в которой поток был готов, но не выполнялся в течение большей части времени в течение этого интервала.
11. На диаграмме Загрузка ЦП добавьте NewInPri слева от панели и проверьте результаты. Потоки или процессы, имеющие приоритеты, равные приоритету целевого потока, показывают время нехватки потока. Потоки или процессы, имеющие более высокий приоритет, чем приоритет целевого потока, показывают время, когда поток был вытеснено. Вы можете вычислить общее время вытеснения потока, добавив время всех потоков и действий с упреждающими вытеснениями. На рисунке 46 Использование по приоритету, когда целевой поток был готов, показано, что 730 мс времени потока было вытеснено, а 300 мс времени потока были голодали. (Этот рисунок увеличен до интервала 1192 мс.) Рис. 46 Использование по приоритету при подготовке целевого потока
12. Чтобы определить, какие потоки отвечают за вытеснение и нехватку этого потока, добавьте столбец NewProcess справа от столбца NewInPri и просмотрите уровни приоритета, на которых выполнялись процессы. В этом случае вытеснение и голодание в основном были вызваны другим потоком в том же процессе и TestResidentApp.exe. Можно предположить, что эти процессы получают периодическое повышение приоритета выше базового приоритета.

Решение

Вы можете устранить проблемы с вытеснением или нехваткой, изменив конфигурацию или компоненты. Рассмотрите следующие средства.

• Удалите проблемные процессы из системы.
• Настройка базового приоритета проблемных процессов.
• Изменить время запуска проблемных процессов; Например, отложить время их запуска до момента перезагрузки компьютера.
• Если проблемные компоненты можно изменить, измените их так, чтобы они были менее ресурсоемкими или запускались с более низким приоритетом.

DPC/ISR-помехи

Если выполнение DPC и ISR потребляет слишком много времени процессора, для запуска потоков может не хватать свободного времени ЦП. Такая ситуация может привести к аналогичным задержкам при помехах потока. Когда потоки должны выполнять операции с регулярной высокой частотой, например при воспроизведении видео или анимации, помехи со стороны ЦП и ISR могут вызвать проблемы с работой.

Идентификация проблемы

Во многих оценках используется эвристика для выявления проблем, связанных с DPC/ISR. Действие DPC/ISR определяется как подозрительное, если сообщается о проблеме в следующей форме:

DPC D превышает пороговое значение в м миллисекундах x раз в течение P. N экземпляров этого DPC выполняются в общей сложности в t миллисекундах.

Где D — это DPC, m — количество миллисекунд, которое задает пороговое значение, x — количество превышений порогового значения DPC, P — текущий процесс, n — количество экземпляров, запущенных DPC, а t — общее время в миллисекундах, в течение которого DPC превысил пороговое значение.

Например, оценка сообщает о следующей проблеме:

DPC sdbus.sys! SdbusWorkerDpc превышает цель в 3,0 миллисекунда 153 раза за время существования обработчика мультимедиа. 153 экземпляра этого DPC выполняются в общей сложности 864 миллисекунда

Если эта проблема связана с действием, которое проявляет события проблемы или задержки, причиной может быть действие DPC/ISR.

Определение интерференции DPC/ISR вручную

1. Чтобы вручную определить помехи DPC/ISR, откройте трассировку в WPA и определите интересующие события проблемы. Это общие события, относящиеся к оценке, такие как Microsoft-Windows-Dwm-Core:SCHEDULE_GLITCH или Microsoft-Windows-MediaEngine:DroppedFrame.
2. Рядом с графом событий добавьте граф длительность DPC/ISR по ЦП . Если пики в графе длительности DPC/ISR по ЦП соответствуют проблемным событиям, DPC/ISR могут быть фактором, вызывающим проблемы.
3. Для получения дополнительных данных увеличьте период времени, который происходит 100 мс перед отображением нескольких проблемных событий. Если значительное действие DPC/ISR отображается на одном или нескольких процессорах в регионе 100 мс до возникновения проблемных событий, можно сделать вывод, что события проблемы были вызваны действием DPC/IRS.
4. Чтобы определить, вызывает ли помехи DPC/ISR задержки, увеличьте область, в которую отображается выполняющийся поток. Запишите ЦП или ЦП, на которых выполняется этот поток.
5. На графе DPC/ISR примените предустановку DPC/ISR Duration by CPU и просмотрите действие DPC/ISR на соответствующих ЦП в этом диапазоне времени.

На рисунке 47 Проблемные события и действие DPC/ISR показано, что поток 864 iexplore.exe относится к затронутой активности. Поток 864 находится в состоянии Выполняется на ЦП2 в течение 10,65 % от диапазона времени в представлении. Однако на графике DPC/ISR показано, что cpu2 был занят выполнением DPC/ISR в течение 10 % этого времени.

Примечание Большинство DPC/ISR не оказывают такого влияния, как показано в этом примере.

Рис. 47. События проблем и действие DPC/ISR

На рис. 48 DPC/ISR, не связанные с событиями проблем, DPC/ISR не связаны с проблемами производительности:

Рис. 48 DPC/ISR, не связанные с событиями проблемы

На рис. 49 Задержка, вызванная помехами DPC/ISR, DPC/ISR приводят к проблемам с производительностью:

Рис. 49 Задержка, вызванная помехами DPC/ISR

Исследование

После того как вы определите, что ДПС/ISR связаны с проблемами или задержками, необходимо определить, какие конкретные ДП/ISR задействованы и почему они происходят часто или выполняются в течение чрезмерного времени.

Способ. Ознакомьтесь с проблемой Assessment-Reported DPC/ISR

В проблемах DPC/ISR, сообщаемых о оценке, можно развернуть проблему, которая отображает основные процессы, которые вытесняются DPC или ISR. Разверните стек, чтобы просмотреть действие DPC для процесса, наиболее связанного с затронутым действием, как показано в разделе, разверните стек, чтобы понять, что делает DPC. На рисунке 50 развернутый стек DPC показан расширенный стек:

Рисунок 50. Развернутый стек DPC

Метод. Найдите самые высокие DPC/ISR и просмотрите стеки

Если оценка не сообщает, что DPC/ISR является проблемой, можно использовать диаграммы DPC/ISR и загрузка ЦП (выборка), чтобы получить сведения о стеке для наиболее релевантных DPC. Рекомендуется найти интересующий DPC/ISR, отметить его модуль и функцию, а затем найти примеры на графе Загрузка ЦП (выборка), чтобы получить полные сведения о стеке.

Найдите DPC/ISR с наибольшей длительностью и просмотрите стеки.

1. Увеличьте интересующий интервал.
2. На графе DPC/ISR выберите предустановленную длительность DPC/ISR по модулю и функции. При загрузке символов события DPC/ISR сортируются по общей длительности, а затем разбиваются по модулям и функциям. Верхние строки в списке содержат события DPC/ISR, которые, вероятно, вызвали проблемы с событиями. Запишите имена модулей и функций.
3. На графе Использование ЦП (выборка) выберите предустановку Использование по процессам . По умолчанию эта предустановка скрывает действие DPC/ISR.
4. Откройте редактор представлений и нажмите кнопку Дополнительно.
5. На вкладке Фильтр измените параметр Скрыть строки, соответствующие фильтру , на Сохранить строки, соответствующие фильтру. Это позволит отображать действия DPC/ISR.
6. Удалите столбец Процесс и добавьте столбец Стек для просмотра DPC/ISR, отсортированных по стеку.
7. Очистка текущей строки.
8. Щелкните правой кнопкой мыши ячейку в столбце Stack и выберите команду Найти в этом столбце.
9. Введите модуль и функцию, которые вы записали на шаге 2 этой процедуры.
10. Установите флажок Добавить к текущему выделенному фрагменту и нажмите кнопку Найти все , чтобы выбрать все экземпляры функции.
11. После выбора всех строк щелкните правой кнопкой мыши и выберите пункт Бабочка/Просмотреть вызываемых.

В этом представлении показаны действия конкретной функции, отсортированные по общей длительности. Представление аналогично отображению стеков в подробном представлении проблемы, сообщаемой об оценке. Столбец Вес приблизительно соответствует инклюзивному времени, затрачиваемого каждой функцией в стеке, в миллисекундах.

Это представление показано на рис. 51 Вызываемые абоненты DPC, отсортированные по приблизительной длительности:

Рис. 51 Вызываемые абоненты DPC, отсортированные по приблизительной длительности

Метод. Проверка Long-Running DPC/ISR

Общая продолжительность ДПС/ISR имеет важное значение, однако длительные отдельные ДПС/ISR, скорее всего, вызовут задержки. В графе DPC/ISR столбец Инклюзивное время (мс) с сортировкой по убыванию отображает максимальные продолжительности отдельных DPC/ISR. Предустановленные длинные DPC/ISR , доступные в некоторых профилях оценки, позволяют отфильтровать это представление, чтобы отобразить только ДП/ISR с инклюзивной длительностью, превышающей 1 мс.

Примечание Если эта предустановка недоступна, можно открыть раздел Редактор представлений, дополнительно, чтобы добавить фильтр.

Решение

Действие DPC/ISR часто отражает проблему с оборудованием или программным обеспечением, которую необходимо исправить на уровне оборудования или компонента. На уровне конфигурации можно заменить оборудование или обновить соответствующий драйвер до фиксированной версии. На уровне компонентов оборудование и драйверы должны следовать рекомендациям для DPC/ISR от MSDN и по возможности использовать потоковые DPC. Потоковые DPC не выполняются на уровне диспетчеризации в клиентских выпусках Windows. Дополнительные сведения о рекомендациях по DPC/ISR см. в статьях Рекомендации по поведению ISR и DPC и Введение в потоковые DPC.

# факты | Как операционная система распределяет время процессора?

Какой бы ни была операционная система, перед ней стоит целый комплекс задач. И нам понадобится не раз возвращаться к этой теме, чтобы рассмотреть их все хотя бы в самых общих чертах. Темой нашего сегодняшнего повествования станет распределение операционной системой времени центрального процессора между различными задачами. Сегодня мы получим ответ на вопрос, который рано или поздно возникает у каждого любознательного пользователя: как операционная система распределяет время процессора для решения нескольких задач одновременно? Ведь под красочными обоями рабочего стола таится неутомимая труженица, способная день и ночь решать поставленные перед ней пользователем задачи. За ее плечами нелегкий груз забот, но обычно она несет его с легкостью, кроме некоторых ситуаций, когда пользователь требует от своей помощницы невозможного.

Все выполняемые операционной системой задачи можно сгруппировать по шести категориям:

1. Управление процессором (Processor management)
2. Управление памятью (Memory management)
3. Управление устройством (Device management)
4. Управление накопителем (Storage management)
5. Интерфейс приложения (Application interface)
6. Интерфейс пользователя (User interface)

Читатели могут отметить, что современная операционная система умеет много такого, что не вмещается ни в одну из этих шести групп. И будут правы. Разработчики операционных систем оснащают их множеством вспомогательных утилит и дополнительных функций. Но эти шесть категорий, которые нам предстоит рассмотреть, составляют саму суть того, что положено делать операционной системе.

Управление процессором

Управление процессором компьютера сводится к решению двух, теснейшим образом связанных между собою проблем:

• Обеспечение каждого программного процесса и приложения достаточным для корректного функционирования временем процессора
• Использование циклов процессора в том объеме, который реально необходим для работы

Основной единицей программного обеспечения, которой операционная система выделяет процессорное время, является процесс или поток (тред). Это зависит от конкретной операционной системы.

Можно даже сказать, что операционная система склонна воспринимать процесс в качестве приложения. Но это упрощение не описывает всей сложности взаимодействия процессов с операционной системой и аппаратным обеспечением компьютера. Процессом является любое приложение: текстовый редактор, электронная таблица или игра. Но приложение может вести к запуску дополнительных процессов, обеспечивающих взаимодействие с устройствами или другими компьютерами.

Когда операционная система работает, в ней запущено множество процессов, которые даже не дают вам знать о своем существовании. Например, в Windows XP или UNIX работают десятки фоновых процессов. В список их задач входят: обеспечение работы сети, управление памятью компьютера и его дисками, проверка системы на вирусы. Разумеется, этим круг их задач не исчерпывается.

Процессом называется программное обеспечение, выполняющее некую работу. Каждый процесс должен кем-то или чем-то контролироваться: операционной системой, другим приложением или непосредственно пользователем.

Операционная система управляет скорее процессами, чем приложениями и именно их она ставит в расписание центрального процессора. В однозадачных операционных системах это расписание линейно. Операционная система позволяет приложению запуститься, прерывая его выполнение только на те промежутки времени, которые требуются пользователю на ввод данных или другие прерывания.

Прерываниями называют специальные сигналы, исходящие от аппаратного и программного обеспечения. Они происходят тогда, когда та или иная часть компьютера неожиданно требует к себе внимания со стороны центрального процессора. Порой операционная система определяет приоритет процессов и маскирует некоторые прерывания. То есть она игнорирует прерывания от некоторых источников, позволяя процессору сначала справиться с уже выполняемой им работой.

Но некоторые прерывания крайне важны и не игнорируются. Речь идет о проблемах памяти и ошибках. Эти прерывания называют немаскируемыми и они обрабатываются немедленно, вне зависимости от того, над какими задачами в данный момент работает процессор. В качестве наиболее яркого (но, разумеется, не единственного) примера немаскируемого прерывания можно привести прерывание по прекращению подачи питания. Нетрудно понять, что такое прерывание всегда ведет к прекращению работы процессора по весьма уважительной причине.

Прерывания усложняют работу даже однозадачной операционной системы. Каждодневный труд многозадачной операционной системы еще сложнее. Сегодня операционная система должна выполнять приложения таким образом, чтобы для вас это выглядело в качестве событий, происходящих одновременно. Современные многоядерные процессоры и многопроцессорные компьютеры, разумеется, очень работоспособны, но каждое ядро процессора до сих пор может выполнять лишь одну задачу в один момент времени.

Чтобы создавалось впечатление одновременно происходящих событий, операционной системе приходится переключаться между процессами тысячи раз за одну только секунду. Теперь рассмотрим то, как все это происходит в реальности:

• Процесс занимает определенный объем в оперативной памяти (ОЗУ, RAM). Он также может использовать регистры, стеки и очереди в рамках памяти процессора и операционной системы
• Когда два процесса выполняются одновременно в многозадачном режиме, операционная система выделяет одной программе определенное количество исполнительных циклов процессора
• После выполнения этой последовательности циклов, операционная система копирует состояние всех регистров, стеков и очередей, использованных в ходе работы над выполнением процесса и отмечает точку, в которой выполнение процесса было приостановлено
• Затем загружает все регистры, стеки и очереди, используемые вторым процессом и позволяет процессору уделить ему некоторое количество циклов
• Когда все это уже произошло, она вновь копирует состояние всех регистров, стеков и очередей, использованных второй программой и в очередной раз загружает первую программу

Управляющий блок процесса

Вся информация, необходимая для отслеживания процесса, содержится в пакете данных, именуемом управляющим блоком процесса (process control block). Таким образом состояние процесса не теряется при переключении между задачами. В общем случае, управляющий блок процесса содержит:

• Номер-идентификатор (ID), идентифицирующий данный процесс
• Указатели и положения программы и ее данных на момент последней обработки процесса
• Контент регистра
• Состояния различных признаков и переключателей
• Список открытых процессом файлов
• Приоритет процесса
• Статус всех необходимых данному процессу устройств ввода и вывода

Каждый процесс характеризуется связанным с ним статусом (состоянием). Многие процессы в определенных ситуациях не требуют времени центрального процессора. К примеру, процесс может находиться в состоянии ожидания нажатия пользователем клавиши. В этом состоянии процесс называют приостановленным (suspended). Когда поступает информация о нажатии клавиши, операционная система меняет его статус. В данном конкретном примере речь идет о том, что статус ожидания сменяется статусом исполнения. Для продолжения выполнения процесса используется информация из его управляющего блока.

Подкачка процессов не требует непосредственного вмешательства пользователя. Каждый процесс получает в свое распоряжение достаточно циклов процессора, чтобы выполнить свою задачу за разумный промежуток времени. Проблемы наступают, когда пользователь начинает одновременно работать со слишком большим числом процессов. Операционная система и сама требует определенного количества циклов процессора на сохранение всех регистров и очередей и переключение между задачами. Операционная система не идеальна, и может случиться так, что она начнет использовать большую часть отведенных ей циклов процессора на переключение между процессами, а не на их запуск. Это называется пробуксовкой и обычно требует вмешательства пользователя. Ему необходимо завершить некоторые процессы и навести порядок в работе системы.

Все рассмотренное нами выше касается тех случаев, когда компьютер располагает всего одним процессором. На машинах, располагающих двумя и более процессорами, операционной системе приходится распределять между ними свою рабочую нагрузку. И при этом стараться поддержать баланс между потребностями процессов и количеством доступных циклов разных процессоров. Асимметричные операционные системы выделяют один из процессоров под свои собственные нужды, а процессы приложений распределяют между остальными. Симметричные операционные системы распределяют свои нужды между несколькими процессорами даже в тех случаях, если никаких других задач больше не запущено.

В дальнейшем нам предстоит поговорить еще о пяти категориях задач, которые постоянно «держит в уме» самая обычная операционная система любого компьютера.

Продолжение следует…

По материалам computer.howstuffworks.com

Что такое процессор (CPU)

В статье расскажем о том, что такое ЦП (центральный процессор), рассмотрим функции процессора и разберем как он работает.

Процессор – это устройство, отвечающее за обработку информации. Его называют по-разному: центральный процессор (ЦП) или центральное процессорное устройство (ЦПУ) или central processing unit (CPU), но все эти термины обозначают элемент, который является “мозгом” вычислительного устройства (смартфона, телевизора, компьютера, планшета, фотоаппарата, сервера).

Процессор представляет собой квадратную пластину со стороной около 5 сантиметров, с одной стороны которой находятся, похожие на ножки, коннекторы. С их помощью он прикрепляется к материнской плате – специальному элементу для установки дополнительных расширений.

Мощность процессора отвечает за скорость обработки команд и сказывается на продуктивности работы.

Что делает процессор

Зачем нужен процессор в устройствах? Он осуществляет управление всеми вычислительными операциями и элементами. Функции, которые выполняет ЦП:

• выполняет операции с данными оперативной памяти.
• создает команды и обрабатывает запросы от внутренних компонентов или внешних устройств.
• временное хранит данные о проделанных операциях или отданных командах.
• выполняет логические и арифметические операции с полученной информацией.
• передает итоги обработки информации внешним устройствам.

Из чего состоит процессор

Центральный процессор это не конечная деталь. Он состоит из трех составных частей:

Ядро отвечает за большую часть всех функций CPU. Оно выполняет расшифровку, чтение, отправку инструкций другим элементам или принимает инструкции от них. Одномоментно ядро способно выполнять только одну команду, происходит это за сотые доли секунд. Таким образом, наличие одного ядра говорит о том, что ПК или сервер будет выполнять все инструкции поочередно. Современное оборудование редко использует одноядерные процессоры, так как в этом случае оно работает очень медленно.

Ядро в свою очередь состоит еще из двух частей:

• Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Оно осуществляет выполнение арифметических и логических операций.
• Устройство управления (УУ). Оно координирует работу всех частей процессора, его взаимодействие с внешним оборудованием. Происходит это с помощью электрических сигналов.

1. Запоминающее устройство.

Это небольшая память процессора, в которой хранится информация о текущих командах и промежуточных результатах. Она состоит из кеша и регистров. Регистры отвечают за “запоминание” информации, а кеш хранит часто выполняемые инструкции. Обращение в кеш происходит быстрее, чем к оперативной памяти, поэтому объем кеш-память процессора влияет на скорость работы ЦПУ.

Это каналы для передачи команд внутри процессора.

Основные характеристики процессоров

1. Сокет (Socket)

Это разъем для установки процессора на материнскую плату. Существует множество видов сокетов, поэтому при выборе ЦП нужно обратить внимание, чтобы его сокет подходил к материнской плате. Например, если на материнской плате разъем LGA 1151, то нужно выбирать процессор с таким же сокетом, иначе его нельзя будет установить.

1. Тактовая частота

Этот параметр показывает количество обрабатываемых операций (тактов) в секунду. Измеряется в в мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц) Чем выше показатель тактовой частоты, тем выше производительность процессора.

Например, процессор с частотой 1 МГц обрабатывает 1 миллион операций в секунду, а процессор с частотой 1 ГГц – 1 миллиард операций.

Как было сказано выше, ядро – самая главная часть процессора и чем больше ядер, тем больше команд одновременно сможет обрабатывать ЦПУ. Чем больше ядер в процессоре, тем выше его производительность и скорость выполнения операций.

Показывает сколько потоков информации может обрабатывать одно ядро. Поток это технология, которая позволяет разделить производительность ядра, то есть физически ядро одно, а фактически оно может одновременно обрабатывать два процесса. На текущий момент не все процессоры обладают дополнительными потоками.

Кэш состоит из трех уровней памяти: L1, L2, L3. Чем больше памяти, тем лучше работает процессор.

Кэш первого уровня L1 — содержит те данные, которые могут потребоваться программе для выполнения инструкции,

Кэш второго уровня L2 — медленнее, в сравнении с кэшем первого уровня, но больше по размеру. Кэш L2 содержит информацию, которая может потребоваться в будущем.

Кэш третьего уровня L3 — самый большой и при этом самый медленный кэш. Его объем варьируется от 4 до 50 мегабайт.

1. Разрядность процессора

Это количество бит информации, которые процессор может обрабатывать за один такт (операцию). Например, размер данных за такт равен 1 байту, процессор считает восьмиразрядным (8 bit), если размер данных 2 байта, то ЦПУ шестнадцатиразрядный (16 bit), при размере 4 байта – процессор тридцатидвухразрядный (32 bit), в случае с 8-байтовым размером данных процессор считается шестидесятичетырехразрядный (64 bit).

Чем больше размер обрабатываемых данных, тем выше производительность процессора.

Как работает процессор

ЦУ обрабатывает команды на языке двоичного кода, говоря простым языком: 0 – это “нет”, 1 – это “да”. Каждый запрос, приходящий процессору состоит из комбинаций двух чисел 0 и 1.

Все операции внутри процессора это повторяющийся цикл, который не останавливается, пока работает компьютер или сервер: взять инструкцию из памяти, прочитать и расшифровать команду, осуществить действия.

Рассмотрим как работает процессор компьютера более подробно:

• Блок управления процессора забирает из оперативной памяти, где находится программа, определенные данные и команды, которые требуется выполнить. Вся эта информация загружаются в кэш-память.
• Получив данные из кэша, процессор записывает их в регистры. При этом инструкции отправляются в регистры команд, а значения помещаются в регистры данных.
• После считывания инструкций и данных, арифметико-логическое устройство выполняет эти команды.
• Результаты выполнения команд записываются в регистры. Если вычисления завершены, то они записываются также в буферную память процессора. Так как число регистров небольшое, промежуточные результаты хранятся в кэш-памяти.
• Если цикл вычислений завершен, результат сохраняется в оперативной памяти компьютера, чтобы освободить место в буферной памяти ЦП для новых вычислений. Если кэш-память переполнена, то неиспользуемая информация отправляется в кэш нижнего уровня или в оперативную память.

Виды процессоров

Существуют процессоры для мелкой техники, такой как ноутбуки компьютеры, телефоны,их можно назвать настольные ЦП. Второй вид процессоров – серверные, предназначены для оборудования, работающего с огромными массивами данных.

Основные функции настольных процессоров – это выполнения функций домашних компьютеров: запуск нескольких программ, перемещение информации, работа с браузерами, запись данных на различные накопители, запуск игр, обработка фото- и видеоматериалов. Им не требуется большое число ядер, но необходима высокая тактовая частота.

Серверные процессоры могут работать с несколькими подключенными клиентами, поэтому им требуется большее число ядер, высокий объем кэш-памяти и поддержка больших объемов оперативной памяти.

Также различают типы процессоров по принципу выполнения команд:

• CISC (Complete Instruction Set Computing) – этот тип процессора с полным набором команд. Они характеризуется:

– большим количеством различных машинных команд, каждая команда выполняется за несколько тактов ЦП

– небольшим количеством регистров общего назначения

– различными форматами команд с разными длинами

– преобладанием множественной адресацией

• RICS (Restricted Instruction Set Computer) – процессор, повышение работоспособности которого происходит за счет упрощения инструкций. В ЦП с RISC-архитектурой применяется ограниченный набор быстрых команд.

Каждая команда выполняется за за один такт. В таких процессорах требуется меньшее число транзисторов, что снижает их энергопотребление и стоимость. Архитектура RISC использует наиболее простейшие команды, что упрощает процесс их выполнения. Более сложные команды обрабатываются как составные из “простых” команд.

• VLIW (Very Long Instruction Word) – процессоров, работающие через объединение простых команд в “связку”. Эти команды должны быть независимы друг от друга и осуществляться параллельно.

Архитектура VLIW известна с начала 80-х годов. Она основана на том, что задача эффективного параллельного выполнения команд возлагается на «разумный» компилятор (программу, переводящую команды в машинный код). Компилятор первоначально делает анализ всей инструкции, выбирает команды, которые могут быть выполнены одновременно. Затем объединяет такие команды в связки, которые рассматриваются как сверхдлинные команды. В результате получается несколько сверхдлинных команд, которые исполняются одновременно.

Как выбрать процессор

На рынке процессоров известны две крупные компании-производителя: AMD и Intel. Они находятся в тесной конкуренции друг с другом, хотя AMD стремится создать нишевый продукт с низкой ценой, а Intel нацелена на топовые, производительные процессоры с высокой эффективностью и низкой энергопотребляемостью.

Основные характеристики по которым необходимо выбирать процессор это: скорость работы (ГГЦ), количество ядер, объем кэш-памяти, тактовая частота (МГЦ или ГГЦ).

Прежде чем приступить к выбору CPU, необходимо определить для чего нужен процессор, какие задачи стоят перед оборудованием, на котором будет стоять ЦП.

Если вам требуется выполнения обычных задач (работа в поисковых системах, в Word и Excel, чтение почты) на ноутбуке или ПК, то вам достаточно встроенных процессоров, со стандартными параметрами.

Предположим, что вы хотите купить ноутбук для сетевых игр или для монтирования видеоматериалов. В этом случае вам потребуется более мощные характеристики оборудования. ПК для игр, обработки фото или видео лучше выбирать с процессорами у которых не менее четырех ядер.

Восьмиядерный ЦПУ потребуется для мощного персонального компьютера, например, под использование профессиональных программ (3ds Max, Adobe Lightroom Classic, SiSoftware Sandra 2020, Adobe Premiere Pro, AutoCAD) или для профессиональных геймеров.

Еще один важный показатель при выборе CPU – тактовая частота. У простых двухъядерных процессоров она 3,5 ГГц – это средний класс компьютеров. Чем выше уровень тактовой, тем быстрее работает процессор. Например, для игрового ноутбука желательно выбирать ЦП с частотой не менее 4 ГГц.

Выбор процессора для сервера это отдельная задача, которую лучше всего доверить специалисту. Кратко отметим, что стоит учитывать ряд параметров: характеристики CPU, структура и состав сервера, на какое количество пользователей он будет рассчитан, какой тип задач будет на нем выполняться (объемные вычисления, хранение данных, размещение программ с постоянным доступом к ним и т.д.). Также стоит учитывать бюджет, в рамках которого требуется приобрести оборудование.

Так как нагрузки на вычислительные системы быстро растут (появляются новые приложения и программы, которые обрабатывают больше информации), то при выборе процессора лучше сделать запас производительности примерно на 20-30% с перспективой на будущее.

Заключение

Назначение процессора – это обработка информации и выполнение различных команд. Без ЦПУ компьютер не будет работать, он выполняет абсолютно все задачи, даже самые простые. Процессор в оборудовании – как мозг внутри человека.

Мощность ПК и серверного оборудования зависит от процессора. При выборе устройств всегда отталкивайтесь от задач, которые вы планируете выполнять, также делайте запас производительности на случай увеличения нагрузки на оборудование.

Что такое центральный процессор (ЦП)?

Центральный процессор (ЦПУ) – это аппаратный компонент, который является основным вычислительным блоком сервера. Серверы и другие интеллектуальные устройства преобразуют данные в цифровые сигналы и выполняют над ними математические операции. Центральный процессор является основным компонентом, который обрабатывает сигналы и делает возможными вычисления. Он действует как мозг любого вычислительного устройства. Он извлекает инструкции из памяти, выполняет необходимые задачи и отправляет выходные данные обратно в память. Он выполняет все вычислительные задачи, необходимые для работы операционной системы и приложений.

Как развивалась технология ЦПУ с течением времени?

В самых ранних компьютерах для обработки использовались вакуумные трубки. Такие машины, как ENIAC и UNIVAC, были большими и громоздкими, потребляли много энергии и выделяли значительное количество тепла. Изобретение транзисторов в конце 1940-х годов произвело революцию в технологии ЦПУ. Транзисторы заменили вакуумные трубки, сделав компьютеры компактнее, надежнее и энергоэффективнее. В середине 1960-х годов были разработаны интегральные схемы, которые объединили несколько транзисторов и других компонентов на одном компьютерном чипе. ЦПУ стали еще меньше и быстрее, что привело к появлению микропроцессоров.

Микропроцессоры

Микропроцессоры объединили весь ЦПУ на одном микрочипе, что сделало компьютеры более доступными и привело к разработке персональных компьютеров. Первоначально ЦПУ могли обрабатывать от 16 до 32 бит данных одновременно. В начале 2000-х годов появились 64-разрядные ЦПУ, которые обеспечивали большую адресацию памяти и поддерживали более интенсивную обработку данных.

По мере увеличения плотности транзисторов повышение производительности одноядерных ЦПУ усложнилось. Вместо этого производители ЦПУ начали использовать архитектуры многоядерных процессоров для интеграции нескольких ядер в один чип.

Современные процессоры

С появлением мобильных устройств энергоэффективность стала играть решающую роль. Теперь производители ЦПУ разрабатывают маломощные и энергоэффективные ЦПУ для современных портативных устройств, таких как смартфоны и планшеты.

По мере распространения задач, связанных с искусственным интеллектом и графической обработкой, для обработки рабочих нагрузок стали использоваться специализированные ЦПУ, такие как графические процессоры и ускорители искусственного интеллекта.

Непрерывные исследования и разработки в области нанотехнологий и материаловедения проложили путь к созданию микроскопических транзисторов и более мощных ЦПУ. Квантовые вычисления и другие новые технологии могут способствовать дальнейшему развитию компьютерных процессорных технологий.

Из каких компонентов состоит ЦПУ?

ЦПУ – это сложная электронная схема, состоящая из нескольких ключевых компонентов, обрабатывающих данные и исполняющих инструкции. Ниже описаны основные компоненты ЦПУ.

Блок управления

Блок управления контролирует обработку инструкций и координирует поток данных внутри процессора и между другими компьютерными компонентами. Он содержит декодировщик команд, который интерпретирует инструкции, извлеченные из памяти, и преобразует их в микрооперации, которые может выполнить процессор. Блок управления направляет другие компоненты процессора на выполнение необходимых операций.

Регистры

Регистры – это небольшие высокоскоростные места хранения внутри процессора. Они содержат данные, с которыми работает процессор в данный момент, и обеспечивают к ним быстрый доступ. Процессоры имеют несколько типов регистров, в частности такие:

• регистры общего назначения, содержащие оперативные данные;
• регистры инструкций, содержащие текущую обрабатываемую инструкцию;
• счетчик команд, содержащий адрес памяти следующей инструкции, которую нужно извлечь.

Регистры обеспечивают более быстрый доступ к данным по сравнению с другими уровнями памяти, такими как ОЗУ или кэш-память.

ALU

Арифметико-логическое устройство (ALU) выполняет над данными основные арифметические (сложение, вычитание, умножение и деление) и логические операции (AND, OR и NOT). Оно получает данные из регистров процессора, обрабатывает их на основе инструкций блока управления и выдает результат.

Блок управления памятью

Процессор может быть оснащен отдельным интерфейсным блоком или блоком управления памятью в зависимости от его архитектуры. Эти компоненты выполняют задачи, связанные с памятью, такие как управление взаимодействием процессора и оперативной памяти. Этот компонент также управляет кэш-памятью, небольшим блоком быстрой памяти, расположенным внутри процессора, и виртуальной памятью, используемой процессором для обработки данных.

Генератор синхроимпульсов

Процессор использует тактовый сигнал для синхронизации внутренних операций. Генератор синхроимпульсов вырабатывает устойчивые импульсы с определенной частотой, и эти тактовые циклы координируют операции процессора. Тактовая частота измеряется в герцах (Гц) и определяет количество команд, которое процессор может выполнять в секунду. Современные процессоры имеют переменную тактовую частоту, которая регулируется в зависимости от рабочей нагрузки, для сбалансирования производительности и энергопотребления.

Каков принцип работы ЦПУ?

Компьютерные процессоры работают на базе других аппаратных компонентов и программного обеспечения для обработки данных и управления потоком информации в электронных устройствах. Обычно они работают циклически, при этом каждый цикл команд представляет собой три основных этапа.

Цикл базового процессора

Ниже приведены основные этапы цикла команд.

Выборка команд

ЦПУ получает команды из памяти. Команды – это двоичные коды, представляющие конкретные задачи или операции ЦПУ. Блок управления интерпретирует команду и определяет операцию, которую необходимо выполнить. При этом также определяются конкретные компоненты ЦПУ, необходимые для выполнения задачи.

Обработка команд

ЦПУ выполняет указанную операцию с полученными данными. Он выполняет математические вычисления, логические сравнения, манипуляции с данными или передачу данных между регистрами или ячейками памяти.

Хранение результатов

После выполнения команд ЦПУ может потребоваться сохранить результаты в памяти или обновить определенные регистры новыми данными. Счетчик команд обновляется и указывает адрес следующей команды, которую нужно получить. ЦПУ повторяет цикл и последовательно загружает, декодирует и выполняет команды.

Дополнительные функции процессора

ЦПУ также может обрабатывать команды потока управления, такие как переходы и ответвления, а также прерывания, сигналы, генерируемые внешними устройствами, или события, требующие немедленного внимания. При прерывании ЦПУ временно приостанавливает выполнение текущей задачи, сохраняет ее состояние и переходит к процедуре обслуживания прерываний. После обработки прерывания ЦПУ возобновляет выполнение предыдущей задачи.

Современные ЦПУ часто используют такие методы, как параллелизм и конвейерная обработка команд, для повышения производительности. Несколько команд могут одновременно находиться на разных стадиях цикла, что позволяет более эффективно использовать ресурсы ЦПУ.

Каковы расширенные функции ЦПУ?

Лучший ЦПУ отличается производительностью, эффективностью и гибкостью, что позволяет эффективно выполнять широкий спектр вычислительных задач. Далее мы опишем несколько дополнительных функций.

Ядра

Ранее одноядерный процессор был стандартным решением, однако сегодня все ЦПУ имеют несколько физических ядер. Ядро – это отдельный процессор в ЦПУ. Большее количество ядер позволяет ЦПУ обрабатывать несколько потоков (последовательностей команд) параллельно, что значительно повышает общую производительность. Приложения могут использовать преимущества многоядерной архитектуры, разделяя задачи на более мелкие подзадачи, которые можно выполнять одновременно.

Гиперпоточность

Гиперпоточность – это одновременная многопоточная реализация, разработанная Intel, которая позволяет каждому ядру ЦПУ запускать несколько потоков одновременно. Таким образом, каждое физическое ядро в операционной системе имеет вид двух виртуальных ядер. Программное обеспечение более эффективно использует доступные аппаратные ресурсы.

Расширенные наборы команд

Современные ЦПУ также оснащены расширенными наборами команд и технологиями, предназначенными для ускорения выполнения определенных задач. Эти наборы команд выходят за рамки фундаментальных арифметических и логических операций и предоставляют дополнительные возможности для более эффективной обработки сложных вычислений.

Например, ЦПУ могут включать наборы команд, специально предназначенных для описанных ниже задач.

• Мультимедийные задачи, такие как декодирование видео, кодирование звука и обработка изображений.
• Алгоритмы шифрования и дешифрования, такие как AES и SHA.
• Задачи типа SIMD, требующие одновременного выполнения ЦПУ одной и той же операции с большими наборами данных. Это такие задачи, как графический рендеринг, научное моделирование и цифровая обработка сигналов.
• Виртуализация, позволяющая виртуальным машинам (VM) работать более эффективно.
• Рабочие нагрузки ИИ, такие как операции с нейронными сетями.

Как AWS обеспечивает соответствие вашим требованиям к процессорам?

У Amazon Web Services (AWS) предлагает решения для реализации ваших требований к процессорам.

Эластичное вычислительное облако Amazon (Amazon EC2) предлагает самую масштабную и разноплановую вычислительную платформу. Она насчитывает более 600 инстансов и позволяет выбрать новейший процессор, систему хранения данных, сетевую систему, операционную систему и модель покупки, которые помогут вам наилучшим образом удовлетворить потребности вашей рабочей нагрузки. Мы первый крупный облачный провайдер, который поддерживает работу процессоров Intel, AMD и Arm, а также единственное облако с инстансами EC2 Mac по требованию.

При использовании Amazon EC2 вы мгновенно получаете следующие преимущества:

• лучшее соотношение цены и производительности машинного обучения, а также самая низкая стоимость инстансов логических выводов в облаке;
• возможность выбора оптимального сочетания ЦПУ, памяти, хранилища и сетевых ресурсов для ваших приложений;
• возможность выбора предварительно настроенного шаблона образа машины Amazon (AMI) для мгновенного начала работы.

Начните работу с пользовательскими инстансами и процессорами на AWS, создав аккаунт уже сегодня.