ما هو سياق تبديل؟

في الأيام الأولى للحوسبة ، كانت وحدات المعالجة المركزية عبارة عن آلات متسلسلة بحتة. ساعد هذا في إبقاء التصميمات بسيطة. ومع ذلك ، فقد حد أيضًا من الأداء. ستحتاج العديد من العمليات إلى طلب بيانات من ذاكرة الوصول العشوائي للنظام أو محرك الأقراص الثابتة. في حين أن ذاكرة الوصول العشوائي للنظام سريعة ، فإنها لا تزال ليست بنفس سرعة وحدة المعالجة المركزية ، مما يجعلها جالسة في وضع الخمول ، في انتظار البيانات حتى تعود الاستجابة من ذاكرة الوصول العشوائي. الوضع أسوأ بالنسبة للبيانات المطلوبة من القرص الصلب ، وهو جهاز تخزين أبطأ بكثير من ذاكرة الوصول العشوائي. هنا يمكن أن تكون وحدة المعالجة المركزية خاملة لفترات طويلة ، في انتظار الرد. لسوء الحظ ، مع المعالجات المتسلسلة ، فإن هذه المشكلة ببساطة لا مفر منها.

لحسن الحظ ، لم تعد وحدات المعالجة المركزية الحديثة متسلسلة. أنها توفر العديد من الميزات المتقدمة ، مثل التنفيذ خارج الترتيب والخيوط المتعددة. يسمح التنفيذ خارج الطلب لوحدة المعالجة المركزية بتحليل التعليمات القادمة وإعادة ترتيبها لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة. يتيح الترابط المتعدد لوحدة المعالجة المركزية تشغيل العديد من مؤشرات الترابط أو العمليات المختلفة.

بعيدًا عن وجود نوى متعددة ، لا يمكن لوحدة المعالجة المركزية تشغيل أكثر من مركز واحد في كل مرة. ومع ذلك ، يمكن أن يجعل الأمر يبدو كما لو كان من خلال التبديل بينهما بانتظام للتأكد من حصول كل منهما على قدر كبير من وقت وحدة المعالجة المركزية الثابت. تسمى عملية التبديل بين الخيوط تبديل السياق.

كيف يعمل تبديل السياق؟

يتكون مفتاح السياق من جزأين ، تبديل الخيط السابق والتبديل في الجزء الجديد. لتغيير الخيط القديم ، يجب أن تحفظ وحدة المعالجة المركزية حالتها الحالية في كتلة التحكم في العملية أو إطار التبديل. يتضمن هذا قيم أي سجلات CPU ذات صلة ويتكون دائمًا من قيمة عداد البرنامج. بمجرد تخزين الخيط ، يمكن إضافة مقبض إلى قائمة انتظار جاهزة للسماح باستعادته عند الحاجة.

التبديل في الخيط التالي هو نفس العملية في الاتجاه المعاكس. يتم تحديد خيط إما من قائمة الانتظار الجاهزة ، اعتمادًا على الترجيح. بدلاً من ذلك ، يمكن اختياره عن طريق مقاطعة تشير إلى أن الحدث الذي كان الخيط ينتظره جاهز الآن أو مكتمل. ثم يتم نسخ البيانات الخاصة بمؤشر الترابط في السجلات الصحيحة ، وتتم استعادة مؤشر الترابط. في هذه المرحلة ، يكون مؤشر الترابط الجديد جاهزًا لمواصلة العملية من حيث توقف.

تأثير الأداء

تستغرق عملية قراءة البيانات وكتابتها عند تبديل الخيط أو الخروج منه بعض الوقت ، ولكن ليس كثيرًا ، لأن الذاكرة المستخدمة عادةً ما تكون عالية السرعة. ومع ذلك ، هناك تكاليف أداء إضافية. عند تبديل مؤشرات الترابط ، قد لا تكون البيانات الموجودة في ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية والمخازن المؤقتة من مؤشر الترابط السابق ذات صلة بالموضوع الجديد. هذا يمكن أن يؤدي إلى زيادة كبيرة في TLB ( الترجمة Lookaside Buffer ) ، ويفتقد ذاكرة التخزين المؤقت.

هذا التأثير ليس مهمًا إذا تم إنتاج الخيطين بنفس العملية ، حيث من المحتمل أن يشتركان في عناصر ذاكرة كبيرة. يجب شطف TLB تمامًا عند التبديل بين الخيوط من طرق مختلفة. يؤدي هذا إلى معدل فقد TLB بنسبة 100٪ بينما يتم أيضًا تقليل معدل الدخول إلى ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية بشكل كبير.

بينما تقدم وحدات المعالجة المركزية دعمًا للأجهزة لتبديل السياق ، فإن أنظمة التشغيل لا تستخدم هذا عادةً. يفتقر تبديل سياق الأجهزة إلى الوعي بأهمية البيانات. لذلك يحتاج إلى تخزين واستعادة جميع السجلات ، مما يزيد من الوقت المستغرق ومساحة التخزين المطلوبة.

بالإضافة إلى ذلك ، لا يقوم تبديل سياق الأجهزة بتخزين البيانات من سجلات الفاصلة العائمة ، والوظيفة التي قد تكون ضرورية. لذلك ، يتم استخدام تبديل سياق البرنامج بشكل عام. يسمح بحفظ البيانات من جميع السجلات ، بما في ذلك سجلات الفاصلة العائمة. مفاتيح تبديل سياق البرنامج لديها فهم لمدى ملاءمة البيانات. هذا يعني أنه يمكنه انتقاء واختيار ما يتم تخزينه حسب الحاجة.

خاتمة

تبديل السياق هو عملية تقوم من خلالها وحدة المعالجة المركزية الحديثة بتبديل الخيط الذي يتم تشغيله. تتضمن العملية تخزين البيانات ذات الصلة في مؤشر الترابط الحالي واستعادة البيانات ذات الصلة للخيط الجديد. يأتي تبديل السياق بتكلفة أداء تتعلق بالوقت اللازم لأداء التبديل ، والمعدل المتزايد لذاكرة التخزين المؤقت وفقدان TLB نظرًا لعدم تخزينهما. تحدث تبديل السياق إما للتأكد من أن جميع مؤشرات الترابط لديها إمداد جيد لوقت وحدة المعالجة المركزية أو بسبب مقاطعة تشير إلى أن حدثًا كان ينتظره الخط قد اكتمل.