Принципы работы современных ЭВМ

Конвейерная обработка.

Разработчики архитектуры ЭВМ издавна прибегали к методам проектирования, известным под общим названием «совмещение операций», при котором аппаратура ЭВМ в любой момент времени выполняет одновременно более одной базовой операции.

Этот общий метод включает 2 понятия:

• Параллелизм
• Конвейеризацию

Хотя у них много общего и их трудно различить на практике, эти термины выражают 2 различных подхода. При параллелизме – совмещение операций достигается путем воспроизведения в нескольких копиях аппаратной структуры. Высокая производительность осуществляется за счет одновременной работы копий, осуществляющих решение различных частей задач.

Конвейеризация (конвейерная обработка) в общем случае основана на разделении подлежащей исполнению функции на более мелкие части, называемые ступенями и выделении для каждой из них отдельного блока аппаратуры.

Так обработку любой машинной команды можно разделить на несколько этапов, организовав передачу данных от одного этапа к следующему.

При этом конвейерную обработку можно использовать для совмещения этапов выполнения различных команд. Производительность при этом возрастает благодаря тому, что на различных ступенях конвейера выполняется одновременно несколько команд.

Предположим, что выполнение типичной команды можно разделить на этапы:

1. IF – выборка команды из ОЗУ.
2. Декодирование команды – ID, выборка команды из стека.
3. ЕХ – выполнение команды.
4. МЕМ – обращение к памяти.
5. WB – запись результата.

Процессор с неконвейерной обработкой выполняет указанные выше этапы без совмещения.

Чтобы конвейеризовать эту схему, необходимо просто разбить выполнение команды на указанные выше этапы, отведя для выполнения каждого этапа один такт синхронизации. И начинать в каждом такте выполнение новой команды.

Естественно для хранения промежуточных результатов каждого этапа необходимо использовать промежуточные регистры.

Хотя время выполнения одной команды в таком конвейере будет состоять из пяти тактов, в каждом такте аппаратура будет выполнять в совмещенном режиме 5 различных команд:

260 нс

60 60 60 60 60

5 5 5 5

Предположим, что время выполнения команды в МП равно 260 нс. И при выполнении им команды можно выделить этапов, которые имеют длительность 50, 50, 60, 50, 50 нс соответственно.

Если же используется конвейерная организация, длительность такта будет равна длительности самого медленного этапа обработки плюс накладные расходы при передаче данных от этапа к этапу(5нс), т.е. 65нс данных.

Конвейеризация увеличивает пропускную способность процессора (количество команд завершающихся в единицу времени), но несколько увеличивает время выполнения каждой команды.

Конвейеризация эффективна тогда, когда загрузка конвейера близка к максимальной, и скорость подачи новых команд и операндов соответствует максимальной производительности конвейера.

Если произойдет задержка, то одновременно будет выполняться меньше команд, и суммарная производительность снизится.

Такие задержки, которые препятствуют выполнению очередной команды из потока команд в предназначенном для нее такте, называют конфликтами.

Существует три класса конфликтов:

1. Структурные конфликты, которые возникают из-за конфликтов ресурсов, когда аппаратные средства не поддерживают все возможные комбинации команд при конвейерной обработке.
2. Конфликты по данным, возникающие, когда выполнение одной команды зависит от результатов выполнения предыдущей.
3. Конфликты по управлению, которые возникают при конвейерном выполнении команд условных переходов и других команд, которые изменяют значение регистра счетчика команд.

Конфликты в конвейере приводят к необходимости приостановки выполнения команд. Обычно в простейших конвейерах, если приостанавливается какая-либо команда, то все следующие за ней команды также приостанавливаются, а команды предшествующие приостановленной, продолжают выполняться.