Билет №10. Архитектурные способы повышения производительности микропроцессоров

Есть 2 пути повышения производительности процессора: технологическое и архитектурное. Технологическое – совершенствование технологии производства интегральных схем, уменьшение проектное норм, что позволяет повысить тактовую частоту и обеспечивает рост уровня интеграции. Повышению тактовой частоты способствует укорочение цепочек логических элементов. Архитектурный способ связан с рядом направлений: оптимизация системы команд, использование методов и средств параллельной обработки данных и т.д.

Первое архитектурное решение – конвейеризация – естественное средство реализации параллелизма в естественной последовательности команд.

1) Выборы команды IF

2) Дешифрирование команды ID

3) Чтение операндов RD

4) Исполнение операции EX

5) Запись результатов WB

Конвейерная обработка не уменьшает время обработки отдельной команды, но позволяется параллельно выполнять сразу несколько команд. Ситуация, при которой в процессе выполнения команд происходит временная остановка конвейера называется конфликтом.

1) Конфликт по ресурсам возникает, когда нескольким командам, находящимся на разных степенях конвейерах требуется использование одного ресурса.

2) Конфликт по данным – ситуация, когда исходный операнд или результат операции недоступны в положенное время.

3) Конфликт по управлению – возникает при конвейеризации команд условных переходов (или других команд, изменяющих счётчик команд)

Дополнительные архитектурные способы борьбы с конфликтами:

1) Суперскалярность – означает, что на каждом этапе обрабатывается сразу несколько потоков инструкций параллельно. Процессоры способны запускать не исполнение не только ту команду, которая сейчас, но и следующую за ней. Непересекающиеся по данным команды могут выполняться на свободных исполняющих блоках процессора.

2) Внеочередное выполнение операций. Операции не обязаны выполняться в том порядке, в котором написаны в исходном коде.

3) Предсказание перехода – позволяет процессору при выполнении команд сохранять конвейер заполненным. Используется оптимизированный алгоритм предсказания перехода, позволяющий предсказывать направление и результат команд (эффективность 95-97%).

4) Анализ потока данных – используется для исследования потока данных, проходящих через процессор, выявляет закономерности при обращении к данным и пред загружает эти данные.