Многопортовые ОЗУ и ОЗУ типа FIFO

Многопортовые ОЗУ:

отличие от стандартного, в n-портовом ОЗУ имеется n независимых наборов шин адреса, данных и управления, гарантирующих одновременный и независимый доступ к ОЗУ n устройствам. Свойства:

- существенно упрощается создание компьютерных систем c общей (совместно используемой) памятью;

- в рамках отдельного компьютера более эффективный, чем прямой доступ к памяти, обмен информацией между ЦП и УВВ.

ОЗУ типа FIFO:

Применяется для буферизации потока данных.

Поступление и выборка данных:

- происходят в одинаковой последовательности;

- обычно имеют различную скорость;

- могут выполняться одновременно.

ИМС представляет собой двухпортовое ОЗУ:

- один порт предназначен для занесения информации, а второй – для считывания;

- характерны технологические приемы, свойственные двухпортовой памяти (способы арбитража и т.п.).

Отличительные особенности:

- нет входов для указания адреса ячейки, занесение и считывание данных производится через одну входную точку и одну выходную;

- для слежения за состоянием очереди ИМС содержит:

= регистры-указатели адресов начала и конца очереди;

= специальные флаги, указывающие на две ситуации: отсутствие данных и полное заполнение памяти.

81. Прерывания: фаза прерывания, поток данных, классы прерываний.

Прерывания – механизм, с помощью которого другие модули могут прервать нормальный процесс выполнения программы пользователя.

Фаза прерывания может следовать после фазы выполнения команды, перед началом следующего цикла. Последовательность действий:

- сохранение текущего состояния процесса;

- переход к процедуре обслуживания прерывания.

Классы прерываний:

= Программные – исключительные ситуации при выполнении команд (арифметическое переполнение, деление на нуль, попытка выполнения команды с несуществующим кодом операции, обращения по адресу, выходящему за пределы физического адресного пространства компьютера, и т.п.).

= Аппаратные – генерируются специальными средствами контроля работоспособности аппаратуры при обнаружении сбоев (пропадание питания, ошибка контроля памяти по четности и т.п.).

= Ввода-вывода – генерируются контроллером ввода-вывода (завершение текущей операции ввода-вывода, возникновение ошибки процедуры ввода-вывода).

= Прерывания по таймеру – генерируются таймером процессора и используются ОС для переходов в многозадачном режиме.

Поток данных при прерывании:

На рисунке: регистр адреса памяти (РгАП, MAR); буферный регистр данных памяти (БРгП, MBR); программный счетчик (ПС, PC). Текущее содержимое ПС сохраняется (в стеке), что позволяет в дальнейшем возобновить выполнение прерванной программы с той же точки. В ПС вместо текущего адреса прерванной программы загружается начальный адрес подпрограммы обработки прерывания.

82. Арифметический конвейер: назначение, принципы реализации. Понятие суперконвейера.

Арифметический конвейер. Синоним: магистральный конвейер. В устройствах, выполняющих содержательную обработку информации (АЛУ). Суть: выполнение арифметических операций по частям – согласно этапам конвейера. В результате конвейеризируется выполнение арифметических операций.

Назначение арифметического конвейера: ускорение выполнения операций над числами (т.к. операции над числами с плавающей запятой занимают несколько тактов).

Магистральные конвейерные линии могут быть:

- в нескольких экземплярах в одном процессоре;

- ориентированы (каждая) на определенные операции с данными.

На рисунке: конвейер процессора с дополнительным функциональными устройствами. Функциональные устройства включают в себя несколько тактов обработки (арифметический конвейер).

Суперконвейер:

Увеличение количества ступеней конвейера путем:

- добавления новых ступеней;

- дробления имеющихся ступеней на несколько простых подступеней.

Основные требования:

- возможность реализации операции в каждой подступени наиболее простыми техническими средствами (с минимальными затратами времени);

- одинаковость задержки во всех подступенях.

Недостатки суперконвейера:

- усугубление проблем, характерных для любого конвейера:

= возрастает вероятность конфликтов;

= высокий штраф за ошибку предсказания перехода;

- усложнение логики взаимодействия ступеней конвейера.

Пример: MIPS R4000 (1991 г. – 8 ступеней); Pentium III (10 ст.), Pentium IV (20 ст.).

83. Конвейерная обработка данных: предпосылки внедрения, принципы реализации, способы синхронизации ступеней.

Средства повышения эффективности работы системы:

- совершенствование элементной базы;

- архитектурные решения: увеличение количества программно доступных регистров ЦП; использование кэш-памяти; совмещение операций.

Аппаратура компьютера в любой момент времени выполняет одновременно более одной базовой операции. Два вида совмещения:

- параллелизм (аппаратная структура воспроизводится в нескольких копиях);

- конвейеризация (конвейерная обработка) – архитектурное решение, способ организации процесса обработки команд, основанный на совмещении во времени отдельных этапов рабочего цикла.

Принцип конвейеризации:

- подлежащая исполнению функция делится на более мелкие части (этапы, стадии, ступени);

- для каждого этапа выделяется отдельный блок аппаратуры;

- данные передаются от одного этапа к следующему;

- этапы выполнения разных команд совмещаются.

Способы синхронизации ступеней конвейера:

1. Синхронный конвейер - характерен для традиционных компьютеров: синхронный характер работы процессора; короткие тракты распространения сигналов синхронизации (перекос сигналов не существенен).

2. Асинхронный конвейер

Условия применения:

- длительности временных интервалов отдельных ступеней конвейера зависят от типа команды и вида операндов;

- связь между ступенями не сильна;

- длина сигнальных трактов между разными ступенями сильно рознится;

84. Синхронный конвейер: реализация 6-ступенчатого конвейера, метрики эффективности, оценка выигрыша от внедрения.

Этапы 6-ступенчатого конвейера:

= извлечение команды (ИК);

= декодирование команды (ДК) – расшифровка кода операции и спецификаторов операндов;

= вычисление адресов операндов (АО) – вычисление исполнительных адресов операндов-источников с учетом режимов адресации;

= извлечение операндов (ИО) – извлечение всех операндов-источников из памяти;

= выполнение команды (ВК) – выполнение операций, заданных кодом операции в команде;

= запись результата (ЗР) – запись результата в память.

T_k = (max {t_i} + d), i = 1,…,k.

T_k – длительность такта конвейера; t_i продолжительность выполнения i-го этапа команды; k – количество этапов обработки; d – накладные расходы, обусловленные задержкой сигналов и перекоса сигналов синхронизации.

Характеристики конвейера:

= коэффициент совмещения операций – число одновременно выполняемых этапов обработки команды;

= метрики эффективности конвейера:

- ускорение – отношение времени последовательного выполнения N инструкций к времени их конвейерного выполнения: S = t_посл.N /t_конв.N; t_посл.N = N x k x T_k; t_конв.N = (k+(N‑1)) x T_k. Лучшее ускорение S=k.

- эффективность – доля ускорения, приходящаяся на одну ступень конвейера: E = S / k = N / (k + (n-1)). Идеал: Е = 1.

- производительность – P = E / T_k; номинальная производительность (при полной загруженности конвейера) P_{ном. конв.} = 1 / T_k.

Оценка выигрыша от конвейеризации:

k/2 < P_{ном.конв.} / P_посл. <=k.