Файл: Архитектура ЭВМ.doc

В архитектуре вычислительных машин можно найти множество объектов, где конвейеризация обеспечивает ощутимый прирост производительности ВМ. Ранее уже рассматривались два таких объекта — операционные устройства и память, од­нако наиболее ощутимый эффект достигается при конвейеризации этапов машин­ного цикла.

По способу синхронизации работы ступеней конвейеры могут быть синхронными и асинхронными. Для традиционных ВМ характерны синхронные конвейеры. Связано это, прежде всего, с синхронным характером работы процессоров. Ступе­ни конвейеров в процессоре обычно располагаются близко друг от друга, благода­ря чему тракты распространения сигналов синхронизации получаются достаточ­но короткими и фактор «перекоса» сигналов становится не столь существенным. Асинхронные конвейеры оказываются полезными, если связь между ступенями не столь сильна, а длина сигнальных трактов между разными ступенями сильно рознится. Примером асинхронных конвейеров могут служить систолические массивы (систолическая обработка будет рассмотрена в последующих разделах).

Синхронные линейные конвейеры

Эффективность синхронного конвейера во многом зависит от правильного выбо­ра длительности тактового периода Т_к. Минимально допустимую Т_к можно определить как сумму наибольшего из времен обработки па отдельной ступени конвейера Т_СМАХ и времени записи результатов обработки в буферные регистры межу ступенями конвейера Т_БР:

Т_к = Т_СМАХ + Т_БР.

Из-за вероятного «перекоса» в поступлении тактирующего сигнала в разные ступени конвейера предыдущую формулу следует дополнить еще одним элементом - максимальной величиной «перекоса» Г_пк:

Т_к = Т_СМАХ + Т_БР + Т_пк.

Каждая ступень может содержать множество логических трактов обработки. Т_к определяется наиболее длинными трактами во всех ступенях конвейера. При разработке конвейера необходимо учитывать, что для двух последовательных эле­ментов, обрабатываемых одной и той же ступенью, обработка первого элемента может проходить по тракту максимальной длины, а второго элемента — по мини­мальному тракту. В итоге результат обработки второго элемента может появиться на выходе ступени прежде, чем в выходном регистре ступени будет запомнен пре­дыдущий результат. Чтобы избежать подобной ситуации, сумма Т_{БР +} Т_ПК должна быть меньше минимального времени обработки в ступени Т_СIMN, откуда

Т_БР = Т_CMIN – T_ПК.

Выбор длительности тактового периода для конвейера должен осуществляться с соблюдением соотношения

Т_СМАХ + Т_БР + Т_ПК = Т_к = Т_СМАХ + Т_CMIN – T_ПК.

Несмотря на очевидные преимущества выбора Т_к равным нижнему пределу, проектировщики ВМ обычно ориентируются на среднее значение между нижним и верхним пределами.

Метрики эффективности конвейеров

Для того чтобы оценить эффект, достигаемый за счет конвейеризации вычисле­ний, обычно используют три метрики; ускорение, эффективность и производитель­ность.

Под ускорением понимается отношение времени обработки без конвейера и при его наличии. Теоретически наилучшее время обработки входного потока из N зна­чений T_NK на конвейере с К ступенями и тактовым периодом Т_к можно определить выражением

T_NK = (K + (N – 1))T_K.

Формула отражает тот факт, что до появления на выходе конвейера результата обработки первого элемента должно пройти К тактов, а последующие результаты будут следовать в каждом такте.

В процессоре без конвейера общее время выполнения составляет NKT_K. Таким образом, ускорение вычислений S за счет конвейеризации вычислений можно опи­сать формулой

При ускорение стремится к величине, равной количеству ступеней в конвейере.

Еще одной метрикой, характеризующей конвейерный процессор, является эффективность Е — доля ускорения, приходящаяся на одну ступень конвейера:

В качестве третьей метрики часто выступает пропускная способность или произ­водительность Р — эффективность, делённая на длительность тактового периода:

При эффективность стремится к единице, а производительность — к частоте тактирования конвейера:

Нелинейные конвейеры

Конвейер не всегда представляет собой линейную цепочку этапов. В ряде ситуаций оказывается выгодным, когда функциональные блоки соединены между со­бой не последовательно, а в соответствии с логикой обработки, при этом одни бло­ки в цепочке могут пропускаться, а другие — образовывать циклические структуры. Это позволяет с помощью одного и того же конвейера одновременно вычислять более одной функции, однако если эти функции конфликтуют между собой, то такой конвейер трудно загрузить полностью. Структура нелинейного конвейера, одновременно вычисляющего две функции X и Y, приведена па рис.47. Там же показана последовательность, в которой функциями X и Y востребуются те или иные функциональные блоки.

Рис.51. Нелинейный конвейер

Чтобы определить, когда пора приступать к повторному вычислению той или иной функции, необходимо построить диаграмму однократной реализации этой функции и отследить по ней моменты, когда такой запуск не приведет к конфликту, связанному с одновременным обращением к одному и тому же функциональ­ному блоку.

Так, в ходе реализации функции X запуск очередного ее вычисления возможен после 1,3 и 6 тактов. Запуск параллельного вычисления функции Y возможен после 2 и 4 тактов. При запуске функции Y очередной ее запуск позволен после тактов 1, 3 и 5, а параллельный запуск функции X допустим после 2 и 4 тактов.

Конвейер команд

Идея конвейера команд была предложена в 1956 году академиком С. А. Лебеде­вым. Как известно, цикл команды представляет собой последовательность этапов. Возложив реализацию каждого из них на самостоятельное устройство и последо­вательно соединив такие устройства, мы получим классическую схему конвейера команд. Для иллюстрации воспользуемся примером. Выде­лим в цикле команды шесть этапов:

1. Выборка команды (ВК). Чтение очередной команды из памяти и занесение ее в регистр команды.

2. Декодирование команды (ДК). Определение кода операции и способов адреса­ции операндов.

3. Вычисление адресов операндов (ВА). Вычисление исполнительных адресов каждого из операндов в соответствии с указанным в команде способом их адре­сации.

4. Выборка операндов (ВО). Извлечение операндов из памяти. Эта операция не нужна для операндов, находящихся в регистрах.

5. Исполнение команды (ИК). Исполнение указанной операции.

6. Запись результата (ЗР). Занесение результата в память.

Рис. 52. Логика работы конвейера команд

На рис. 52 показан конвейер с шестью ступенями, соответствующими шести этапам цикла команды. В диаграмме предполагается, что каждая команда обяза­тельно проходит все шесть ступеней, хотя этот случай не совсем типичен. Так, команда загрузки регистра не требует этапа ЗР. Кроме- того, здесь принято, что все |тапы могут выполняться одновременно. Без конвейеризации выполнение девяти Команд заняло бы 9 х 6 = 54 единицы времени. Использование конвейера позволяет сократить время обработки до 14 единиц. Конфликты в конвейере команд

Полученное в примере число 14 характеризует лишь потенциальную производи­тельность конвейера команд. На практике в силу возникающих в конвейере конф­ликтных ситуаций достичь такой производительности не удается. Конфликтные ситуации в конвейере принято обозначать термином риск (hazard), а обусловлены они могут быть тремя причинами:

• попыткой нескольких команд одновременно обратиться к одному и тому же ресурсу ВМ (структурный риск);

• взаимосвязью команд по данным (риск по данным);

• неоднозначностью при выборке следующей команды в случае команд перехода (риск по управлению).