95

На цьому прикладі основна програма починається з комірки за адресою 010. Ця про­грама включає звернення до підпрограми SUB1, яка починається з комірки за адресою 500. Коли виконується ця команда виклику, процесор призупиняє виконання основної програми і починає виконання підпрограми SUB1 шляхом вибору наступної команди з комірки 500. Всередині підпрограми SUB1 є два звернення до підпрограми SUB2, яка починається з комірки за адресою 800. В обох цих випадках призупиняється виконання підпрограми SUB1 і виконується підпрограма SUB2. Команда Return вказує процесору повернутись назад до програми SUB1 та продовжити виконання команди, яка іде за від­повідною командою виклику Call. Ці звернення між основною програмою та підпрогра­мами показані на рис. 3.10.

В табл. 3.4 як приклад наведені команди передачі керування комп'ютера з спроще­ною системою команд DLX.

---

96

3	J,JR	Jumps; 26-розрядне зміщення до PC + 4 (J) або цільового регістра (JR)
4	JAL JALR	Jump and link; збереження РС+8 до R31, ціллю є 26-розрядне зміщення до PC + 4 (JAL) чи регістр (JALR)

3.2.5. Команди введєння-виведення

Команди введєння-виведення значно змінюються від одного комп'ютера до іншо­го. Базовими типами команд введєння-виведення є програмоване введєння-виведення, введєння-виведення за перериваннями та прямий доступ до пам'яті. При розгляді цих способів введєння-виведення будуть розглянуті і відповідні команди.

3.2.6. Принципи формування системи команд комп'ютера

При розробці комп'ютера необхідно враховувати багато особливостей вибору сис­теми команд. З одного боку система команд повинна бути функціонально повною, тоб­то комп'ютер повинен забезпечувати виконання всіх заданих функцій. З іншого боку система команд має бути ортогональною, тобто не повинна бути надлишковою. Для нового комп'ютера, який є розширенням відповідної серії, першочерговою є сумісність програми, які виконуються на одному комп'ютері, повинні виконуватись і на іншому комп'ютері. Для збільшення терміну використання важливим є розширення адресного діапазону та однорідності адресного простору. І, нарешті, важливим є розмір та органі­зація самого формату команди. Розглянемо ці особливості детальніше

Є багато рівнів повноти системи команд. На найнижчому рівні всі комп'ютерні опе­рації можуть бути виконані на базі операції інверсії логічного множення (NAND). Від­повідно команда умовного переходу, яка також зберігає вміст програмного лічильника, забезпечує виконання всіх пересилок в комп'ютері. Тому можна створити повну систему команд на базі цих операцій. Теоретично система команд комп'ютера може включати лише одну команду. Відомий комп'ютер з назвою Single Instruction Computer (SIC), який є прикладом комп'ютера з нижньою межею кількості команд Єдиною командою SIC є команда "відняти та перейти за умови, що отримано негативний результат" (Subtract and Branch if Negative). Зрозуміло, що коли "запрограмувати" цією командою усі інші коман­ди деякої реальної машини, то шляхом повного перебирання можна довести повноту системи команд, яку складено лише з однієї команди sbn. Недоліки SIC є зрозумілими, принаймні, на прикладі програмування однією командою операції множення (ділення тощо). Тобто програми на базі простих операцій є дуже складними.

Існує фундаментальний зв'язок між простотою процесора і складністю програми. Оскільки, як було показано вище, виконувати обробку даних з застосуванням однієї ко­манди недоцільно, в реальних комп'ютерах застосовується система команд, до складу якої входить широкий спектр команд обробки даних, переміщення даних, передачі ке­рування та введєння-виведення

В ранніх комп'ютерах розробники старалися включити в систему команд максималь­ну 'їх кількість з тим, щоб забезпечити програмістам гнучкість та можливість вибору найдоцільнішої для конкретного випадку команди. Але з ростом досвіду та з проведених досліджень стало зрозумілим, що далеко не всі можливі команди доцільно включати в систему команд комп'ютера. Адже, з одного боку, це ускладнює формат команди, а в результаті і сам комп'ютер, а з іншого боку, багато команд дуже рідко використовуються

---

97

на практиці. Тому кращим є варіант реалізації таких команд на основі інших. Для при­кладу на рис. 3.11 подано середню частоту використання команд передачі керування в різних задачах при обробці даних з фіксованою (темніший колір лінії) та з рухомою ко­мою (світліший колір лінії).

Як видно з рисунка, найчастіше використовуються команди умовного переходу, тоді як команди звертання до підпрограм і особливо команди безумовного переходу вико­ристовуються досить рідко. Зрозуміло, що при потребі скорочення кількості команд до­цільно залишити саме команди умовного переходу. Більше того, зважаючи на частоту використання при реалізації, доцільно шукати шляхи прискорення виконання саме цих команд. Проаналізуємо далі самі команди умовного переходу, оскільки їх є декілька ти­пів, і кожен тип також має свою частоту використання (рис. 3.12).

Як видно з рисунка, деякі типи команд умовного переходу в вибраних тестових про­грамах не використовуються взагалі (команда „більше ніж" для чисел з фіксованою та рухомою комою, команда „більше ніж або рівне" для чисел з рухомою комою), або ви-

---

98

користовуються досить рідко. Оскільки ці команди взаємозамінні, немає сенсу реаліза­ції їх всіх і доцільно обмежитись найуживанішими. Подібний аналіз проводиться і для інших типів команд з метою оптимізації системи команд комп'ютера.

Ортогональність характеризує незалежність команд. Набір команд є ортогональним, якщо існує тільки один простий шлях виконання набору операцій. Наприклад, для ви­конання арифметичних операцій можуть бути використані базові булеві операції, але час їх виконання в цьому випадку буде дуже великим. Це означає, що існування арифме­тичних операцій поряд з булевими не порушує ортогональності.

Існують спеціальні оптимізуючі компілятори, які слідкують за повнотою системи ко­манд та їх ортогональністю.

Сумісність як і повнота та ортогональність має багато рівнів. Це може бути суміс­ність по вихідному коду, або по одному з об'єктних кодів. Близьким до сумісності є по­няття взаємозамінності, тобто можливості виконання тієї ж програми на різних апарат­них засобах.

3.2.7. Конвеєрне виконання команд

Конвеєрне виконання команд подібне до роботи конвеєра складальної лінії на за­воді, наприклад автомобільному. На складальній лінії вироби проходять через однако­ві виробничі стадії. Одночасно на лінії знаходиться кількість виробів, рівна кількості виробничих стадій. Проходячи через всі виробничі стадії, виріб приймає кінцеві пара­метри. Час виготовлення одного виробу є рівним часу його проходження через всі ви­робничі стадії, але при виготовленні багатьох виробів, скажемо п, час, який припадає на виготовлення всіх виробів, є рівним:

T = tm + t(n- l) = t(m + n- 1),

де m - кількість виробничих стадій, t - час виконання однієї виробничої стадії, а час, який припадає на виготовлення одного виробу, є рівним:

Тв = t(m + п - 1)/п.

При n >> m час Тв, який припадає на виготовлення одного виробу, наближається до часу t виконання однієї виробничої стадії.

Подібно до виготовлення виробу, команда також має кілька послідовних стадій ви­конання, як це показано на рис. 3.2. Тому логічним виглядає використання і тут прин­ципу конвеєра.

Для початку розглянемо поділ процесу виконання команди на дві стадії: вибірку та виконання. В процесі стадії виконання команди є проміжки часу, коли немає звернень до пам'яті. Цей час може бути використаним для вибірки наступної команди паралельно з виконанням поточної команди. На рис. 3.13 показано цей підхід.

---

99

Конвеєр має два незалежних яруси. Перший ярус виконує операцію вибірки та буфе-ризації (короткотермінового запам'ятовування) команди. Коли другий ярус звільняєть­ся від роботи, перший ярус передає йому буферизовану команду. Коли в другому ярусі виконується команда, в першому ярусі вибирається наступна команда. Така операція називається попередньою вибіркою команди (instruction prefetch) або суміщенням ви­бірки (fetch overlap).

Зрозуміло, що описаний процес прискорює виконання команди. Якби операції ви­бірки та виконання мали однаковий час виконання, то цикл виконання команди міг би бути зменшеним вдвоє. Однак це не зовсім так через наступні причини:

1. Стадія виконання значно довша стадії вибірки, оскільки вона вимагає виконання операцій зчитування та запису операндів та самої операції. Тому перший ярус повинен чекати деякий час, поки звільниться його буфер.

2. При появі команди умовного переходу адреса наступної команди до завершення поточної команди невідома. Тому перший ярус змушений чекати до завершення роботи другого ярусу. Після цього вже другий ярус повинен чекати на завершення роботи пер­шим ярусом.

Час, який втрачається через другу причину, може бути зменшений шляхом викорис­тання механізму передбачення. Тут може бути використане наступне правило: коли ко­манда умовного переходу поступає з ярусу вибірки на ярус виконання, в ярусі вибірки проводиться вибірка із пам'яті наступної команди після команди умовного переходу. Тоді в випадку відсутності умовного переходу втрат часу не буде. Коли ж буде умовний перехід, то вибрана команда повинна бути знехтувана і вибрана нова команда.

Хоча розглянуті дві причини знижують потенційну ефективність двоярусного кон­веєра, в цілому виграш незаперечний. Для подальшого підвищення продуктивності по­трібно збільшувати кількість ярусів конвеєра. Розглянемо поділ виконання команди на наступні стадії:

• Вибірка команди (ВК): зчитування в буфер очікуваної наступною команди.

• Дешифрування команди (ДК): визначення типу вибраної команди та специфіка­торів операндів.

• Визначення адрес даних (ВА): обчислення адрес даних, необхідних для виконан­ня команди з врахуванням можливості використання різних способів адресації.

• Вибірка операндів (ВО): зчитування даних із пам'яті в регістри процесора.

• Виконання команди (KB): виконання вказаної операції та, при наявності, запам'я­товування результату в визначеному регістрі.

• Запис результату (ЗР): запам'ятовування результату в пам'яті.

При такому поділі час тривалості різних стадій виконання команди буде приблизно рівним. Тоді, як видно з табл. 3.5, шестиярусний конвеєр може зменшити час виконання 9 команд з 54 тактів до 14 тактів.

Таблиця 3.5

Номер такту

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Команда 1

ВК

ДК

ВА

ВО

KB

ЗР

Команда 2

ВК

ДК

ВА

ВО

KB

ЗР

Команда 3

ВК

дк

ВА

ВО

KB

ЗР

---

Смотрите также файлы

• Екологія посібник.doc

• LR3_[5405].doc

• Питання до модуля 1 з АК.doc

• Питання до 1 модуля з КЕ.doc

• ДБН В.3.2-2-2009_Жил_здания_реконст_кап_ремонт.doc