Вопрос 24. Конвейеры команд.

Совершенствование элементной базы уже не приводит к кардинальному росту производительности ВМ. Более перспективными в этом плане представляются архитектурные приемы, среди которых один из наиболее значимых — конвейеризация.

Для пояснения идеи конвейера сначала обратимся к рис. 7.1, а, где показан отдельный функциональный блок (ФБ).

Рис. 7.1. Обработка информации: а— в одиночном блоке;б— в конвейере с регистрами; в— в конвейере с буферной памятью.

Исходные данные помещаются во входной регистр Ргвх, обрабатываются в функциональном блоке, а результат обработки фиксируется в выходном регистре Ргвых. Если максимальное время обработки в ФБ равно Тmax то новые данные могут быть занесены во входной регистр Pвх не ранее, чем спустя Тmax.

Теперь распределим функции, выполняемые в функциональном блоке (ФБ) (см рис. 7.1, а), между тремя последовательными независимыми блоками: ФБ1, ФБ2иФБ3, причем так, чтобы максимальное время обработки (Тmax) в каждом ФБi, было одинаковым и равнялось Тmax/3. Между блоками разместим буферные регистры Рг (рис. 7.1,б), предназначенные для хранения результата обработки в ФБi, на случай, если следующий за ним функциональный блок еще не готов использовать этот результат. В рассмотренной схеме данные на вход конвейера могут подаваться с интервалом Тmax/3 (втрое чаще), и хотя задержка от момента поступления первой единицы данных в Ргвх до момента появления результата ее обработки па выходе Ргвых по-прежнему составляет Тmax, последующие результаты появляются на выходе Ргвых уже с интервалом Тmax /3.

На практике редко удается добиться того, чтобы задержки в каждом ФБi были одинаковыми. Как следствие, производительность конвейера снижается, поскольку период поступления входных данных определяется максимальным временем их обработки в каждом функциональном блоке. Для устранения этого недостатка или, по крайней мере, частичной его компенсации каждый буферный регистр Ргi, следует заменить буферной памятью БПi, способной хранить множество данных и организованной по принципу FIFO— «первым вошел — первым вышел» (рис. 7.1, в). Обработав элемент данных, ФБi, заносит результат в БПi, извлекает из БПi-1 новый элемент данных и приступает к очередному циклу обработки, причем эта последовательность осуществляется каждым функциональным блоком независимо от других блоков. Обработка в каждом блоке может продолжаться до тех пор, пока не ликвидируется предыдущая очередь или пока не переполнится следующая очередь. Если емкость буферной памяти достаточно велика, различия во времени обработки не сказываются на производительности, тем не менее желательно, чтобы средняя длительность обработки во всех ФБ, была одинаковой.

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.

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).