Конвейеры

При отсутствии конвейера процессор выполняет программу, по очереди выбирая из памяти и активизируя ее команды.

Процесс обработки команды может быть разбит, например, на следующие шаги (стадии):

□ F — выборка (от англ. fetch) — чтение команды из памяти;

□D — декодирование (от англ. decode) — декодирование команды;

□ А — формирование адресов (от англ. address generate) и выборка операндов;

□ Е — выполнение (от англ. execute) — выполнение заданной в команде

операции;

□ W — запись (от англ. write) — сохранение результата по целевому адресу.

(Страница216)

Приведенное разбиение не является единственно возможным — в некоторых случаях рассматривают четырехстадийный командный цикл, иногда (например, для процессоров, реализующих команды над числами с плавающей запятой) — восьмистадийный и др.

Для реализации каждой из стадий командного цикла в процессоре предусмотрено соответствующее оборудование (регистры, дешифраторы, сумматоры, управляющие автоматы или их фрагменты), причем операционные элементы разных стадий обычно слабо пересекаются между собой. Поэтому когда очередная команда завершает действия на одной стадии, например F, и переходит на следующую — D, то оборудование стадии F "простаивает" и может быть использовано для чтения следующей команды. Таким образом, очередная команда может начинать выполнение, не дожидаясь окончания командного цикла предыдущей команды.

При рассмотрении пятистадийного командного цикла одновременно на разных стадиях может выполняться до пяти команд. Организация пятистадийного конвейера потребует дублирования некоторых операционных элементов на разных стадиях (например, регистра команд PC) и усложнение схемы управления, однако игра стоит свеч.

Очевидно, очередная команда может перейти с одной стадии командного цикла на другую при выполнении двух условий:

□ действия команды на текущей стадии завершены;

□ предыдущая команда освободила оборудование следующей стадии.

При условии, что каждая стадия выполняется в любой команде одинаковое количество тактов (например, один), конвейер работает идеально, и одновременно всегда выполняются пять команд (для пятистадийного конвейера).

Для большинства процессоров т. н. CISC(Complex Instruction Set Computer — компьютер с полным набором команд.) - архитектуры (к ним относятся, в частности, процессоры семейства х86) такая идеальная ситуация складывается далеко не всегда.

Действительно, команда, извлекаемая из памяти на стадии F, может иметь разную длину и, следовательно, извлекаться из памяти за разное число машинных циклов.

В зависимости от заданного в команде способа адресации операндов время выполнения стадии A может быть существенно различным (сравните непосредственную адресацию и косвенно-автоинкрементную). Расположение адресуемых операндов (и размещение результата) в памяти разного уровня так же существенно влияет на время реализации стадии A (и стадии W).

Наконец, на стадии E время выполнения операции зависит не только от типа операции (короткие — сложение, конъюнкция,..., длинные — умножение, деление), но даже иногда и от значений операндов.

Учитывая отмеченные выше обстоятельства, можно сказать, что конвейеры процессоров с классической CISC-архитектурой редко работают "на полную мощность", находясь значительную часть времени в ожидании завершения "длинных" операций.

Желание увеличить производительность конвейеров привело к появлению процессоров т. н. RISC'-архитектуры, из систем команд которых были исключены все факторы, тормозящие реализацию командного цикла — длинные команды, сложные способы адресации, размещение операндов в ОЗУ. К особенностям RISC-архитектуры можно отнести:

□ форматы всех команд имеют одинаковую длину, в крайнем случае, разнообразие длин форматов ограничивается двумя вариантами;

□ все операции выполняются за одинаковый промежуток времени (обычно 1 или 2 такта);

□ операнды всех арифметических и логических операций располагаются только в регистрах, к оперативной памяти обращаются только команды загрузки и сохранения;

□ сверхоперативная память представлена большим числом регистров (32 — 256).

Реализация этих особенностей, с одной стороны, позволяет приблизить работу конвейера к идеальной, с другой стороны — существенно ограничивает возможности системы команд процессора. Действительно, из системы операций исключаются "длинные" операции — умножение, деление, операции над числами с плавающей запятой и др. Исключаются сложные (и эффективные) способы адресации, например, автоиндексные. Это приводит к значительному увеличению длины программ, увеличению времени на выборку команд из памяти, при этом среднее число команд, выполняемых в единицу времени, в RISC-процессорах значительно больше, чем в CISC-процессорах.

По мере совершенствования интегральной технологии появилась возможность ценой значительных аппаратных затрат (теперь разработчики уже могли их себе позволить) резко сократить время выполнения "длинных" операций, например, за счет реализации матричного умножителя, табличной арифметики и др. В этом случае длинные операции можно включать в систему команд RISC-процессоров, не нарушая принципов их организации, но увеличивая эффективность системы команд.

В настоящее время понятия "RISC-" и "CISC-архитектура" скорее являются обозначением некоторых принципов проектирования, но не характеристика ми конкретных процессоров. Современные процессоры, как правило, реализованы по "гибридному" принципу: содержат ядро RISC, которое выполняет простые и самые распространенные команды за один такт на стадию конвейера, а сложные команды интерпретируются как некая последовательность простых (на уровне микрокоманд). Пользователь же в этом случае имеет дело с системой команд привычной CISC-архитектуры, а внутренние вопросы реализации командного цикла его, как правило, не интересуют.

При реализации конвейеров возникает еще одна проблема, связанная с его оптимальной загрузкой — команды условной передачи управления (в среднем каждая 5 — 6-я команда программы). Действительно, когда такая команда передается со стадии F на стадию D, на стадию F надо ставить следующую команду, но какую? Условие перехода будет проверено лишь на стадии E, тогда же определится адрес следующей команды. Здесь возможны два пути решения:

□ приостановить загрузку конвейера до завершения командой перехода стадии E;

□ загрузить конвейер "наугад" командой по одному из двух возможных адресов, а на стадии E проверить правильность выбора и, если он оказался неверным — очистить весь конвейер и начать загрузку заново по правильному адресу.

Второй путь представляется предпочтительным, т. к. конвейер не останавливается, и (в среднем) в половине случаев мы избежим потери времени на перезагрузку. Результаты работы конвейера будут еще лучше, если мы научимся правильно предсказывать адрес перехода, чтобы вероятность угадывания адреса приближалась к 1,

В современных процессорах часто предусматривают специальные аппаратные блоки предсказания переходов. В разных процессорах реализуются различные алгоритмы предсказания, основанные на анализе результатов выполнения предыдущих команд переходов [12].

Дата добавления: 2015-04-25