Совмещение выполнения операций во времени

Определение. Совмещением операций в ЭВМ называется одновременное выполнение нескольких операций одной или разных программ. Совмещение операций - один из основных способов повышения производительности и эффективности использования ЭВМ, т.к. оно увеличивает эффективное быстродействие и сокращает простои машин.

Совмещение операций осуществляется следующими методами. На уровне процессора - совмещением обработки данных (например, сложения, вычитания или умножения чисел) с обработкой команд программ (например, с выборкой команд, расшифровкой кода операции, модификацией адресов); совмещением выполнения нескольких (до 4—8) соседних команд одной программы; совмещением операций по обработке данных в независимых блоках. На уровне памяти - одновременным обращением к нескольким однотипным блокам памяти, что обеспечивается разделением оперативной памяти на независимые блоки с собственной адресацией и введением нескольких каналов внешней памяти; независимым обменом данными между носителями информации. На уровне устройств ввода-вывода информации - организацией мультиплексного режима работы или одновременного обслуживания нескольких устройств ввода-вывода за счёт быстрого обмена данными с процессором и медленной подготовки к обмену.

Для повышения производительности процессоров используются различные структурные методы, наиболее распространенными из которых является параллельная работа отдельных узлов и организация конвейера выполнения команд.

Под параллельной работой понимается выполнение в одном рабочем такте процессора нескольких операций, например, работа АЛУ и выборка операнда из оперативной памяти, выполнение операции ввода или вывода, вычисление адреса команды или операнда и другие. Как правило, для этого требуется некоторое дополнительное оборудование.

Конвейерное выполнение команд, также называемое совмещением выполнения операций, является частным случаем параллельной работы узлов процессора. Оно основано на том, что, в большинстве случаев, выполняемые процессором команды находятся в последовательных ячейках памяти. Выполнение процессором простой команды можно разбить на четыре этапа:

1. Выборка команды из памяти (IF).

2. Декодирование команды (ID).

3. Выполнение операции (EX).

4. Сохранение результата (WB).

Так как эти четыре этапа выполнения команды поддерживаются различными узлами процессора, то возможно совмещение выполнения последовательности четырех команд. При этом в одном такте процессора записывается результат первой команды последовательности, выполняется операция, заданная второй командой, декодируется третья и выбирается из памяти четвертая (таблица 1).

	Такт 1	Такт 2	Такт 3	Такт 4	Такт 5	Такт 6	Такт 7
Команда 1	IF	ID	EX	WB
Команда 2		IF	ID	EX	WB
Команда 3			IF	ID	EX	WB
Команда 4				IF	ID	EX	WB

Таким образом, при выполнении последовательности коротких команд производительность процессора увеличивается в четыре раза. На самом деле получить такую степень повышения производительности процессора не удается из-за того, что в программах существуют команды условных и безусловных переходов, вызовов процедур, а в конвейере возможны конфликтные ситуации, изменяющие гладкую последовательность выполнения команд. С увеличением уровней совмещения операций количество факторов, нарушающих работу конвейера команд, увеличивается и существенным образом усложняется схема управления процессором. Но организация конвейера выполнения команд, тем не менее, является наиболее эффективным структурным методом повышения производительности и применяется практически во всех современных процессорах.

Дата добавления: 2014-01-06