Разработка микроархитектурного уровня

Скорость и стоимость

С развитием технологий скорость работы компьютеров стремительно растет. Существует три основных подхода, которые позволяют увеличить скорость выполнения операций:

1. Сокращение количеств циклов, необходимых для выполнения команды.

2. Упрощение организации машины таким образом, чтобы можно было сделать цикл короче.

3. Выполнение нескольких операций одновременно.

Число циклов, необходимых для выполнения набора операций, называется длиной пути. Иногда длину пути можно уменьшить с помощью дополнительного аппаратного обеспечения.

Для сокращения числа циклов, необходимых для вызова команды, требуется нечто большее, чем простое добавление схемы, которая увеличивает PC на 1. Чтобы повысить скорость вызова команды, нужно применить третью технологию параллельное выполнение команд. Весьма эффективно отделение схем для вызова команд (8-битного порта памяти и регистров PC и MBR), если этот блок сделать функционально независимым от основного тракта данных. Таким образом, он может сам вызывать следующий код операции или операнд.

Одновременное выполнение нескольких операций — самый продуктивный подход. Он дает возможность очень сильно повысить скорость работы компьютера. Даже простое перекрытие вызова и выполнения команды чрезвычайно эффективно. При более сложных технологиях допустимо одновременное выполнение нескольких команд.

Сокращение длины пути

Микроархитектура Mic-1 имеет относительно простую структуру и работает довольно быстро, хотя эти две характеристики очень трудно совместить. В общем случае простые машины не являются высокоскоростными, а высокоскоростные машины довольно сложны.

Слияние цикла интерпретатора с микропрограммой

В микроархитектуре Mic-1 основной цикл состоит из микрокоманды, которая должна выполняться в начале каждой команды IJVM. В некоторых случаях возможно ее перекрытие предыдущей командой.

Эту идею можно развивать и дальше. В некоторых случаях основной цикл можно свести к нулю. Это происходит следующим образом. Рассмотрим каждую последовательность микрокоманд, которая завершается переходом к Mainl (главный метод программы). Каждый раз основной цикл может добавляться в конце этой последовательности (а не в начале следующей), при этом межуровневый переход дублируется много раз (но всегда с одним и тем же набором целевых объектов). В некоторых случаях микрокоманда Mic-1 может сливаться с предыдущими микрокомандами, поскольку эти команды не всегда полностью используются.

Трехшинная архитектура

Что еще можно сделать, чтобы сократить длину пути? Можно подвести к АЛУ две полные входные шины, А и В, и следовательно, всего получится три шины. Все (или, по крайней мере, большинство регистров) должны иметь доступ к обеим входным шинам. Преимущество такой системы состоит в том, что есть возможность складывать любой регистр с любым другим регистром за один цикл.

Блок выборки команд

Рассмотрим обычные составные части любой команды: поле вызова и поле декодирования. Отметим, что в каждой команде могут происходить следующие операции:

1. Значение PC пропускается через АЛУ и увеличивается на 1.

2. PC используется для вызова следующего байта в потоке команд.

3. Операнды считываются из памяти.

4. Операнды записываются в память.

5. АЛУ выполняет вычисление, и результаты сохраняются в памяти.

Если команда содержит дополнительные поля (для операндов), каждое поле должно вызываться эксплицитно по одному байту. Поле можно использовать только после того, как эти байты будут объединены. При вызове и компоновке поля АЛУ должно для каждого байта увеличивать PC на единицу, а затем объединять получившийся индекс или смещение. Когда помимо выполнения основной работы команды приходится вызывать и объединять поля этой команды, АЛУ используется практически в каждом цикле. Чтобы объединить основной цикл с какой-нибудь микрокомандой, нужно освободить АЛУ от некоторых таких задач.

В микроархитектуре Mic-1 с АЛУ можно снять большую часть нагрузки, если создать независимый блок для вызова и обработки команд. Этот блок, который называется блоком выборки команд, может независимо от АЛУ увеличивать значение PC на 1 и вызывать байты из потока байтов до того, как они понадобятся.Этот блок содержит инкрементор, который по строению гораздо проще, чем полный сумматор. Разовьем эту идею. Блок выборки команд может также объединять 8-битные и 16-битные операнды, чтобы они могли использоваться сразу, как только они стали нужны. Это можно осуществить, по крайней мере, двумя способами:

1. Блок выборки команд может интерпретировать каждый код операции, определять, сколько дополнительных полей нужно вызвать, и собирать их в регистр, который будет использоваться основным операционным блоком.

2. Блок выборки команд может постоянно предоставлять следующие 8- или 16-битные куски информации независимо от того, имеет это смысл или нет. Тогда основной операционный блок может запрашивать любые данные, которые ему требуются.

Рис. 4.18. Блок выборки команд для микроархитектуры Mic-1

Блок выборки команд может быть смоделирован в виде автомата с конечным числом состояний (или конечного автомата), как показано на рис. 4.19. Во всех конечных автоматах есть состояния (на рисунке это кружочки) и переходы (это дуги от одного состояния к другому). Каждое состояние — это одна из возможных ситуаций, в которой может находиться конечный автомат. Данный конечный автомат имеет семь состояний, которые соответствуют семи состояниям сдвигового регистра, показанного на рис. 4.18. Семь состояний соответствуют количеству байтов, которые находятся в данный момент в регистре (от 0 до 6 включительно).

Каждая дуга репрезентирует событие, которое может произойти. В нашем конечном автомате возможны три различных события. Первое событие — чтение одного байта из регистра MBR1. Оно активизирует сдвиговый регистр, самый правый байт в нем убирается, и осуществляется переход в другое состояние (меньшее на 1). Второе событие — чтение двух байтов из регистра MBR2. При этом осуществляется переход в состояние, меньшее на 2 (например, из состояния 2 в состояние 0 или из состояния 5 в состояние 3). Оба эти перехода вызывают перезагрузку регистров MBR1 и MBR2. Когда конечный автомат переходит в состояния 0,1 или 2, начинается процесс обращения к памяти, чтобы вызвать новое слово.

Рис. 4.19. Автомат с конечным числом состояний для реализации блока выборки команд

Микроархитектура с упреждающей выборкой команд из памяти: Mic-2

Блок выборки команд может сильно сократить длину пути средней команды. Во-первых, он полностью устраняет основной цикл, поскольку в конце каждой команды просто стразу осуществляется переход к следующей команде. Во-вторых, АЛУ не нужно увеличивать значение PC. В-третьих, блок выборки команд сокращает длину пути всякий раз, когда вычисляется 16-битный индекс или смещение, поскольку он объединяет 16-битное значение и сразу передает его в АЛУ в виде 32-битного значения, избегая необходимости производить объединение в регистре Н. На рис. 4.20 показана микроархитектура Mic-2, которая представляет собой усовершенствованную версию Mic-1, к которой добавлен блок выборки команд, изображенный на рис. 4.18.

Чтобы продемонстрировать, как работает Mic-2, рассмотрим команду IADD. Она берет второе слово из стека и выполняет сложение, как и раньше, но только сейчас ей не нужно осуществлять переход к Mainl после завершения операции, чтобы увеличить значение PC и перейти к следующей микрокоманде. Когда блок выборки команд распознает, что в цикле iadd3 произошло обращение к регистру MBR1, его внутренний сдвиговый регистр сдвигает все вправо и перезагружает MBR1 и MBR2. Он также осуществляет переход в состояние, которое на 1 ниже текущего. Если новое состояние — это состояние 2, блок выборки команд начинает вызов слова из памяти. Все это происходит в аппаратном обеспечении. Микропрограмма ничего не должна делать. Именно поэтому команду IAD D можно сократить с пяти до трех микрокоманд.

Для общей производительности компьютера играет роль сокращение наиболее часто повторяющихся команд. Обычно это команды LOAD (загрузить из памяти), ADD (сложить), а также некоторые другие. Чтобы вычислить, насколько улучшилась производительность, можно проверить эффективность системы по эталонному тесту, но и без этого ясно, что здесь наблюдается огромный выигрыш в скорости.

Рис. 4.20. Тракт данных для Mic-2

Конвейерная архитектура: Mic-3

Еще один вариант усовершенствования — ввести в машину больше параллелизма. В данный момент микроархитектура Mic-2 выполняет большинство операций последовательно. Она помещает значения регистров на шины, ждет, пока АЛУ и схема сдвига обработают их, а затем записывает результаты обратно в регистры. Если не учитывать работу блока выборки команд, никакого параллелизма здесь нет. Внедрение дополнительных средств параллельной обработки дает нам боль- шие возможности.

Как мы уже говорили, длительность цикла определяется временем, необходимым для прохождения сигнала через тракт данных. На рис. 4.2 показано распределение этой задержки между различными компонентами во время каждого цикла.

В цикле тракта данных есть три основных компонента:

1. Время, которое требуется на передачу значений выбранных регистров в шины А и В.

2. Время, которое требуется на работу АЛУ и схемы сдвига.

3. Время, которое требуется на передачу полученных значений обратно в регистры и сохранение этих значений.

На рис. 4.21 показана новая трехшинная архитектура с блоком выборки команд и тремя дополнительными защелками (регистрами), каждая из которых расположена в середине каждой шины. Эти регистры записываются в каждом цикле. Они делят тракт данных на отдельные части, которые теперь могут функционировать независимо друг от друга. Мы будем называть такую архитектуру конвейерной моделью или Mic-3.

Рис. 4.21. Тракт данных с тремя шинами в микроархитектуре Mic-3

Существует целых две причины введения дополнительных регистров:

1. Мы можем повысить тактовую частоту, поскольку максимальная задержка теперь стала короче.

2. Во время каждого цикла мы можем использовать все части тракта данных.

После разбиения тракта данных на три части максимальная задержка прохождения сигнала уменьшается, и в результате тактовая частота может повыситься. Предположим, что если разбить цикл тракта данных на три примерно равных интервала, тактовая частота увеличится приблизительно втрое.

Второй пункт связан с общей производительностью, а не со скоростью выполнения отдельной команды. В микроархитектуре Mic-2 во время первой и третьей части каждого цикла АЛУ простаивает. Если разделить тракт данных на три части, то появляется возможность использовать АЛУ в каждом цикле, вследствие чего производительность машины увеличивается в три раза.

Конвейер с 7 стадиями: Mic-4

Следующая (и последняя) микроархитектура — Mic-4. Ее основные части проиллюстрированы на рис. 4.23, но значительное количество деталей не показано, чтобы сделать схему более понятной. Как и Mic-З, эта микроархитектура содержит блок выборки команд, который заранее вызывает слова из памяти и сохраняет различные значения MBR.

Блок выборки команд передает входящий поток байтов в новый компонент — блок декодирования. Блок декодирования передает индекс в ПЗУ микроопераций, который он находит в своей таблице, следующему компоненту, блоку формирования очереди. Этот блок содержит логические схемы и две внутренние таблицы: одна — для ПЗУ и одна — для ОЗУ. В ПЗУ находится микропрограмма, причем каждая команда IJVM содержит набор последовательных элементов, которые называются микрооперациями.

Рис. 4.23. Основные компоненты микроархитектуры Mic-4

Структура микрооперации сходна со структурой микрокоманды (см. рис. 4.4), только в данном случае поля NEXT_ADDRESS и JAM отсутствуют и требуется новое поле для определения входа на шину А. Имеется также два новых бита: бит завершения (Final bit) и бит перехода (Goto bit). Бит завершения устанавливается на последней микрооперации каждой последовательности (чтобы обозначить эту операцию). Бит перехода нужен для указания на микрооперации, которые являются условными микропереходами.

Блок формирования очереди работает следующим образом. Он получает от блока декодирования индекс микрооперации ПЗУ. Затем он отыскивает микрооперацию и копирует ее во внутреннюю очередь. Затем он копирует следующую микрооперацию в ту же очередь, а также следующую за этой микрооперацией. Так продолжается до тех пор, пока не появится микрооперация с битом завершения. Тогда блок копирует эту последнюю микрооперацию и останавливается. Если блоку не встретилась микрооперация с битом перехода и у него осталось достаточно свободного пространства, он посылает сигнал подтверждения приема блоку декодирования. Когда блок декодирования воспринимает сигнал подтверждения, он посылает блоку формирования очереди следующую команду IJVM.

Таким образом, последовательность команд IJVM в памяти в конечном итоге превращается в последовательность микроопераций в очереди. Эти микрооперации передаются в регистры MIR, которые посылают сигналы тракту данных.

Микроархитектура Mic-4 является конвейеризированной структурой с семью стадиями и более сложным аппаратным обеспечением. Данный конвейер изображен на рис. 4.24. Цифры в кружочках соответствуют компонентам рис. 4.23.

Рис. 4.24. Конвейер Mic-4

Дата добавления: 2014-01-20