Виды конвейеров операций

Конфликты в конвейере команд

Реальная производительность конвейеров команды сильно отличается от потенциальной, и обусловлено это возникающими в конвейере конфликтными ситуациями (риски – hazard). Риски обусловлены тремя причинами:

1. Структурный риск (конфликт по ресурсам) имеет место, когда несколько команд, находящихся на различных ступенях конвейера пытаются использовать один и тот же ресурс (чаще всего это память, в одну и ту же ячейку памяти). Подобно конфликтов можно частично избежать за счёт: модульного построения памяти; использование кэш-памяти. Конфликты могут и не возникать, поскольку для многих команд ступени выборки операнда и записи результата не требуются. В целом, влияние структурного риска на производительность конвейера относительно невелико.

2. Риск по данным (взаимосвязь команд по данным) – типичная, часто встречающаяся ситуация. Например, две команды i и j в конвейере предусматривают обращение к одной переменной x, причем i предшествует j. 3 вида ситуации:

a. Чтение после записи. Команда j читает х до того, как i успевает записать новое значение х. Это чаще.

b. Запись после чтения. Команда j записывает новое значение х до того, как команда i успела прочитать х.

c. Записи после записи. Команда j записывает новое значение х, прежде чем i успело записать своё х.

Ком i Ком j

зап

чт

А)

Ком i Ком j

чт

зап

В)

Ком i Ком j

зап

зап

С)

Борьба: своевременно обнаружение потенциального конфликта и устранение конфликта. Для этого задействованы как программные, так и аппаратные средства. Программные ориентированы на устранение самой возможности конфликта на стадии компиляции программ (вставляет между командами пустые операции). Аппаратные – остановка команды j на несколько тактов, чтобы команда i успела завершиться, ну или миновать ступень конвейера, где возможен конфликт.

3. Риск по управлению (неоднозначность при выборке следующей команды в случае команд перехода). Например, команды: Условный и безусловный переход, вызов процедуры и возврат из процедуры. Доля подобных команд в программе примерно 10-20%. Команды перехода могут приводить к приостановке конвейера на несколько тактов. Это приводит к тому, что производительность процессора (и конвейера) снижается. Решение: Например, приостановка, связанная с командами перехода может быть частично сокращена за счёт использования: буферов предвыборки; множественных потоков; задержанного перехода; предсказания переходов.

20032012 Лекция 7

Синхронный конвейер работает в принудительном режиме и для выполнения любого этапа выделено одинаковое время. Длительность такта выбирается по максимальному времени при выполнении все возможных команд.

В асинхронном конвейере отсутствует единый такт работы. Следующий этап начинает работать, когда предыдущий закончит. Эффективное использование асинхронного конвейера будет в том случае, когда велика зависимость продолжительности выполнения отдельных этапов от типов и форматов команд.

Кроме конвейера операций, существует ещё арифметический конвейер, который тоже может быть синхронным и асинхронным, универсальным и специализированным. Суть его такая же, то есть выполнение функции разбирается на выполнение последовательности подфункций. Примером может служить сложение чисел (ТА) с фиксированной и плавающей запятыми. Тут же возможен простой конвейера при отсутствии некоторых операций.

В современных процессорах применяется как конвейер операций, так и арифметический конвейер. Кроме увеличения производительности, разбиение на блоки упрощает разработку и анализ.

27032012 Лекция 8

Дата добавления: 2014-01-06