Конвейеры операций

2 Конвейеры операций

2.1 Конвейеры

Уже много лет известно, что главным препятствием высокой скорости выполнения команд является необходимость их вызова из памяти. Для разрешения этой проблемы можно вызывать команды из памяти заранее и хранить в специальном наборе регистров. Эта идея использовалась еще в 1959 году при разработке компьютера Stretch компании IBM, а набор регистров был назван буфером выборки с упреждением. Таким образом, когда требовалась определенная команда, она вызывалась прямо из буфера, а обращения к памяти не происходило.

В действительности при выборке с упреждением команда обрабатывается за два шага: сначала происходит вызов команды, а затем - ее выполнение. Еще больше продвинула эту стратегию идея конвейера. При использовании конвейера команда обрабатывается уже не за два, а за большее количество шагов, каждый из которых реализуется определенным аппаратным компонентом, причем все эти компоненты могут работать параллельно.

На рисунке 2.1 а) изображен конвейер из пяти блоков, которые называются ступенями. Первая ступень (блок С1) вызывает команду из памяти и помещает ее в буфер, где она хранится до тех пор, пока не потребуется. Вторая ступень (блок С2) декодирует эту команду, определяя ее тип и тип ее операндов. Третья ступень (блок СЗ) определяет местонахождение операндов и вызывает их из регистров или из памяти. Четвертая ступень (блок С4) выполняет команду, и, наконец, блок С5 записывает результат обратно в нужный регистр.

Чтобы лучше понять принципы работы конвейера, рассмотрим аналогичный пример. Представим себе кондитерскую фабрику, на которой выпечка тортов и их упаковка для отправки производятся раздельно. Предположим, что в отделе отправки находится длинный конвейер, вдоль которого располагаются 5 рабочих (или ступеней обработки). Каждые 10 секунд (это время цикла) первый рабочий ставит пустую коробку для торта на ленту конвейера. Эта коробка отправляется ко второму рабочему, который кладет в нее торт. После этого коробка с тортом доставляется третьему рабочему, который закрывает и запечатывает ее. Затем она поступает к четвертому рабочему, который ставит на ней штамп. Наконец, пятый рабочий снимает коробку с конвейерной ленты и помещает ее в большой контейнер для отправки в супермаркет. Примерно таким же образом действует компьютерный конвейер: каждая команда (в случае с кондитерской фабрикой - торт) перед окончательным выполнением проходит несколько ступеней обработки.

Возвратимся к нашему конвейеру на рисунке 2.1. Предположим, что время цикла у этой машины - 2 нс. Тогда для того, чтобы одна команда прошла через весь конвейер, требуется 10 нс. На первый взгляд может показаться, что такой компьютер будет выполнять 100 млн команд в секунду, в действительности же скорость его работы гораздо выше. В течение каждого цикла (2 нс) завершается выполнение одной новой команды, поэтому машина выполняет не 100, а 500 млн команд в секунду! [2]

2.2 Оценка производительности идеального конвейера

Пусть задана операция, выполнение которой разбито на n последо­вательных этапов. Пусть ti — время выполнения i-го этапа. При последо­вательном их выполнении операция выполняется за время

а быстродействие ЭВМ или одного процессора ВС, выполняющего только эту операцию, составит

Выберем время такта — величину tT = max{ti} и потребуем при раз­биении на этапы, чтобы для любого i = 1,..., n выполнялось условие ti + t(i+1) mod n= tT . То есть чтобы никакие два последовательных этапа (включая конец и новое начало операции) не могли быть выполнены за время одного такта.

Максимальное быстродействие процессора при полной загрузке конвейера составляет

Число n — количество уровней конвейера, или глубина перекрытия, так как каждый такт на конвейере параллельно выполняются n операций. Чем больше число уровней (станций), тем больший выигрыш в быстродействии может быть получен.

Известна оценка

то есть выигрыш в быстродействии получается от  до n раз.

Реальный выигрыш в быстродействии оказывается всегда меньше, чем указанный выше, поскольку:

1) некоторые операции, например, над целыми, могут выполняться за меньшее количество этапов, чем другие арифметические операции. Тогда отдельные станции конвейера будут простаивать.

2) при выполнении некоторых операций на определённых этапах могут требоваться результаты более поздних, ещё не выполненных эта­пов предыдущих операций. Приходится приостанавливать конвейер.

3) поток команд порождает недостаточное количество операций для полной загрузки конвейера [3].

Рассмотрим принципы конвейерной обработки информации на примере пятиступенчатого конвейера, в котором выполнение команды складывается из следующих этапов:

IF (Instruction Fetch) - считывание команды в процессор;

ID (Instruction Decoding) - декодирование команды;

OR (Operand Reading) - считывание операндов;

EX (Executing) - выполнение команды;

WB (Write Back) - запись результата.

Выполнение команд в таком конвейере представлено в таблице 2.1.

Так как в каждом такте могут выполняться различные стадии обработки команд, то длительность такта выбирается исходя из максимального времени выполнения всех стадий. Кроме того, следует учитывать, что для передачи команды с одной стадии на другую требуется определенное дополнительное время (Дt), связанное с записью промежуточных результатов обработки в буферные регистры.

Пусть для выполнения отдельных стадий обработки требуются следующие затраты времени (в некоторых условных единицах):

TIF = 20, TID = 15, TOR = 20, TEX = 25, TWB = 20.

Тогда, предполагая, что дополнительные расходы времени составляют Дt = 5 единиц, получим время такта:

T = max {TIF, TID, TOR, TEX, TWB} + Дt = 30.

Оценим время выполнения одной команды и некоторой группы команд при последовательной и конвейерной обработке.

При последовательной обработке время выполнения N команд составит:

Tпосл = N*(TIF + TID + TOR + TEX + TWB) = 100N.

Анализ таблицы 2.1 показывает, что при конвейерной обработке после того, как получен результат выполнения первой команды, результат очередной команды появляется в следующем такте работы процессора. Следовательно,

Tконв = 5T + (N-1) * T.

Примеры длительности выполнения некоторого количества команд при последовательной и конвейерной обработке приведены в таблица 2.2.

Очевидно, что при достаточно длительной работе конвейера его быстродействие будет существенно превышать быстродействие, достигаемое при последовательной обработке команд. Это увеличение будет тем больше, чем меньше длительность такта конвейера и чем больше количество выполненных команд. Сокращение длительности такта достигается, в частности, разбиением выполнения команды на большое число этапов, каждый из которых включает в себя относительно простые операции и поэтому может выполняться за короткий промежуток времени. Так, если в процессоре Pentium длина конвейера составляла 5 ступеней (при максимальной тактовой частоте 200 МГц), то в Pentium-4 - уже 20 ступеней (при максимальной тактовой частоте на сегодняшний день 3,4 ГГц).

Похожие работы

Обзор методов оптимизации кода для процессоров с поддержкой параллелизма на уровне команд

Скачать

82492

2

0

... практичных алгоритмов оптимизированного перебора, позволяющих за разумное время осуществлять распараллеливание достаточно больших участков. Анализ работ, посвященных оптимизации кода для процессоров с параллелизмом на уровне команд показывает, что для достижения наилучших результатов необходимо применение комплекса оптимизаций, среди которых можно выделить следующие классы. Преобразования циклов ...

Основные принципы организации ПЭВМ

Скачать

23463

0

2

... выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие — архитектура ЭВМ. программирование вычислительный техника Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач. Архитектура ЭВМ охватывает широкий круг проблем ...

ИТМ и ВТ. Машины 1 и 2 поколений

Скачать

34362

2

0

... сделал в машине М20,где были реализованы возможности написания программ в мнемокодах. И это значительно расширило круг специалистов, которые смогли воспользоваться преимуществами вычислительной техники. Машины второго поколения. БЭСМ-6 В 1948 году американскими учеными был создан полупроводниковый транзистор, который стал использоваться в качестве элементной базы ЭВМ. Это изобретение позволило ...

Параллелизм как способ параллельной обработки данных

Скачать

46961

1

9

... во всех современных компьютерах это число совпадает с длиной машинного слова. Вторая характеристика равна числу слов m, обрабатываемых одновременно данной вычислительной системой. Немного изменив терминологию, функционирование любого компьютера можно представить как параллельную обработку n битовых слоев, на каждом из которых независимо преобразуются m бит. Опираясь на такую интерпретацию, вторую ...