Простейшая организация конвейера и оценка его производительности
Для иллюстрации основных принципов построения процессоров мы будем использовать простейшую архитектуру, содержащую 32 целочисленных регистра общего назначения (R0,...,R31), 32 регистра плавающей точки (F0,...,F31) и счетчик команд PC. Будем считать, что набор команд нашего процессора включает типичные арифметические и логические операции, операции с плавающей точкой, операции пересылки данных, операции управления потоком команд и системные операции. В арифметических командах используется трехадресный формат, типичный для RISC-процессоров, а для обращения к памяти используются операции загрузки и записи содержимого регистров в память.
Выполнение типичной команды можно разделить на следующие этапы:
На рис. 5.1 представлена схема простейшего процессора, выполняющего указанные выше этапы выполнения команд без совмещения. Чтобы конвейеризовать эту схему, мы можем просто разбить выполнение команд на указанные выше этапы, отведя для выполнения каждого этапа один такт синхронизации, и начинать в каждом такте выполнение новой команды. Естественно, для хранения промежуточных результатов каждого этапа необходимо использовать регистровые станции. На рис. 5.2 показана схема процессора с промежуточными регистровыми станциями, которые обеспечивают передачу данных и управляющих сигналов с одной ступени конвейера на следующую. Хотя общее время выполнения одной команды в таком конвейере будет составлять пять тактов, в каждом такте аппаратура будет выполнять в совмещенном режиме пять различных команд.
Работу конвейера можно условно представить в виде сдвинутых во времени схем процессора (рис. 5.3). Этот рисунок хорошо отражает совмещение во времени выполнения различных этапов команд. Однако чаще для представления работы конвейера используются временные диаграммы (рис. 5.4), на которых обычно изображаются выполняемые команды, номера тактов и этапы выполнения команд.
Конвейеризация увеличивает пропускную способность процессора (количество команд, завершающихся в единицу времени), но она не сокращает время выполнения отдельной команды. В действительности, она даже несколько увеличивает время выполнения каждой команды из-за накладных расходов, связанных с управлением регистровыми станциями. Однако увеличение пропускной способности означает, что программа будет выполняться быстрее по сравнению с простой неконвейерной схемой.
Тот факт, что время выполнения каждой команды в конвейере не уменьшается, накладывает некоторые ограничения на практическую длину конвейера. Кроме ограничений, связанных с задержкой конвейера, имеются также ограничения, возникающие в результате несбалансированности задержки на каждой его ступени и из-за накладных расходов на конвейеризацию. Частота синхронизации не может быть выше, а, следовательно, такт синхронизации не может быть меньше, чем время, необходимое для работы наиболее медленной ступени конвейера. Накладные расходы на организацию конвейера возникают из-за задержки сигналов в конвейерных регистрах (защелках) и из-за перекосов сигналов синхронизации. Конвейерные регистры к длительности такта добавляют время установки и задержку распространения сигналов. В предельном случае длительность такта можно уменьшить до суммы накладных расходов и перекоса сигналов синхронизации, однако при этом в такте не останется времени для выполнения полезной работы по преобразованию информации.
В качестве примера рассмотрим неконвейерную машину с пятью этапами выполнения операций, которые имеют длительность 50, 50, 60, 50 и 50 нс соответственно (рис. 5.5). Пусть накладные расходы на организацию конвейерной обработки составляют 5 нс. Тогда среднее время выполнения команды в неконвейерной машине будет равно 260 нс. Если же используется конвейерная организация, длительность такта будет равна длительности самого медленного этапа обработки плюс накладные расходы, т.е. 65 нс. Это время соответствует среднему времени выполнения команды в конвейере.
Таким образом, ускорение, полученное в результате конвейеризации, будет равно:
| Среднее время выполнения команды в неконвейерном режиме Среднее время выполнения команды в неконвейерном режиме | = | 260 65 | = | 4 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис. 5.3. Представление о работе конвейера
| Номер команды | Номер такта | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Команда i | IF | ID | EX | MEM | WB | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Команда i+1 | IF | ID | EX | MEM | WB | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Команда i+2 | IF | ID | EX | MEM | WB | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Команда i+3 | IF | ID | EX | MEM | WB | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Команда i+4 | IF | ID | EX | MEM | WB | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис. 5.5. Эффект конвейеризации при выполнении 3-х команд - четырехкратное ускорение
При реализации конвейерной обработки возникают ситуации, которые препятствуют выполнению очередной команды из потока команд в предназначенном для нее такте. Такие ситуации называются конфликтами. Конфликты снижают реальную производительность конвейера, которая могла бы быть достигнута в идеальном случае. Существуют три класса конфликтов:
Конфликты в конвейере приводят к необходимости приостановки выполнения команд (pipeline stall).Обычно в простейших конвейерах, если приостанавливается какая-либо команда, то все следующие за ней команды также приостанавливаются. Команды, предшествующие приостановленной, могут продолжать выполняться, но во время приостановки не выбирается ни одна новая команда.
