КОНВЕЙЕР КОМАНД
Более подробно вопросы конвейеризации процесса обработки информации в ЭВМ рассматриваются в последних разделах настоящего курса – "Многопроцессорные системы". Здесь же будут рассмотрены только основные принципы конвейеризации процедур цикла выполнения команды (рабочего цикла машины).
Ранее, при рассмотрении принципов функционирования УУ процессоров, уже упоминалось о конвейерном способе выполнения микрокоманд, когда процедура выполнения i-й микрокоманды в АЛУ совмещалась по времени с процедурой вызова из управляющей памяти i+1 микрокоманды. Этот принцип распространяется и на выполнение команд машины. Еще в 1956 г. академик Лебедев С.А. предложил повышать производительность машин, используя принцип совмещения во времени отдельных этапов рабочего цикла, и реализовал этот принцип в ЭВМ М-20 в форме параллельного выполнения во времени операции в АЛУ и выборки из памяти следующей команды.
В современных ЭВМ очень широко используются различные варианты конвейерного способа выполнения операций, что существенно повышает их производительность. Не вдаваясь в подробности, рассмотрим простейший пример конвейерного способа выполнения микропроцессором операции сложения двух операндов, находящихся в ОП. Для этого необходимо выполнить две команды: 1-я – вызов первого операнда в аккумулятор; 2-я – вызов второго операнда и сложение. В процессе выполнения 1-й команды можно использовать ресурсы МП во время ожидания ответа ОП (например, в МП КР580 это такт Т2 каждого машинного цикла). Для этого необходимо, чтобы вместо пассивного режима ожидания МП инициировал новый цикл обмена с ОП для вызова 2-й команды. По соответствующим сигналам готовности ОП последовательно заканчиваются 1-й и 2-й циклы обращения к памяти и выполняется операция сложения. При этом время каждого обращения к ОП не уменьшается, но суммарное время выполнения двух команд оказывается меньше за счет их перекрытия во времени. Практика показала, что использование конвейера в той или иной форме существенно повышает в среднем
скорость обмена процессор – ОП. При этом, естественно, усложняется программное и аппаратное обеспечение ЭВМ в целом
(а не только одного МП).
В общем случае конвейерный принцип позволяет процессору параллельно выполнять множество команд. Однако в этом случае как единое устройство процессор функционировать уже не может. Последовательность выполнения каждой команды разделяется в процессоре на основные операции. Для выполнения операций каждого типа служат специализированные исполнительные устройства.
Наиболее общий прием конвейеризации заключается в том, что во время выполнения предыдущей команды с упреждением производится выборка из памяти очередной команды. Тем самым достигается рациональное использование времени работы шины, которое при обычной архитектуре процессора затрачивалось впустую, и сокращается длительность выполнения программы, хотя длительность цикла выполнения отдельных команд может даже несколько увеличиться.
Совмещение во времени этапов цикла выполнения команды давно и широко используется в процессорах, которые в этом случае представляют собой совокупность специализированных исполнительных блоков, управляемых одним УУ. Так, например, в МП фирмы Zilog Z80000 использован шестиступенчатый конвейер, а цикл выполнения команды состоит соответственно из шести этапов:
- выборки команды;
- декодирования команды;
- вычисления адреса операнда;
- выборки операнда;
- собственно выполнения операции;
- запоминания результата.
Когда в конвейере заканчивается выполнение определенного этапа предыдущей команды, высвобождается соответствующий исполнительный блок и может быть начато выполнение аналогичного этапа следующей команды. В идеальной ситуации очередная команда должна поступать на конвейер в тот момент, когда предыдущая команда с него сходит. Это соответствует шестикратному повышению производительности.
Однако при исполнении реальных программ максимальная производительность никогда не достигается по ряду причин. Это, прежде всего:
- различные продолжительности этапов выполнения команды, что вынуждает выбирать такт работы конвейера соответствующим продолжительности выполнения самого "медленного" этапа. Это приводит к некоторому увеличению длительности цикла выполнения отдельной команды (времени прохождения команды через конвейер) по сравнению с потенциально возможной;
- использование не в каждой команде всех исполнительных блоков, что требует дополнительных временных затрат на работу специальных переключающих схем;
- нарушение последовательности выполнения команд программы, которое имеет место при наличии команд передачи управления или прерываниях.
Нарушение строго последовательного выполнения команд программы вызывает необходимость очистки конвейера от команд, выполнение которых началось после команды, нарушившей эту последовательность (торможение конвейера), и повторного заполнения конвейера командами с новой точки программы (разгон конвейера). Доля команд, на которых естественная последовательность выполнения программы нарушается, обычно составляет 15-30% от общего количества команд. При этом вызываемое процентное снижение производительности превышает вероятность их появления в программе.
Наличие команд передачи управления и, в частности, команд условных переходов оказывает самое существенное влияние на производительность конвейера команд, поэтому разработчики идут на существенное усложнение архитектуры процессоров в целях уменьшения этого влияния. Основные пути уменьшения влияния команд условных переходов на производительность конвейера команд состоят в следующем:
- прогнозировании направления перехода по косвенным признакам;
- одновременной обработке команд по обоим направлениям перехода (в более простом случае – создание очередей команд);
- выборе направления перехода на основании анализа статистики ранее совершенных аналогичных переходов в теле цикла;
- выборе случайного направления перехода;
- методе "отложенных переходов", при котором на этапе компиляции после команды условного перехода размещаются команды, не связанные с направлением перехода (число таких команд равно числу ступеней конвейера).
Для уменьшения влияния различной продолжительности этапов цикла выполнения команды на производительность разработчики искусственно увеличивают число ступеней конвейера, разбивая этапы на подэтапы, продолжительность выполнения которых примерно одинакова. Однако увеличение числа ступеней конвейера ведет к увеличению времени разгона, которое может существенно понизить общую производительность конвейера при обработке программ с короткими линейными участками. Виду этого число ступеней конвейера команд должно быть оптимальным.
Опыт построения конвейеров команд показывает, что полностью исключить влияние перечисленных выше факторов на производительность конвейера команд не удается. Максимальная производительность возможна только при обработке программ, имеющих длинные линейные участки, с использованием всех ступеней конвейера.
Существуют методы грубой оценки повышения производительности ЭВМ за счет использования конвейера, но они справедливы только для конкретного типа задач и в данном разделе не рассматриваются.
При рассмотрении метода конвейеризации обмена был проигнорирован тот факт, что реальные устройства ОП не допускают одновременного обращения к нескольким ячейкам (имеются в виду реальные БИСы памяти, охваченные общим полем адресов). Выйти из этого положения позволяет следующий метод.
