Курсовая работа: Принципы организации параллелизма выполнения машинных команд в процессорах
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.
| Таблица 2.2 | ||
| Количество команд | Время | |
| при последовательном выполнении | при конвейерном выполнении | |
| 1 | 100 | 150 |
| 2 | 200 | 240 |
| 10 | 1000 | 420 |
| 100 | 10000 | 3120 |
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 тактаконвейера 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).
2.3 Конфликты в конвейере и способы минимизации их влияния на производительность процессора
Значительное преимущество конвейерной обработки перед последовательной имеет место в идеальном конвейере, в котором отсутствуют конфликты и все команды выполняются друг за другом без перезагрузки конвейера. Наличие конфликтов снижает реальную производительность конвейера по сравнению с идеальным случаем.
Конфликты - это такие ситуации в конвейерной обработке, которые препятствуют выполнению очередной команды в предназначенном для нее такте.
Конфликты делятся на три группы:
- структурные,
- по управлению,
- по данным.
Структурные конфликты возникают в том случае, когда аппаратные средства процессора не могут поддерживать все возможные комбинации команд в режиме одновременного выполнения с совмещением.
Причины структурных конфликтов.
1. Не полностью конвейерная структура процессора, при которой некоторые ступени отдельных команд выполняются более одного такта.
Пусть этап выполнения команды i+1 занимает 3 такта. Тогда диаграмма работы конвейера будет иметь вид, представленный в таблица 2.3.
| Таблица 2.3 | |||||||||
| Команда | Такт | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| i | IF | ID | OR | EX | WB | ||||
| i+1 | IF | ID | OR | EX | EX | EX | WB | ||
| i+2 | IF | ID | OR | O | O | EX | WB | ||
| i+3 | IF | ID | OR | O | O | EX | |||
| i+4 | IF | ID | OR | O | O | ||||
При этом в работе конвейера возникают так называемые "пузыри" (обработка команд i+2 и следующих за ней, начиная с такта 6), которые снижают производительность процессора.
Эту ситуацию можно было бы ликвидировать двумя способами. Первый предполагает увеличение времени такта до такой величины, которая позволила бы все этапы любой команды выполнять за один такт. Однако при этом существенно снижается эффект конвейерной обработки, так как все этапы всех команд будут выполняться значительно дольше, в то время как обычно нескольких тактов требует выполнение лишь отдельных этапов очень небольшого количества команд. Второй способ предполагает использование таких аппаратных решений, которые позволили бы значительно снизить затраты времени на выполнение данного этапа (например, использовать матричные схемы умножения). Но это приведет к усложнению схемы процессора и невозможности реализации на этой БИС других функционально более важных узлов. Так как представленная в таблице 2.3 ситуация возникает при реализации команд, относительно редко встречающихся в программе, то обычно разработчики процессоров ищут компромисс между увеличением длительности такта и усложнением того или иного устройства процессора.
2. Недостаточное дублирование некоторых ресурсов.
Одним из типичных примеров служит конфликт из-за доступа к запоминающим устройствам. Из таблицы 2.1 видно, что в случае, когда операнды и команды находятся в одном запоминающем устройстве, начиная с такта 3, работу конвейера придется постоянно приостанавливать, поскольку различные команды в одном и том же такте обращаются к памяти на считывание команды, выборку операнда, запись результата.
Борьба с конфликтами такого рода проводится путем увеличения количества однотипных функциональных устройств, которые могут одновременно выполнять одни и те же или схожие функции. Например, обычно разделяют кэш-память для хранения команд и кэш-память данных, а также используют многопортовую схему доступа к регистровой памяти, при которой к регистрам можно одновременно обращаться по одному каналу для записи, а по другому - для считывания информации. Конфликты из-за исполнительных устройств обычно сглаживаются введением в состав процессора дополнительных блоков.
В суперскалярных процессорах реализована конвейерная обработка и параллельное выполнение команд. Несколько команд одновременно могут выполниться в течение одного такта. В таблице 2.4 представлена последовательность выполнения команд в процессоре, имеющем два конвейера, при условии, что команде К1 требуется 3 такта на этапе EX.
| Таблица 2.4 | ||||||||||||||
| Этап | Такт | |||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | ||||||||
| IF | K1 | K2 | K3 | K4 | K5 | K6 | K7 | K8 | K7 | K9 | K7 | K10 | K11 | K12 |
| ID | K1 | K2 | K3 | K4 | K5 | K6 | K5 | K8 | K5 | K9 | K7 | K10 | ||
| OR | K1 | K2 | K3 | K4 | K3 | K6 | K3 | K8 | K5 | K9 | ||||
| EX | K1 | K2 | K1 | K4 | K1 | K6 | K3 | K8 | ||||||
| WB | K2 | K4 | K1 | K6 | ||||||||||
При этом команды будут завершаться в последовательности К2-К4-К1-К6-...