Пузырёк[править | править исходный текст]

Пузырек в третьем такте обработки задерживает исполнение

Когда в выполнении по каким-либо причинам случается небольшой сбой или задержка, в конвейере получается «пузырёк», в котором не происходит ничего полезного. Во втором такте обработка фиолетовой инструкции задерживается и вместо стадии расшифровки в третьем такте теперь находится пузырёк. Всё, что находится «за» фиолетовой инструкцией, испытывает задержку в один такт, тогда как всё, что находится «перед» фиолетовой инструкцией продолжает исполняться.

Очевидно, что наличие пузырька в конвейере даёт суммарное время исполнения в 8 тактов вместо 7 на схеме исполнения, показанной выше.

Пузырьки — это как заглушки, в которых не происходит ничего полезного при их прочтении, раскодировании, исполнении и записи результата. Они могут быть выражены при помощи инструкцииNOP^[1][2][3] ассемблера.

Пример 1[править | править исходный текст]

Допустим, типичная инструкция для сложения двух чисел это СЛОЖИТЬ A, B, C. Эта инструкция суммирует значения, находящиеся в ячейках памяти A и B, а затем кладет результат в ячейку памяти C. В конвейерном процессоре контроллер может разбить эту операцию на последовательные задачи вида

ЗАГРУЗИТЬ A, R1

ЗАГРУЗИТЬ B, R2

СЛОЖИТЬ R1, R2, R3

ЗАПИСАТЬ R3, C

загрузить следующую инструкцию

Ячейки R1, R2 и R3 являются регистрами процессора. Значения, которые хранятся в ячейках памяти, которые мы называем A и B, загружаются (то есть копируются) в эти регистры, затем суммируются, и результат записывается в ячейку памяти C.

В данном примере конвейер состоит из трех уровней — загрузки, исполнения и записи. Эти шаги называются, очевидно, уровнями или шагами конвейера.

В бесконвейерном процессоре, только один шаг может работать в один момент времени, поэтому инструкция должна полностью закончиться прежде, чем следующая инструкция в принципе начнется. В конвейерном процессоре, все эти шаги могут выполняться одновременно на разных инструкциях. Поэтому когда первая инструкция находится на шаге исполнения, вторая инструкция будет на стадии раскодирования, а третья инструкция будет на стадии прочтения.

Конвейер не уменьшает время, которое необходимо для того, чтобы выполнить инструкцию, но зато он увеличивает объём (число) инструкций, которые могут быть выполнены одновременно и таким образом уменьшает задержку между выполненными инструкциями — увеличивая т. н. пропускную способность. Чем больше уровней имеет конвейер, тем больше инструкций могут выполняться одновременно и тем меньше задержка между завершенными инструкциями. Каждый микропроцессор, произведенный в наши дни, использует как минимум двухуровневый конвейер.

Пример 2[править | править исходный текст]

Теоретический трёхуровневый конвейер:

Шаг	Англ. название	Описание
Выборка	Fetch	Прочитать инструкцию из памяти
Исполнение	Execute	Исполнить инструкцию
Запись	Write-back	Записать результат в память и/или регистры

Псевдоассемблерный листинг, который нужно выполнить:

ЗАГРУЗИТЬ 40, A ; загрузить число 40 в A

КОПИРОВАТЬ A, B ; скопировать A в B

СЛОЖИТЬ 20, B ; добавить 20 к B

ЗАПИСАТЬ B, 0x0300 ; записать B в ячейку памяти 0x0300

Как это будет исполняться:

Такт	Выборка	Исполнение	Запись	Пояснение
Такт 1	ЗАГРУЗИТЬ			Инструкция ЗАГРУЗИТЬ читается из памяти.
Такт 2	КОПИРОВАТЬ	ЗАГРУЗИТЬ		Инструкция ЗАГРУЗИТЬ выполняется, инструкция КОПИРОВАТЬ читается из памяти.
Такт 3	СЛОЖИТЬ	КОПИРОВАТЬ	ЗАГРУЗИТЬ	Инструкция ЗАГРУЗИТЬ находится на шаге записи результата, где её результат (то есть число 40) записывается в регистр А. В это же время, инструкция КОПИРОВАТЬ исполняется. Так как она должна скопировать содержимое регистра A в регистр B, она должна дождаться окончания инструкции ЗАГРУЗИТЬ.
Такт 4	ЗАПИСАТЬ	СЛОЖИТЬ	СКОПИРОВАТЬ	Загружена инструкция ЗАПИСАТЬ, тогда как инструкция СКОПИРОВАТЬ прощается с нами, а по инструкции СЛОЖИТЬ в данный момент производятся вычисления.

И так далее. Следует учитывать, что иногда инструкции будут зависеть от итогов других инструкций (например, как наша инструкция КОПИРОВАТЬ). Когда более, чем одна инструкция ссылается на определённое место, читая его (то есть используя в качестве входного операнда) либо записывая в него (то есть используя его в качестве выходного операнда), исполнение инструкций не в порядке, который был изначально запланирован в оригинальной программе может повлечь за собой «конфликт конвейера (англ. Hazard)» (о чём упоминалось выше). Существует несколько зарекомендовавших себя приёмов либо для предотвращения конфликтов, либо для их исправления, если они случились.