Задержка работы устройств
Если выполнение любого из шагов конвейера затянется, то это задержит все остальное. На чтение команды может уйти более одного такта, если нет команды в КЭШ-памяти. Этап декодирования извлечения операндов зависит от их наличия, выполнение арифметических операций происходит за разное время и зависит от типа операций.
На время работы устройств (F, D, W) влияние оказывает полезное усовершенствование конвейера – увеличение размеров буфера и организация в нем очереди команд. Другие усовершенствования более сложные:
Разработка параметров с несколькими конвейерами команд
Разработка параметра с системой команд, в которой все выполняется за равное число тактов
Конфликты по ресурсам
Конфликты возникают, когда два устройства одновременно обращаются к одному ресурсу. Так, в четырехступенчатом конвейере к памяти могут обратиться одновременно три устройства (F, D, W).
Схема конфликта по устройствам:
Меры для уменьшения числа конфликтов:
Разделение КЭШ для данных и команд
Введение двухпортовых регистров(возможно одновременное обращение)
Расслоение память – одновременно обращение к ячейке разных блоков
Явный конфликт по данным
Данные, полученные как результат команды, будут использованы как операнды для последующей команды. Если эта команда следует сразу за первой, то одновременное использование в конвейере приводит к ошибке – конфликту.
Конфликт типа “чтение после записи”, т.е программа рассчитана на последовательное выполнение команд. Сначала производиться запись, а потом чтение. Такая ошибка распознается на этапе трансляции. Имеет место в программе приема.
Изменение порядка следования команд, т.е команды имеющие зависимость по данным, не ставят рядом
Вставляют между зависимыми командами дну или более команд
Аппаратный метод борьбы с такими конфликтами – продвижение операндов.
Схема:
F(Fetch)
|
|
|
|
D(decode) |
|
|
|
E(execute)
|
|
|
|
W(write) |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
B1 |
B 2 |
B3 |
Передача управления
Предположим, команда 1 – команда условной передачи управления. После ее завершения должна выполнять либо команду 2, либо команду N.
Схема условной передачи управления:
K1 |
F1 |
D1 |
F1 |
W1 |
|
|
|
|
K2 |
|
F2 |
D2 |
E1 |
W2 |
|
|
|
K3 |
|
|
F3 |
D3 |
E3 |
W3 |
|
|
K… |
|
|
|
… |
… |
… |
… |
|
Kn |
|
|
|
|
Fn |
Dn |
En |
Wn |
Kn+1 |
|
|
|
|
Fn+1 |
Dn+1 |
En+1 |
Wn+1 |
Если переход произойдет, то конвейер теряет 3 такта. Команды 2, 3, 4 из конвейера удаляются. Эти команды называют слотами задержки перехода. Число слотов зависит от числа ступеней. В длинных конвейерах их больше. Применяется условный адрес, передающихся непосредственно УК.
Безусловный переход – устройство Е(исполнительное) определяет, нужен ли переход, но если адрес перехода выполняется раньше устройством D. При этом теряется только один такт.
Другой, более дорогой вариант. Процессор имеет в своем составе буфер адресов перехода.
ВТВ(Branch Target Buffer) - небольшая КЭШ-память, хранящая таблицу последних переходов.
Формат:
Адрес команды
Адрес перехода
Устройство F ищет адрес команды в левой части таблицы. Когда находит, выбирает по адресу правую.