5.10.1. Конфликты по данным

Конфликт по данным – это ситуация когда процессор останавливается из-за отсутствия данных в некотором последующем блоке конвейера в связи с незавершенностью одной из фаз команды на предыдущем шаге. Примером такого «торможения» может служить длительность выполнения команды сложения. Как правило, данная операция требует ожидания распространения переноса от младших разрядов к старшим. При большой длине операндов это время может колебаться в достаточно широких пределах, что и будет определять неравномерность работы конвейера. Для разрешения данной ситуации в систему должны вводиться сигналы маркеров, оповещающие каждый предыдущий блок конвейера о завершении операций в последующем.

Другой пример конфликта по данным характеризует ситуацию, возникающую при использовании нескольких регистров, участвующих в операции. Предположим, что значение , а программа пользователя требует выполнения преобразований:

где умножение выполняется за 1 такт.

При последовательном выполнении операций результат будет равен . В параллельном режиме имеем диаграмму вычислений:

В данном случае возникает конфликт «чтение при не записи». Конфликтная ситуация преодолевается за счет задержки устройством управления времени отработки фазы Е₂ второй команды на один такт.

Другой вариант преодоления конфликтов по данным предполагает структурную реорганизацию конвейера. При этом в систему включаются дополнительные регистры и связи и в случае возникновения конфликта «чтение при не записи» результаты выполнения команды I₁ передаются не в ЗУ конвейера, а непосредственно следующей команде.

В ходе трансляции команды I₂ компьютер определяет зависимость вида , в связи с чем, в конвейере устанавливается коммутация, определяющая одновременно с фазойпередачу содержимого буферного регистра 3 фазеиликомандыI₂.

В некоторых системах зависимость между данными в различных подсистемах конвейера может быть устранена программными методами. При этом на этапе компиляции в проблемных местах вставляется команда NOP, что и устраняет конфликтную ситуацию задачи.

Рассмотренные методы устранения конфликтов указывают на тесную взаимосвязь и взаимообратное действие уровней развития аппаратуры и программного обеспечения. Если функции по преодолению конфликтов берет на себя компилятор, то сложность аппаратной части процессора существенно стандартизируется. Если же функции ПО реализованы в недостаточной мере, то архитектура процессора усложняется за счет модернизации операционного устройства и схем управления внутренним интерфейсом.

5.10.2. Побочные эффекты

При конвейерных вычислениях не исключены ситуации, когда команда изменяет не только содержимое регистра, заданного как приемник результата, но и ряд вспомогательных регистров процессора. Например, в ходе обработки массивов информации используется автоинкрементная или автодекрементная адресация. При этом наряду с образованием новых данных изменяется содержимое адресных регистров. Такая ситуация получила название побочного эффекта.

В некоторых случаях побочные эффекты могут не влиять на ход вычислений в конвейере, так как в фазе выполнения ряд действий легко совмещается. Однако существует достаточно много функций, совмещение которых принципиально невозможно. В частности, широко известен побочный эффект являющийся функцией установки флагов. Учитывая, что признаки устанавливаются по результатам выполненных действий, возникают трудности в использовании флагов при выполнении ряда команд в конвейерной системе. Так, в случае сложения операндов двойной длины, возникает необходимость учета флага переноса между регистрами как это показано на рис.5.52.

RG₁ + RG₃

При отработке команды АDD W вначале выполняется сложение

а

RG₂ +RG₄+С₀.

затем сложение с переносом Временная диаграмма вычислений (в конвейере без реорганизации) при этом будет иметь вид рис.5.53:

Значение переноса анализируется в фазе D₂, а формируется в конце фазы E₁, таким образом, в начале фазы Е₂ идет запоминание С₀, и фиксируется неопределенность вида «побочный эффект» от установки флагов.

Побочный эффект от длительности установки флагов следует учитывать также при отработке команд условных переходов в программе и команд условного перехода к подпрограммам. Что касается других типов преобразований, то побочные эффекты возникают в операциях со стеком и при реализации сложных режимов адресации.