Структурные методы повышения быстродействия микропроцессора
Временные диаграммы взаимодействия основных узлов микроЭВМ
Ni – ссылка на адрес следующей микрокоманды
Ci – разряды управления процессорными элементами и субблоками.
Si – информация о состоянии ПЭ (регистр состояния).
ai – адрес текущей микрокоманды.
ta – время установки информации на выходе.
tNC – время реакции управляющей памяти на адрес, поступающий из БМУ.
ts – время формирования результата операции в ПЭ с момента поступления сигнала Сi.
tm – время, необходимое для фиксации результата операции во внешнем устройстве.
Конвейерная обработка информации
В данном случае имеют место 2 параллельных процесса:
-
Формирование адреса следующей микрокоманды.
-
Выполнение операции в проц. эл-те.
При этом задержки ts и tNC совмещаются во времени. А т.к. tp и tA приблизительно одинаковы, то быстродействие повышается в 1,5 – 1,8 раза.
Достоинства: повышение быстродействия при минимальных аппаратных затратах.
Недостатки: наличие фазового сдвига в тех участках вычислительного процесса, в которых происходит анализ состояния ПЭ. Для устранения этого недостатка используются "длинные" микрокоманды. "Длинная" микрокоманда – это микрокоманда, в которой разряды управления не изменяются в течение двух тактов.
УП и ПЭ – устройства комбинационного типа.
Многоуровневая конвейерная обработка
В данном случае имеет место случай когда ПЭ по своему быстродействию значительно превышает быстродействие памяти. В этом случае устанавливается такое количество конвейерных регистров, во сколько раз быстродействие процессора выше быстродействия памяти.
Достоинства: максимальное быстродействие при минимальных аппаратных затратах.
Недостатки: наличие фазового сдвига в тех участках вычислительного процесса, когда оценивается состояние ПЭ.
Для устранения этого недостатка используются и длинные микрокоманды, т.е. микрокоманды, которые занимают 2 такта.
Память с расслоением
В данном случае используется такое количество слоёв памяти - во сколько раз быстродействие ПЭ выше быстродействия памяти.
Достоинства: повышение быстродействия при минимальных аппаратных затратах.
Недостатки: наличие фазового сдвига при выполнения программ ветвления.
Для ликвидации этого недостатка используются длинные микрокоманды, т.е. одна и та же микрокоманда размещена в соседних слоях памяти.
Вычислительные системы с переменной длительностью цикла
Такт,
когда выполняется операция в ПЭ
1 – время необходимое для выполнения логической операции.
2 – время необходимое для выполнения арифметической операции без формирования признаков состояний.
3 – арифметические операции с формированием признаков состояний.
В структуру микрокоманды вводятся дополнительные разряды, которые обеспечивают управление генератором ТИ, который формирует соответствующую временную диаграмму.
Достоинства: повышение быстродействия на 15-20%
Недостатки: наличие машинного цикла переменной длины.
При построении вычислительных систем обычно встречаются все 4 варианта структурных решений.