29.09.2011
Формирование адреса следующей команду;
Для фон-неймановских машин характерно размещение соседних команд программы в смежных ячейках памяти. Если извлеченная команда не нарушает естественного порядка выполнения программы, то для вычисления адреса следующей команды достаточно увеличить значение СК на длину текущей команды.
Декодирование команды;
После выборки команды она должна быть декодирована. На этапе декодирования выясняются следующие моменты:
Находится ли в регистре полный код команды, или требуется дозагрузка остальных слов;
Какие действия требуются для выполнения команды;
Если команда требует операнды, выяснить откуда они должны быть взять и куда поместить результат.;
Вычисление адресов операндов;
Этап имеет место, если впроцесса декодирования команды выясняется, что команда использует операнды. Если операнды располагаются в основной памяти, то осуществляется вычисление их адресов с учетом указанного в команда способа адресации.
Выборка операндов;
Вычисленные на предыдущем этапе исполнительные адреса используются для считывания операндов из памяти и занесения в регистры процессора
Исполнение операции;
Запись результата;
Присутствует в цикле тех команд, которые предполагают занесение результата в регистр или ячейку основной памяти.
Способы ускорения традиционных архитектур
Рисунок 10 Конвейеризация
Исходные данные помещаются во входной регистр, обрабатываются в функциональном блоке, а результат обработки фиксируется в выходном регистре. Если максимальное время обработки в ФБ=Tmax, то результат может быть занесен в Ргвых не ранее, чем через Tmax.
Распределим функции, выполняемые в ФБ, между тремя независимыми блоками так, чтобы максимальное время обработки в них была одинаковыми. Между блоками разместим буферные регистры, предназначенные для хранения результатов на случай, если следующий за ней ФБ не готов использовать этот результат.
В рассмотренной
схеме данные на вход конвейера могут
подаваться с интервалом
.
На практике редко удается добиться
того, чтобы задержки в каждом ФБ были
одинаковыми. Для устранения этого
недостатка каждый буферный регистр
заменяется буферной памятью, способной
хранить множество данных и организованной
по принципуFIFO.
Конвейер команд.
ВК – выборка команды
ДК – декодирование команды
ВА – вычисление адресов
ВО – выборка операндов
ИК – исполнение команды
ЗР – запись результата.
Рисунок 11 Конвейер команд
Конфликтные ситуации в конвейере принято обозначить термином риск. Они могут быть обусловлены:
Попуткой нескольких команд одновременно обратиться к одному и тому же ресурсу вычислительной машины;
Взаимосвязью команд по данным;
Неоднозначностью при выборе следующей команды в случае команд перехода – риск по управлению;
Структурного риска можно избежать за счет модульного построения памяти и использования кэш-памяти.
Риск по данным возникает, когда две команды в конвейере i иj предусматривают обращение к одной и той же переменной x, причем i предшествует j. Возможные риски:
Чтение после записи. Команда j читает x до того, как команда i успела записать новое значение x;
Запись после чтения. Команда j записывает новое значение x до того, как команда i успела прочитать это x;
Запись после записи. Команда j записывает новое значение x прежде, чем команда i успела записать в качестве x своё значение;
Наиболее частный вид конфликтов по данным - чтение после записи. Данный вид конфликта появляется в том случае, если командам в конвейере разрешается догонять предшествующие им команды, приостановленные из-за конфликтов.
Для борьбы с конфликтами по данным применяются программирование аппаратные методы. Программные методы ориентируются на устройстве конфликтов еще на стадии компиляции. Оптимизирующий компилятор пытается создать такой объектный код, чтобы между командами, склонными к конфликтам, находилось достаточное количество нейтральных команд. Если это не удается, то между конфликтующими командами вставляется необходимое количество NOP-ов.