Производительность конвейера операций

Для завершения выполнения первой команды потребуется k тактов конвейера, а для завершения n-1 команд - еще n-1

тактов. Коэффициент повышения скорости Sk использования конвейера оценивается по формуле:

Sk = Ti / Tk = nk / [k+(n-1)] =nk/[k+(n-1)]

Чем больше позиций в конвейере , тем потенциально больший выигрыш в скорости можно получить !!!!!!

Обработка команд перехода.

Организация множества потоков

В простейшем варианте конвейера приходится платить штраф

за опережение событий при выполнении команды перехода, поскольку необходимо решать , какую из двух команд извлекать из памяти на следующем такте после команды условного перехода. "Грубый" способ преодолеть это затруднение - включить в состав процессора второй конвейер ( но не полностью, а только начальные позиции) и загрузить в каждый конвейер одну из двух команд претендентов. Таким образом , получается два потока. При реализации этого подхода возникают следующие проблемы:

1. Когда в процессоре параллельно работают два и более конвейеров , появляется дополнительные возможности конфликтов за доступ к памяти и регистрам. Для их разрешения требуется увеличивать длительность такта конвейера, в результате чего вместо ожидаемого повышения скорости можно получить даже ее снижение при одновременном росте сложности схемы управления.

2. В поток может попасть еще одна команда перехода до того , как первая будет окончательно обработана. Каждая такая команда потребует своего потока.

Предварительное извлечение команды в точке перехода

Когда в программе встречается команда условного перехода , она немедленно распознается , и в очередном такте из памяти извлекается не только следующая за ней команда , но и команда в точке перехода. Последняя не "запускается" на конвейер , но сохраняется в специальном буфере до тех пор, пока команда условного перехода не попадает на позицию выполнения. или окажется , что нужно передать управление на точку перехода , то соответствующая команда уже заготовлена в буфере.

Организация буфера цикла

В процессоре организуется специальный блок памяти сверхвысокого быстродействия, в котором хранятся n последних команд, извлеченных из оперативной памяти в процессе выполнения текущей программы. Если в обрабатываемом фрагменте программы встретится команда условного перехода, аппаратные средства процессора первым делом анализируют, не находится ли точка перехода среди тех команд, что ранее были записаны в буфер. Если дело обстоит именно так, команда извлекается из буфера и "ставится" на конвейер.

Применение буфера цикла имеет три достоинства:

1. Поскольку в буфере хранится целый фрагмент программы, то помимо команды, размещенной в точке перехода, в нем могут оказаться и следующие за ней команды, а значит , их не придется извлекать из памяти.

2. Если адрес перехода недалеко отстоит от команды перехода, то команда, на которую задан переход, уже окажется в буфере. Это происходит при выполнении часто встречающихся программных конструкций вроде IF- THEN и IF- THEN-ELSE.

3. Этот подход очень хорошо сочетается с организацией в программе итерационных циклов (откуда и произошло название loop buffer - буфер цикла). Если буфер будет достаточно большим, чтобы включить все команды цикла, это избавит процессор от необходимости повторно извлекать их из памяти при обработке всех последующих циклов в программе.

Предсказание переходов

Существует множество методов , имеющих целью предсказать , изменится ли естественный порядок обработки команд программы в результате выполнения команды условного перехода.

Среди них наибольшую популярность приобрели следующие:

•Переход не предполагается никогда

•Всегда предполагается , что произойдет переход

•Переход предполагается на основе анализа кода операции перехода

•Использование переключателя "принято/не принято"

•Анализ таблицы предыстории переходов

Схема обработки команд условного перехода по правилу " всегда предсказывать отсутствие перехода"

Схема обработки

УУ неверного предсказания

перехода

Схема обработки команд условного перехода по правилу " всегда предсказывать отсутствие перехода"

Конвейр операций в микропрцессоре Intel 80486

MOV R1, M1

MOV R1, R2

MOV M2, R1

Диаграммы прохождения разных последовательностей команд через конвейер операций

Выполнение программы в суперскалярном процессоре