ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет"

("ЛЭТИ")

Архитектура вычислительных систем (Часть 1)

Методические указания

к лабораторному практикуму

«ПРИНЦИПЫ КОНВЕЙЕРНОЙ ОБРАБОТКИ»

Санкт-Петербург

2006

Введение

Целью данных методических указаний является изучение принципов конвейерной обработки и влияния различных конфликтов на эффективность конвейерной обработки в однопроцессорных ЭВМ, принципов управления конвейерными процессорами, а также изучение принципов организации и функционирования систолических массивов, имеющих свойства как процессорных матриц (совокупность связанных процессорных элементов, выполняющих единую команду), так и явные признаки конвейерного вычислителя (результат формируется по тактам).

Лабораторные работы выполняются на ПЭВМ типа IBM, работающей в среде Windows 98/NT/2000 с использованием готовых программных продуктов:

- имитационного моделирования конвейерного процессора;

- имитационного моделирования систолического массива.

Все программы позволяют в достаточно широком диапазоне варьировать основные параметры конвейеров и исследовать их влияние на производительность вычислительных систем.

В результате выполнения лабораторных работ студент может сформулировать предложения по наиболее эффективной организации работы конвейера или систолического массива.

По результатам каждой работы каждой работы оформляется отчет. Требования к содержанию отчета приведены в описании работы. После выполнения работы студент должен ответить на контрольные вопросы, приведенные в конце каждой работы.

Лабораторная работа № 1 Принципы управления конвейерными процессорами

Цель работы. Исследование принципов управления конвейерными процессорами с использованием имитационной модели.

1.1. Общие сведения

1.1.1. Условия эффективной реализации конвейера

Идея конвейерной обработки данных состоит в том, чтобы сложную операцию разбить на множество более простых операций, которые могут выполняться одновременно. При движении объектов по конвейеру на разных его участках выполняются разные операции, а при достижении каждым объектом конца конвейера он окажется полностью обработанным. Конвейеры применяются как при обработке команд, так и в арифметических операциях. Для эффективной реализации конвейера должны выполняться следующие условия:

1) система выполняет повторяющуюся операцию;

2) эта операция может быть разделена на независимые части;

3) трудоемкость подопераций примерно одинакова. Количество подопераций называют глубиной конвейера. Важным условием нормальной работы конвейера является отсутствие конфликтов, то есть данные, подаваемые в конвейер, должны быть независимы.

Принципы разбиения вычислительного процесса состоят в следующем:

- вычисление базовой функции эквивалентно некоторой последовательности вычислений подфункций;

- величины, являющиеся входными для данной подфункции, являются выходными величинами той подфункции, которая предшествует данной в цепочке вычисления;

- никаких других взаимосвязей, кроме обмена входными и выходными данными, между подфункциями нет;

- каждая подфункция может быть выполнена аппаратными блоками;

- времена, необходимые для реализации этими аппаратными блоками своих действий равны.

Аппаратные средства, необходимые для выполнения любой из этих подфункций, образуют ступень. Цифровой конвейер воспринимает данные, как непрерывный поток. На его вход поступают дискретные данные, которые перемещаются от ступени к ступени по сигналам датчика синхроимпульсов.