83. Конвейерная обработка данных: предпосылки внедрения, принципы реализации, способы синхронизации ступеней.

Предпосылки внедрения конвейерной обработки данных

Средства повышения эффективности работы системы:

• совершенствование элементной базы;

• архитектурные решения:

  • увеличение количества программно доступных регистров ЦП;

  • использование кэш-памяти;

  • совмещение операций.

Совмещение операций

Аппаратура компьютера в любой момент времени выполняет одновременно более одной базовой операции.

Два вида совмещения:

• параллелизм (аппаратная структура воспроизводится в нескольких копиях);

• конвейеризация (конвейерная обработка) – архитектурное решение, способ организации процесса обработки команд, основанный на совмещении во времени отдельных этапов рабочего цикла.

Принцип конвейерной обработки

• подлежащая исполнению функция делится на более мелкие части (этапы, стадии, ступени);

• для каждого этапа выделяется отдельный блок аппаратуры;

• данные передаются от одного этапа к следующему;

• этапы выполнения разных команд совмещаются.

Способы обработки информации

Способы синхронизации ступеней

1. Синхронный конвейер

Характерен для традиционных компьютеров:

• синхронный характер работы процессора;

• короткие тракты распространения сигналов синхронизации (перекос сигналов не существенен).

2. Асинхронный конвейер

Условия применения:

• длительности временных интервалов отдельных ступеней конвейера зависят от типа команды и вида операндов;

• связь между ступенями не сильна;

• длина сигнальных трактов между разными ступенями сильно рознится;

Пример: систолические массивы.

84. Синхронный конвейер: реализация 6-ступенчатого конвейера, метрики эффективности, оценка выигрыша от внедрения.

Декомпозиция цикла обработки команды на 6 этапов

• извлечение команды (ИК);

• декодирование команды (ДК) – расшифровка кода операции и спецификаторов операндов;

• вычисление адресов операндов (АО) – вычисление исполнительных адресов операндов-источников с учетом режимов адресации;

• извлечение операндов (ИО) – извлечение всех операндов-источников из памяти;

• выполнение команды (ВК) – выполнение операций, заданных кодом операции в команде;

• запись результата (ЗР) – запись результата в память.

Временная диаграмма синхронного конвейера (k = 6)

Характеристики синхронного конвейера

Последовательная обработка данных

Продолжительность выполнения каждого этапа команды

При последовательном выполнении продолжительность цикла

Производительность процессора

Обработка в cсинхронном конвейере

• конвейер работает в принудительном темпе;

• такт конвейера T_k – время выполнения любого этапа;

• накладные расходы d, обусловленные:

  • задержкой сигналов в конвейерных устройствах;

  • перекосом сигналов синхронизации.

Условия разбиения командного цикла на этапы и выбора длительности такта:

Численные характеристики конвейера

• коэффициент совмещения операций – число одновременно выполняемых этапов обработки команды;

• метрики эффективности:

  • ускорение;

  • эффективность;

  • производительность.

Метрики эффективности