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

Средства повышения эффективности работы системы:

- совершенствование элементной базы;

- архитектурные решения: увеличение количества программно доступных регистров ЦП; использование кэш-памяти; 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 конвейеризации:

- 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 синхронизации ступеней конвейера:

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;

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

Этапы 6-ступенчатого конвейера:

= 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.

T_k = (max {t_i} + d), i = 1,…,k.

T_k – длительность такта конвейера; t_i продолжительность выполнения i-го этапа команды; k – количество этапов обработки; d – накладные расходы, обусловленные задержкой сигналов и перекоса сигналов синхронизации.

Характеристики конвейера:

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

= метрики эффективности конвейера:

- ускорение – отношение времени последовательного выполнения N инструкций к времени их конвейерного выполнения: S = t_посл.N /t_конв.N; t_посл.N = N x k x T_k; t_конв.N = (k+(N‑1)) x T_k. Лучшее ускорение S=k.

- эффективность – доля ускорения, приходящаяся на одну ступень конвейера: E = S / k = N / (k + (n-1)). Идеал: Е = 1.

- производительность – P = E / T_k; номинальная производительность (при полной загруженности конвейера) P_{ном. конв.} = 1 / T_k.

Оценка выигрыша от конвейеризации:

k/2 < P_{ном.конв.} / P_посл. <=k.