Виды рисков синхронного конвейера.
Причины рисков:
- попытка нескольких команд одновременно обратиться к одному и тому же ресурсу компьютера (структурный риск);
- взаимосвязь команд по данным (риск по данным);
- неоднозначность при выборке следующей команды в случае команд перехода (риск по управлению).
Структурный риск: Конфликт по ресурсам: несколько команд, находящихся на разных ступенях конвейера, пытаются одновременно использовать один и тот же ресурс (чаще всего память). Конвейер приостанавливает выполнение одной из команд до тех пор, пока не станет доступным требуемое ФУ. Источники:
- машины с не полностью конвейерными ФУ:
=время работы такого устройства может составлять несколько тактов синхронизации конвейера;
=последовательные команды, использующие данное ФУ, не могут поступать в него в каждом такте;
- недостаточное дублирование некоторых ресурсов, (только один порт записи в регистровый файл и т.п.);
- единственный конвейер памяти для команд и данных.
Риск по данным: Две команды в конвейере (i и j) предусматривают обращение к одной и той же переменной х, причем команда i предшествует команде j. Конфликт возникает, если имеет место зависимость между командами, и они расположены по отношению друг к другу достаточно близко. Следствие: совмещение операций может привести к изменению порядка обращения к операндам. В общем случае между i и j ожидаемы три типа конфликтов:
- «Чтение после записи» (RAW);
- «Запись после чтения» (WAR);
- «Запись после записи» (WAW).
Условие отсутствия конфликта по данным: условия Бернстайна:
где
О(m) – множество ячеек, изменяемых
командой m;
I(n) – множество ячеек, читаемых командой n.
Конфликт по управлению. Факторы:
- выборка команды из точки перехода для любой команды перехода;
- выполнение команд условного перехода.
Методы снижения приостановок конвейера.
CPI – среднее количество тактов на выполнение команды (clock per instruction)
CPI конв. = CPI ид.конв. + Cс + Cд + Cу ,
где Cс, Cд, Cу – приостановки конвейера из-за структурных конфликтов, конфликтов по данным и конфликтов по управлению, соответственно.
Методы минимизации приостановок работы конвейера нацелены на достижение идеального CPI = 1.
Основные методы:
- применение арифметического конвейера для выполнения многотактных операций;
- применение конвейера с дополнительными функциональными устройствами.
Risc-архитектура: предпосылки создания, принципы реализации.
RISC – Reduced Instruction Set Architecture.
Согласно проведенным Дэвидом Паттерсоном и Джоном Хеннеси исследованиям (исследовались языки С, Pascal: операции, операнды и последовательность их выполнения) в типичной программе:
1. Большинство ссылок – скалярные переменные (в основном – локальные).
2. Больше всего времени занимают вызов подпрограмм (и возврат из них) и условные переходы.
Для улучшения эффективности было решено упростить архитектуру компьютера – так появилась RISC-архитектура. Концепции:
- выполнение по крайней мере, 75% команд за один машинный цикл;
- устройство управления с «жесткой» логикой;
- стандартная однословная длина всех команд:
= равна естественной длине слова и ширине шины данных;
= допускает унифицированную поточную обработку всех команд;
- малое число команд (не более 128);
- малое количество форматов команд (не более 4);
- малое число способов адресации (не более 4; отсутствие косвенной адресации памяти);
- доступ к памяти только посредством команд «Чтение» и «Запись»;
- все команды, за исключением «Чтения» и «Записи», используют внутрипроцессорные межрегистровые пересылки;
- относительно большой (не менее 32) процессорный файл РОНов (в современных микропроцессорах превышает 500).