Конвейер команд. Конвейеризация — способ обеспечения параллельности выполнения команд

Подробности

Родительская категория: Процессор

Категория: Конвейер команд

Первым шагом на пути обеспечения параллельности уровня команд явилось создание конвейера команд. Идея конвейера команд была предложена в 1956 году С.А. Лебедевым. Команда подразделяется на несколько этапов, каждый из которых выполняется своей частью аппаратуры, причем, эти части могут работать параллельно. Если на выполнение каждого этапа расходуется одинаковое время (один такт), то на выходе процессора в каждый такт появляется результат очередной команды. Производительность при этом возрастает благодаря тому, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняется несколько команд. Конвейерная обработка такого рода широко применяется во всех современных быстродействующих процессорах. Количество этапов, на которые конструкторы разбивают выполнение процессорной команды, может быть различным (в разных моделях процессоров х86 колеблется от 2 i8088 до 20 Pentium IV).

Конвейеризация — способ обеспечения параллельности выполнения команд

Выполнение типичной команды можно разделить на следующие этапы:

• выборка команды — IF (по адресу, заданному счетчиком команд, из памяти извлекается команда);
• декодирование команды / выборка операндов из регистров — ID;
• выполнение операции / вычисление эффективного адреса памяти — EX;
• обращение к памяти — MEM;
• запоминание результата — WB.
   

В зависимости от типа команды и способа адресации, время выполнения команды сильно варьируется. Дольше всего выполняются этапы, связанные с обращением к памяти. На рисунках показаны блоки и конвейер команд гипотетического процессора, имеющего пять блоков исполнения команд и соответственно пять этапов (ступеней). Изображены выполняемые команды, номера тактов и этапы выполнения команд. На первом такте считывается первая команда. На втором, пока декодируется первая команда, считывается вторая. На пятом такте в процессоре одновременно находятся пять команд, каждая в своем узле.

Блоки прохождения команды в процессоре

Пятиступенчатая схема конвейера

Конвейеризация увеличивает пропускную способность процессора (количество команд, завершающихся в единицу времени), но она не сокращает время выполнения отдельной команды. Имеются некоторые накладные расходы на конвейеризацию, возникающие в результате несбалансированности задержки на каждой его ступени. Частота синхронизации (такт синхронизации) не может быть выше, чем время, необходимое для работы наиболее медленной ступени конвейера. Конвейер не всегда представляет собой линейную цепочку этапов. В ряде ситуаций оказывается выгодным, когда функциональные блоки соединены между собой не последовательно, а в соответствии с логикой обработки. Отдельные блоки в цепочке могут пропускаться, а другие — образовывать циклические процедуры. Это позволяет с помощью одного конвейера вычислять более одной функции.

Поток команд — естественная последовательность команд, проходящая по конвейеру процессора. Процессор может поддерживать несколько потоков команд (суперпроцессоры 5 и 6 поколения), если для каждого потока и каждого этапа есть исполнительные элементы.

Суперконвейер команд — разбиение каждой ступени на подступени при одновременном увеличении тактовой частоты внутри конвейера; включение в состав процессора многих конвейеров, работающих с перекрытием. Дробление ступеней позволяет поднять тактовые частоты процессора. К суперконвейерным относятся процессоры, в которых число ступеней больше шести (см. таблицу).

Суперконвейер

Cуперконвейер ведет не только к увеличению скорости вычислений, но и к возникновению дополнительных сложностей. Возрастает вероятность конфликтов. Дороже встает ошибка предсказания перехода — приходится сбрасывать весь длинный конвейер, на что требуется дополнительное время. Усложняется логика взаимодействия ступеней. Однако за счет использования новых архитектур удается справиться с большинством проблем. При рассмотрении современных процессоров будут описаны новые идеи: исполнения команд с изменением последовательности, переименования регистров, спекулятивного исполнения и другие.