Конвейрная и суперскалярная обработка

 

Разработчики архитектуры компьютеров издавна прибегали к методам проектирования, известным под общим названием "совмещение операций", при котором аппаратура компьютера в любой момент времени выполняет одновременно более одной базовой операции. Этот общий метод включает два понятия: параллелизм и конвейеризацию. Хотя у них много общего и их зачастую трудно различать на практике, эти термины отражают два совершенно различных подхода. При параллелизме совмещение операций достигается путем воспроизведения в нескольких копиях аппаратной структуры. Высокая производительность достигается за счет одновременной работы всех элементов структур, осуществляющих решение различных частей задачи.

Конвейеризация (или конвейерная обработка) в общем случае основана на разделении подлежащей исполнению функции на более мелкие части, называемые ступенями, и выделении для каждой из них отдельного блока аппаратуры. Так обработку любой машинной команды можно разделить на несколько этапов (несколько ступеней), организовав передачу данных от одного этапа к следующему. При этом конвейерную обработку можно использовать для совмещения этапов выполнения разных команд. Производительность при этом возрастает благодаря тому, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняются несколько команд. Конвейерная обработка такого рода широко применяется во всех современных быстродействующих процессорах.

Конвейеризация увеличивает пропускную способность процессора (количество команд, завершающихся в единицу времени), но она не сокращает время выполнения отдельной команды. В действительности, она даже несколько увеличивает время выполнения каждой команды из-за накладных расходов, связанных с управлением регистровыми станциями. Однако увеличение пропускной способности означает, что программа будет выполняться быстрее по сравнению с простой неконвейерной схемой.

Принципы управления внешними устройствами. Понятие интерфейса ввода-вывода

Производительность ЭВМ определяется:

1) Возможностями процессора (МГц) 2) емкостью ОЗУ

3) техническими данными устройств периферии 4) способом организации взаимодействия устройств с ЭВМ.

Особенности, которые надо учесть при разработке УВВ:

1) Возможность реализации машин с переменным составом оборудования

2) Возможность одновременной работы процессора по заданной программе и выполнения перифириыйными устройствами процедур ввода-вывода.

3) Необходимость упростить операции ввода-вывода

4) Обеспечение возможности автоматического распознавания ситуаций в перифирийных устройствах.

Три вида средств для обеспечения интерфейса:

1) специальные управляющие сигналы и их последовательности

2) устройства сопряжения

3) физическая среда передачи данных (каналы связи)

4) программы, реализующие обмен данными.

Интерфейс – комплекс линий и шин, сигналов, электр. схем, алгоритмов и программ.

Типы интерфейсов

 

Деление в зависимости от типов соединяющих устройств. Различают:

1) внутренний интерфейс (системная шина, и т.п.)

2) интерфейс ввода-вывода (сопряжение с внешними устройствами)

3) интерфейсы межмашинного обмена (вычислительные сети)

4) интерфейса человек-машина.

 

Управление обменом данными

Классифицируется на основе участия ЦП в обмене.

Три способа управления обменом:

1) режим сканирования/асинхронный обмен

2) синхронный обмен

3) прямой доступ к памяти (DMA или ПДП)

1. Асинхронный режим. Суть: Опрос ЦП-ом перифирийного устройства. Такой режим снижает производительность ЭВМ. При большом быстродействии перифирийного устройства процессор может не успеть организовать обмен данными.

2. Синхронный режим. Процессор выполняет основную роль по организации обмена. Но когда устройство занято, то он выполняет другие операции. При наступлении сбоя – вызов прерывания.

3. DMA. Установка связи и передача данных между основной памятью и внешними устройствами – контроллер прямого доступа к памяти. Программирование DMA-контроллера: 1) В него передаются адреса основной памяти и количество передаваемых данных

2) ЦП от DMA-контроллера отключается, и может выполнять другую работу

3) Об окончании обмена контроллер сообщает процессору.

ПДП обеспечивает выполнение следующих функций: 1) освобождение процессора от управления операциями ввода-выводаю 2) позволяет параллельно организовать выполнение программы и ввод-вывод.