Метрики эффективности конвейеров

Для того чтобы оценить эффект, достигаемый за счет конвейеризации вычисле­ний, обычно используют три метрики; ускорение, эффективность и производитель­ность.

Под ускорением понимается отношение времени обработки без конвейера и при его наличии. Теоретически наилучшее время обработки входного потока из N зна­чений T_NK на конвейере с К ступенями и тактовым периодом Т_к можно определить выражением

 

T_NK = (K + (N – 1))T_K.

 

Формула отражает тот факт, что до появления на выходе конвейера результата обработки первого элемента должно пройти К тактов, а последующие результаты будут следовать в каждом такте.

В процессоре без конвейера общее время выполнения составляет NKT_K. Таким образом, ускорение вычислений S за счет конвейеризации вычислений можно опи­сать формулой

 

При ускорение стремится к величине, равной количеству ступеней в конвейере.

Еще одной метрикой, характеризующей конвейерный процессор, является эффективность Е — доля ускорения, приходящаяся на одну ступень конвейера:

 

 

В качестве третьей метрики часто выступает пропускная способность или произ­водительность Р — эффективность, делённая на длительность тактового периода:

 

 

При эффективность стремится к единице, а производительность — к частоте тактирования конвейера:

 

1. Аккумуляторная архитектура системных команд.

Архитектура на базе аккумулятора исторически возникла одной из первых. В ней для хранения одного из операндов арифметической или логической операции 1 в процессоре имеется выделенный регистр — аккумулятор. В этот же регистр заносится и результат операции. Поскольку адрес одного из операндов предопределен, в командах обработки достаточно явно указать местоположение только второго операнда. Изначально оба операнда хранятся в основной памяти, и до выполнения операции один из них нужно загрузить в аккумулятор. После выполнения команды обработки результат находится в аккумуляторе и, если он не является операндом для последующей команды, его требуется сохранить в ячейке памяти.

Типичная архитектура ВМ на базе аккумулятора показана на рис. 26.

Для загрузки в аккумулятор содержимого ячейки х предусмотрена команда загрузки load x. По этой, команде информация считывается из ячейки памяти х, выход памяти подключается к входам аккумулятора и происходит занесение считанных данных в аккумулятор.

Запись содержимого аккумулятора в ячейку х осуществляется командой сохранения store х, при выполнении которой выходы аккумулятора подключаются к шине, после чего информация с шины записывается в память.

Для выполнения операции в АЛУ производится считывание одного из операндов из памяти в регистр данных. Второй операнд находится в аккумуляторе. Выходы регистра данных и аккумулятора подключаются к соответствующим входам АЛУ. По окончании предписанной операции результат с выхода АЛУ заносится в аккумулятор.

Достоинствами аккумуляторной АСК можно считать короткие команды и простоту декодирования команд. Однако наличие всего одного регистра порождает многократные обращения к основной памяти.

Рис. 26. Архитектура вычислительной машины на базе аккумулятора

 

АСК на базе аккумулятора была популярна в ранних ВМ, таких, например, как IBM 7090, DEC PDP-8, MOS 6502.

 

2. Основные направления в архитектуре процессоров. Нелинейные конвейеры.

Нелинейные конвейеры

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, при этом одни бло­ки в цепочке могут пропускаться, а другие — образовывать циклические структуры. Это позволяет с помощью одного и того же конвейера одновременно вычислять более одной функции, однако если эти функции конфликтуют между собой, то такой конвейер трудно загрузить полностью. Структура нелинейного конвейера, одновременно вычисляющего две функции X и Y, приведена па рис.47. Там же показана последовательность, в которой функциями X и Y востребуются те или иные функциональные блоки.

 

Рис.51. Нелинейный конвейер

 

Чтобы определить, когда пора приступать к повторному вычислению той или иной функции, необходимо построить диаграмму однократной реализации этой функции и отследить по ней моменты, когда такой запуск не приведет к конфликту, связанному с одновременным обращением к одному и тому же функциональ­ному блоку.

Так, в ходе реализации функции X запуск очередного ее вычисления возможен после 1,3 и 6 тактов. Запуск параллельного вычисления функции Y возможен после 2 и 4 тактов. При запуске функции Y очередной ее запуск позволен после тактов 1, 3 и 5, а параллельный запуск функции X допустим после 2 и 4 тактов.

 

 

1. Основные направления в архитектуре процессоров. Конвейер команд

 

Конвейер команд

Идея конвейера команд была предложена в 1956 году академиком С. А. Лебеде­вым. Как известно, цикл команды представляет собой последовательность этапов. Возложив реализацию каждого из них на самостоятельное устройство и последо­вательно соединив такие устройства, мы получим классическую схему конвейера команд. Для иллюстрации воспользуемся примером. Выде­лим в цикле команды шесть этапов:

1. Выборка команды (ВК). Чтение очередной команды из памяти и занесение ее в регистр команды.

2. Декодирование команды (ДК). Определение кода операции и способов адреса­ции операндов.

3. Вычисление адресов операндов (ВА). Вычисление исполнительных адресов каждого из операндов в соответствии с указанным в команде способом их адре­сации.

4. Выборка операндов (ВО). Извлечение операндов из памяти. Эта операция не нужна для операндов, находящихся в регистрах.

5. Исполнение команды (ИК). Исполнение указанной операции.

6. Запись результата (ЗР). Занесение результата в память.

Рис. 52. Логика работы конвейера команд

 

На рис. 52 показан конвейер с шестью ступенями, соответствующими шести этапам цикла команды. В диаграмме предполагается, что каждая команда обяза­тельно проходит все шесть ступеней, хотя этот случай не совсем типичен. Так, команда загрузки регистра не требует этапа ЗР. Кроме- того, здесь принято, что все |тапы могут выполняться одновременно. Без конвейеризации выполнение девяти Команд заняло бы 9 х 6 = 54 единицы времени. Использование конвейера позволяет сократить время обработки до 14 единиц. Конфликты в конвейере команд

Полученное в примере число 14 характеризует лишь потенциальную производи­тельность конвейера команд. На практике в силу возникающих в конвейере конф­ликтных ситуаций достичь такой производительности не удается. Конфликтные ситуации в конвейере принято обозначать термином риск (hazard), а обусловлены они могут быть тремя причинами:

· попыткой нескольких команд одновременно обратиться к одному и тому же ресурсу ВМ (структурный риск);

· взаимосвязью команд по данным (риск по данным);

· неоднозначностью при выборке следующей команды в случае команд перехода (риск по управлению).

 

 

2. Построение однородно структурированных, континуальных вычислительных и управляющих сред. Нейронные вычислительные системы.