Оценка производительности идеального конвейера

Выполнение каждой команды складывается из ряда последовательных этапов (шагов, стадий), суть которых не меняется от команды к команде. С целью увеличения быстродействия процессора и максимального использования всех его возможностей в современных микропроцессорах используется конвейерный принцип обработки информации. Этот принцип подразумевает, что в каждый момент времени процессор работает над различными стадиями выполнения нескольких команд, причем на выполнение каждой стадии выделяются отдельные аппаратные ресурсы. По очередному тактовому импульсу каждая команда в конвейере продвигается на следующую стадию обработки, выполненная команда покидает конвейер, а новая поступает в него.

В различных процессорах количество и суть этапов различаются. Рассмотрим принципы конвейерной обработки информации на примере пятиступенчатого конвейера, в котором выполнение команды складывается из следующих этапов:

IF (Instruction Fetch) - считывание команды в процессор;

ID (Instruction Decoding) - декодирование команды;

OR (Operand Reading) - считывание операндов;

EX (Executing) - выполнение команды;

WB (Write Back) - запись результата.

Выполнение команд в таком конвейере представлено в таблица 11.1.

Так как в каждом такте могут выполняться различные стадии обработки команд, то длительность такта выбирается исходя из максимального времени выполнения всех стадий. Кроме того, следует учитывать, что для передачи команды с одной стадии на другую требуется определенное дополнительное время (Δt), связанное с записью промежуточных результатов обработки в буферные регистры.

Таблица 11.1. Команда Такт

1 2 3 4 5 6 7 8 9

i IF ID OR EX WB

i+1 IF ID OR EX WB

i+2 IF ID OR EX WB

i+3 IF ID OR EX WB

i+4 IF ID OR EX WB

Пусть для выполнения отдельных стадий обработки требуются следующие затраты времени (в некоторых условных единицах):

TIF = 20, TID = 15, TOR = 20, TEX = 25, TWB = 20.

Тогда, предполагая, что дополнительные расходы времени составляют dt = 5 единиц, получим время такта:

T = max {TIF, TID, TOR, TEX, TWB} + Δt = 30.

Оценим время выполнения одной команды и некоторой группы команд при последовательной и конвейерной обработке.

При последовательной обработке время выполнения N команд составит:

Tпосл = N*(TIF + TID + TOR + TEX + TWB) = 100N.

Анализ таблица 11.1 показывает, что при конвейерной обработке после того, как получен результат выполнения первой команды, результат очередной команды появляется в следующем такте работы процессора. Следовательно,

Tконв = 5T + (N-1) * T.

Примеры длительности выполнения некоторого количества команд при последовательной и конвейерной обработке приведены в таблица 11.2.

Таблица 11.2. Количество команд Время

при последовательном выполнении при конвейерном выполнении

1 100 150

2 200 240

10 1000 420

100 10000 3120

Очевидно, что при достаточно длительной работе конвейера его быстродействие будет существенно превышать быстродействие, достигаемое при последовательной обработке команд. Это увеличение будет тем больше, чем меньше длительность такта конвейера и чем больше количество выполненных команд. Сокращение длительности такта достигается, в частности, разбиением выполнения команды на большое число этапов, каждый из которых включает в себя относительно простые операции и поэтому может выполняться за короткий промежуток времени. Так, если в микропроцессоре Pentium длина конвейера составляла 5 ступеней (при максимальной тактовой частоте 200 МГц), то в Pentium-4 - уже 20 ступеней (при максимальной тактовой частоте на сегодняшний день 3,4 ГГц).

Таблица 11.4. Этап Такт

1 2 3 4 5 6 7

IF K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K7 K9 K7 K10 K11 K12

ID K1 K2 K3 K4 K5 K6 K5 K8 K5 K9 K7 K10

OR K1 K2 K3 K4 K3 K6 K3 K8 K5 K9

EX K1 K2 K1 K4 K1 K6 K3 K8

WB K2 K4 K1 K6

При этом команды будут завершаться в последовательности

К2-К4-К1-К6-...

Следовательно, для обеспечения правильной работы суперскалярного микропроцессора при возникновении затора в одном из конвейеров должны приостанавливать свою работу и другие. В противном случае может нарушиться исходный порядок завершения команд программы. Но такие приостановки существенно снижают быстродействие процессора. Разрешение этой ситуации состоит в том, чтобы дать возможность выполняться командам в одном конвейере вне зависимости от ситуации в других конвейерах. Это приводит к неупорядоченному выполнению команд. При этом команды, стоящие в программе позже, могут завершиться ранее команд, стоящих впереди. Аппаратные средства микропроцессора должны гарантировать, что результаты выполненных команд будут записаны в приемник в том порядке, в котором команды записаны в программе. Для этого в микропроцессоре результаты этапа выполнения команды обычно сохраняются в специальном буфере восстановления последовательности команд. Запись результата очередной команды из этого буфера в приемник результата проводится лишь после того, как выполнены все предшествующие команды и записаны их результаты.

Оценка производительности идеального конвейера

IF (Instruction Fetch) - считывание команды в процессор;

ID (Instruction Decoding) - декодирование команды;

OR (Operand Reading) - считывание операндов;

EX (Executing) - выполнение команды;