Основы вычислительных конвейеров

4. Основы вычислительных конвейеров.

4.1. Введение в архитектурные принципы конвейерных процессоров и ЭВМ.

Повышение скорости обработки информации - самая большая задача вычислительной техники в целом. Главные пути:

-поиск и совершенствование физических элементов, обеспечивающих высокую скорость переключения (в дискретной технике)

-поиск нетрадиционных (недискретных и пр.) методов и технических средств обработки информации (оптических, оптико-магнитных, нейроно-подобных и т.д.)

-совмещение операций на различных уровнях.

Этот последний общий метод включает два подхода: параллелизм и конвейеризация. У них много общего и иногда в конкретных реализациях их бывает трудно разделить. Но в чистом виде эти два термина обозначают два совершенно различных подхода.

При  параллелизме совмещения операций (того или иного уровня) достигается путем воспроизведения (часто наиболее точного) в нескольких или даже многих копиях аппаратных структур.  Высокая производительность достигается за счет одновременной и одинаковой работы всех элементов аппаратуры вычислительной системы, осуществляющей решение частей задачи.

Конвейеризация в общем случае основана на расщеплении подлежащей выполнению функции (того или иного уровня) на более мелкие части, именуемые ступенями (этапами, фазами и т.д.), и выделении для каждой из них отдельного блока аппаратуры.

     Подобно тому, как изделие движется по физическому конвейеру, команды и данные перемещаются по ступеням цифрового конвейера вычислителя со скоростью, которая не зависит от его (конвейера) длины - числа ступеней, этапов, а только от скорости, с которой новые  могут подаваться на вход конвейера.

       Эта скорость определяется, чаще всего, временем, за которое один элемент  может пройти любую ступень, т.е. минимальной задержкой на ступени, выполняющий мелкую часть функции. Но иногда скорость определяется темпом подачи данных на вход конвейера.

Аналогия с физическим конвейером-трубопроводом (фильтрация, добавка компонентов, направление и т.д.)

Если некоторая функция при реализации «в лоб» может быть выполнена за  Т  наносекунд, но может быть разделена на N ступеней, то идеальный конвейер, предусматривающий повторяющиеся выполнения той же функции, может выполнить ее за Т/N наносекунд, т.е. в N раз повысить производительность.

 Отличие реального конвейера от идеального связано с наличием в вычислительной системе помех. Общая суть «помехи» - наличие фактора, связанного с функцией, конструкцией конвейера или его использованием, препятствующего непрерывному поступлению новых данных на вход конвейера с максимально возможной скоростью.  (На ступени конвейера!)

4.1.1. Задачи и проблемы конвейеризации.

Следует оговорить некоторые основные положения, связанные с термином «конвейеризация». Главным образом этот термин относится к методам проектирования, в результате применения которых в вычислительной системе обеспечивается совмещенность действий по вычислению базовых функций за счет разбиения их на подфункции. Вот принципы этой методики:

·  вычисление базовой функции эквивалентно некоторой последовательности вычисления подфункций;

·  величины, являющиеся входными для данной подфункции, являются выходными предшествующей подфункции в цепочке (последовательности) вычисления;

·  никаких других связей кроме обмена данными между подфункциями нет;

·  каждая  подфункция может быть реализована аппаратными блоками;

·  времена, необходимые для реализации аппаратными блоками своих действий, считаются равными.

Аппаратные блоки образуют ступени. Поток данных дискретен (аналогия с разливом жидкости в бутылке). Часто удобно полагать, что каждая ступень суть логическая схема без памяти, но на ее входе и выходе есть память – фиксатор. Дискретные данные перемещаются от ступени к ступени по синхросигналам.