Основы конвейерной работы МП. Тактирование и управление временными задержками. Время прохождения автомата с памятью, страница 4

2.  Так как результат в регистре R4 после выполнения I4 может влиять на операнд в регистре R4, используемый командой I3, мы имеем обратную зависимость I3 ®   I4 (antidependence).

3. Поскольку обе команды I5 и I6 изменяют содержимое регистра R6 и он является одним из операндов для I6, мы имеем обе зависимости от потока и выходного результата  I5 ®   I6  и I5 ®  I6.

Таким образом, для корректной работы конвейеров эти зависимости не должны нарушать синхронной их работы, что обычно входит в функции контроля данных компилятором, который вырабатывает корректное расписание для работы этих конвейеров.

Блокировки конвейеров.

Блокировки снижают производительность конвейеров, нарушая их ритмичную работу и снижая общую производительность МП.

Основные причины блокировок: зависимость по данным и конфликт ресурсов исполнительных устройств.

На рис.  показаны состояния конвейеров в зависимости от причины конфликтов. На рис. а) слева отсутствие зависимости по данным, справа

I1 ® I2. Команда I2 должна ждать два цикла до перехода к циклу выполнения. Аналогично это может оказать влияние и на команду I4.

На рис.   б) показан эффект задержки , вызванный командой I2 (ветвление). Слот задержки (щель) составляет 4 цикла и образуется в результате исполнения ветвления команды I5 на 5-ом цикле. Однако, оба конвейера  простаивают до тех пор пока команды с целевым адресом ветвления не появится на 6-ом цикле. В данном конкретном случае команда ветвления  не выполнена.

На рис.  показаны комбинация проблем конфликтов по данным и ресурсам. Команды I1 и I2 нуждаются в том же самом исполнительном устройстве, а выполнение I4- зависит от данных I2 (I2®I4).

Особенности конвейеров суперконвейерных МП.

Работа конвейеров суперконвейерных в отличие от суперскалярных МП делают упор на временной параллелизм работы, выполнение множественных операций на одних и тех же операционных элементах, глубокую конвейеризацию с быстрыми циклами шины и многофазным тактированием.

Суперконвейерные МП со степенью «n » имеют цикл конвейера 1/n  от базового цикла работы. В сравнении со скалярными МП, выполняющим  операцию сложения за один цикл, такая же операция в суперконвейерном МП займет «n» коротких циклов. Например, при n=3

временной цикл такого МП будет равен 1/3 базового цикла.

Производительность суперконвейерного МП.

Минимально необходимое время для выполнения N команд в суперконвейерном МП со степенью «n» и с «К» ступенчатым конвейером равна:

             базовый цикл скалярного МП

        -базовый цикл суперконвейерного МП

Потенциальное ускорение суперконвейерного МП в сравнении с базовым МП:

  = ==(  )

При N:       n , т.е. фактор производительности увеличивается пропорционально «n».Однако, реально производительность таких конвейеров ограничивается сложностью  их управления и реально «n» редко превышает величину три.

В качестве  примера организации конвейера суперконвейерного процессора рассмотрим МП R4000 фирмы MIPS. Семейство процессоров MIPS представляет пример конвейеров RISC МП ,имеющих хорошо оптимизированные ступени с минимальными блокировками.

Комбинированные суперскалярные, суперконвейерные МП.

Максимальный рост производительности МП часто связан с комбинированным применением двух типов архитектуры. В этом случае добиваются как хорошо оптимизированных по времени работы конвейеров, так и пространственный параллелизм работы множественных исполнительных устройств суперскалярной архитектуры.

Фактор производительности для данного типа конвейеров

Определяется как минимальное время , необходимое для выполнения N- независимых команд для машины со степенью параллелизма-«m,n»:

    - базовый цикл  (   )

Ускорение, в сравнением с базовой машиной равно:

  (  )

При N: предел скорости составляет величину

На рис.     показана работа идеального конвейера для суперскалярной, суперконвейерные архитектуры МП с

n=m=3.

FDEW

 

   

                

Рис.               Работа конвейера

                                                                      суперперконвейерного МП

с n=3

0  1 2  4  5 6 7                                             время в базовых циклах

 

Примерами процессоров, использующих комбинированные суперскалярную, суперконвейерную архитектуры, являются МП

Фирм MIPS- R8000-R10000, Alpha AXP 21026  и др.