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

Лекция 2. Основы конвейерной работы МП.

В структуре современных МП применяются в основном линейные конвейеры , каскады которых последовательно соединены для обработки  фиксированной функции потока данных. Такие конвейеры применяются для выполнения команд, арифметических  вычислений и обращения к ЗУ.

С точки зрения управления потоком данных модели линейных конвейеров м.б, асинхронные и синхронные. В асинхронных моделях управление потоком производится протоколом «рукопожатия» по принципу «запрос готовности»-«готов», что характерно для управления коммуникационными каналами.

В синхронных моделях применяются синхронные автоматы с памятью , которые по сигналу тактового генератора переключают все ступени одновременно. Обрабатывающие ступени конвейеров содержат комбинированную логику  и имеют время задержки приблизительно равное задержке ступени. Задержка  ступеней определяется  периодом частоты синхронизации и это ,в свою очередь, определяет общую скорость конвейеров.

Тактирование и управление временными задержками.

t - период тактирования конвейера;

t i- время задержки прохождения одной ступени -Si

d-время прохождения автомата с памятью.

Тогда максимальная задержка работы ступени t m

k

tm=max { tj} +d= tm+d                                            (1)

                  1

Обычно t m>>d ,  т.е. время обработки ступеней значит.> в сравнении с задержкой на элементе ЗУ и буферных схемах.

            L1                        S1                 L2                                      Sk

синх.                                                                                

          d                  t

                                                                                          f

Это предполагает, что макс. Задержка tm доминирует над периодом тактирования.

Максимальная частота переключения ступени :

f=1/t                      (2)

Если выдается выходной результат каждый момент времени с частотой тактирования -f, то очевидно эта величина представляет собой максимальную производительность идеального конвейера. Конечно же для  реального конвейера производительность будет всегда меньше в силу ряда обстоятельств: простоев отдельных ступеней конвейера, из-за невозможности выполнения смежных команд вследствие взаимозависимостей по  данным, перезагрузки конвейера из-за ошибочного предсказания ветвлений и т.д.

Факторы ускорения производительности конвейеров.

В идеальном случае линейный конвейер состоит из «к» ступеней и может обрабатывать «n» задач (команд) с тактированием к+(n-1), где «к»- циклов необходимо для окончания первой задачи и (n-1) -остальных задач.      

Общее время необходимое для обработки:

Tk=[k+(n-1)] t      (3)          , где t- период тактирования в сравнении с обычным не конвейерным процессором, решающим «n» -задач:

T1= nkt          (4)

Фактор ускорения «к» линейного конвейера по отношению к не конвейерному :

Sk= T1/Tk=nkt/ kt+(n-1) t= nk/k+(n-1)  (5)

Как следует из выражения (5) ,максимум  ускорения конвейера достигается  при   n® ¥   и равно:

Sk®k

Однако реальное ускорение ,как уже указывалось, трудно достижимо из-за зависимости команд по данным, ветвлений, прерываний и других факторов, ограничивающих значение выражения (5).

На рис.    показан фактор ускорения в зависимости от количества -n

задач (команд)

Sk     Фактор ускорения

10      _ _ _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ k=10

8        _                                                k=10

6        _  _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ k=6

4        _                                                k=6

2        -¨            I      I      I       I       I       I      I      I      I      i

1     2     4    8     16    32    64  128 256  512         n к-во операц.

Рис.

Как видно из рис.      увеличение  количества ступеней -к увеличивает фактор ускорения. Однако, реальное количество ступеней не может увеличиваться беспредельно из-за  ограничений на сложность архитектуры и управление ею, технологии и плотность упаковки СБИС и , как следствие, увеличение стоимости производства.

Длина n- количество операций также влияет на фактор ускорения, т.к. на большем количестве операций производится «разгон» конвейера, т.е. складывается фактор усреднения на «длинном» конвейере.

Оптимальное число ступеней конвейера.

При рассмотрении  ступеней конвейера самая малая его градация называется «микроконвейером». Она образуется делением ступени конвейера на уровень логических схем. На практике количество ступеней микроконвейера лежит в пределах      2£К £15.