Представление о работе конвейера
Время в тактах
СС1 СС2 СС3 СС4 СС5 СС6 СС7 СС8
П
IM
REG
REG
DM
АЛУ
IM
REG
REG
DM
АЛУ
IM
REG
REG
DM
АЛУ
IM
REG
REG
DM
АЛУ
о
р
я
д
о
к
в
ы
п
о
л
н
е
н
и
я
к
о
м
а
н
д
Рис. 4.7.
Таблица 4.2.
Диаграмма работы простейшего конвейера
Номер команды |
Номер такта |
||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Команда i |
IF |
ID |
EX |
MEM |
WB |
|
|
|
|
Команда i+1 |
|
IF |
ID |
EX |
MEM |
WB |
|
|
|
Команда i+2 |
|
|
IF |
ID |
EX |
MEM |
WB |
|
|
Команда i+3 |
|
|
|
IF |
ID |
EX |
MEM |
WB |
|
Команда i+4 |
|
|
|
|
IF |
ID |
EX |
MEM |
WB |
В качестве примера рассмотрим неконвейерную машину с пятью этапами выполнения операций, которые имеют длительность 50, 50, 60, 50 и 50 нс соответственно. Пусть накладные расходы на организацию конвейерной обработки составляют 5 нс. Тогда среднее время выполнения команды в неконвейерной машине будет равно 260 нс. Если же используется конвейерная организация, длительность такта будет равна длительности самого медленного этапа обработки плюс накладные расходы, т.е. 65 нс. Это время соответствует среднему времени выполнения команды в конвейере. Таким образом, ускорение, полученное в результате конвейеризации, будет равно:
Среднее время выполнения команды в неконвейерном режиме - 260
= 4
Среднее время выполнения команды в конвейерном режиме - 65
Конвейеризация эффективна только тогда, когда загрузка конвейера близка к полной, а скорость подачи новых команд и операндов соответствует максимальной производительности конвейера. Если произойдет задержка, то параллельно будет выполняться меньше операций и суммарная производительность снизится. Такие задержки могут возникать в результате возникновения конфликтных ситуаций.
При реализации конвейерной обработки возникают ситуации, которые препятствуют выполнению очередной команды из потока команд в предназначенном для нее такте. Такие ситуации называются конфликтами. Конфликты снижают реальную производительность конвейера, которая могла бы быть достигнута в идеальном случае. Существуют три класса конфликтов:
Структурные конфликты, которые возникают из-за конфликтов по ресурсам, когда аппаратные средства не могут поддерживать все возможные комбинации команд в режиме одновременного выполнения с совмещением.
Конфликты по данным, возникающие в случае, когда выполнение одной команды зависит от результата выполнения предыдущей команды.
Конфликты по управлению, которые возникают при конвейеризации команд переходов и других команд, которые изменяют значение счетчика команд.
Конфликты в конвейере приводят к необходимости приостановки выполнения команд (pipeline stall). Обычно в простейших конвейерах, если приостанавливается какая-либо команда, то все следующие за ней команды также приостанавливаются. Команды, предшествующие приостановленной, могут продолжать выполняться, но во время приостановки не выбирается ни одна новая команда.