Лекция 14 Конвейерная организация микропроцессора
Цели лекции:
Изучение принципов конвейерной организации работы микропроцессоров, влияния конфликтов на работу конвейера и способов уменьшения этого влияния.
Конвейерная организация работы микропроцессора
Выполнение каждой команды складывается из ряда последовательных этапов, 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:
1) IF ( INsTRuction Fetch ) - считывание команды в процессор;
2) ID ( INsTRuction DecodINg ) - декодирование команды;
3) OR ( Operand ReadINg ) - считывание операндов;
4) EX ( ExecutINg ) - выполнение команды;
5) WB ( Write Back ) - запись результата.
Выполнение команд в таком конвейере представлено втаблице 14.1
|
|
|
Таблица 14.1 - Порядок выполнения команд в пяти-ступенчатом конвейре
| 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 | ||||
Оценка производительности идеального конвейера
Поскольку в каждом такте могут выполняться различные стадии обработки команд, длительность такта выбирается исходя из максимального времени выполнения всех стадий. Кроме того, следует учитывать, что для передачи команды с одной стадии обработки на другую требуется дополнительное время ( t), связанное с записью промежуточных результатов обработки в буферные регистры.
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 t = 5 единиц, получим время такта:
Оценим время выполнения одной команды и некоторой группы команд при последовательной и конвейерной обработке.
При последовательной обработке время выполнения N команд составит:
|
|
|
Анализ таблицы 14.1 показывает, что при конвейерной обработке после того, как получен результат выполнения первой команды, результат очередной команды появляется в следующем такте работы процессора. Следовательно:
Примеры длительности выполнения некоторого количества команд при последовательной и конвейерной обработке приведены в таблице 14.2
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 за рассматриваемый период команд. Сокращение длительности такта может достигаться разбиением выполнения команды на большое число этапов, каждый из которых включает в себя относительно простые операции и поэтому будет выполняться за более короткий промежуток времени. Так, если в микропроцессоре Pentiumдлина конвейера составляла 5 ступеней (при максимальной тактовой частоте 200 МГц), то в процессорах Pentium 4 на ядре Northwood длина конвейера составляла 20 ступеней, а на ядре Prescott она увеличена до 31 ступени при максимальной тактовой частоте 3,8 ГГц.
|
|
|
Таблица 14.2 - Оценка эффективности конвейерной обработки
| Количество команд | Время | |
| при последовательном выполнении | при конвейерном выполнении | |
| 1 | 100 | 150 |
| 2 | 200 | 180 |
| 10 | 1000 | 420 |
| 100 | 10000 | 3120 |
Значительное преимущество конвейерной обработки перед последовательной имеет место в идеальном конвейере, в котором отсутствуют конфликты и все команды выполняются друг за другом в установившемся режиме, то есть без перезагрузки конвейера. Наличие конфликтов в конвейере и его перезагрузки снижают реальную производительность конвейера по сравнению с идеальным случаем.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 327; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!