Конвейерный процессор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Конвейерный процессор

Выполнил Гущин Александр Сергеевич

студент группы 56-205А

Проверил Нечаев Валентин Иванович

Для объяснения этого понятия введем некоторые определения, поясняющие его смысл.

Конвемйер -- это способ организации вычислений, используемый в современных процессорах и контроллерах с целью ускорения выполнения инструкций (увеличения числа инструкций, выполняемых в единицу времени). Применительно к процессорам, является приемом, используемым при разработке компьютеров и других цифровых электронных устройств для увеличения их инструкционной пропускной способности (количеству инструкций, которые могут быть выполнены за определенный временной промежуток).

Идея заключается в разделении обработки компьютерной инструкции на последовательность независимых стадий(шагов) с сохранением результатов в конце каждой стадии. Это позволяет управляющим цепям процессора получать инструкции со скоростью самой медленной стадии обработки, однако при этом намного быстрее, чем при выполнении эксклюзивной полной обработки каждой инструкции от начала до конца.

Простой пятиуровневый конвейер в RISC-процессорах

На иллюстрации справа показан простой пятиуровневый конвейер в RISC-процессорах. Здесь:

· IF (англ. Instruction Fetch) -- получение инструкции,

· ID (англ. Instruction Decode) -- раскодирование инструкции,

· EX (англ. Execute) -- выполнение,

· MEM (англ. Memory access) -- доступ к памяти,

· WB (англ. Register write back) -- запись в регистр.

Вертикальная ось -- последовательные независимые инструкции, горизонтальная -- время. Зелёная колонка описывает состояние процессора в один момент времени, в ней самая ранняя, верхняя инструкция уже находится в состоянии записи в регистр, а самая последняя, нижняя инструкция -- только в процессе чтения.

Сам термин «конвейер» пришел из промышленности, где используется аналогичный принцип работы -- материал автоматически подтягивается по ленте конвейера к рабочему, который осуществляет с н им необходимые действия, следующий за ним рабочий выполняет свои функции над получившейся заготовкой, следующий делает еще что-то, таким образом, к концу конвейера цепочка рабочих полностью выполняет все поставленные задачи, не срывая, однако, темпов производства.

Считается, что впервые конвейерные вычисления были использованы либо в проекте ILLIAC II (англ.en:ILLIAC II), либо в проекте IBM Stretch (англ. en:IBM Stretch). Проект IBM Stretch предложил термины «получение» (англ. «Fetch»), «расшифровка» (англ. «Decode») и «выполнение» (англ. «Execute»), которые затем стали общеупотребляемыми.

Основу конвейерной обработки составляет раздельное выполнение некоторой операции в несколько этапов (за несколько ступеней) с передачей данных одного этапа следующему. Производительность при этом возрастает благодаря тому, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняются несколько операций. Конвейеризация эффективна только тогда, когда загрузка конвейера близка к полной, а скорость подачи новых операндов соответствует максимальной производительности конвейера. Если происходит задержка, то параллельно будет выполняться меньше операций и суммарная производительность снизится. Векторные операции обеспечивают идеальную возможность полной загрузки.

Тактовый генератор

Многие современные процессоры управляются тактовым генератором. Процессор внутри состоит из логических элементов и ячеек памяти -- триггеров. Когда приходит сигнал от тактового генератора, триггеры приобретают своё новое значение, и «логике» требуется некоторое время для декодирования новых значений. Затем приходит следующий сигнал от тактового генератора, триггеры принимают новые значения, и так далее. Разбивая последовательности логических элементов на более короткие и помещая триггеры между этими короткими последовательностями, уменьшают время, необходимое логике для обработки сигналов. В этом случае длительность одного такта процессора может быть соответственно уменьшена.

Например, простейший конвейер RISC-процессоров можно представить пятью стадиями с наборами триггеров между стадиями:

1. получение инструкции (англ. Instruction Fetch);

2. декодирование инструкции (англ. Instruction Decode) и чтение регистров (англ. Register fetch);

3. выполнение (англ. Execute);

4. доступ к памяти (англ. Memory access);

5. запись в регистр (англ. Register write back).

Конфликт конвейера

При написании кода на языке ассемблера (либо при разработке компилятора, генерирующего последовательность инструкций) делается предположение о том, что выполнение каждой инструкции закончено до начала выполнения следующей инструкции. Использование конвейера сохраняет справедливость этого предположения, однако не обязательно сохраняет порядок выполнения инструкций. Ситуация, когда одновременное выполнение нескольких инструкций может привести к логически некорректной работе конвейера, известна как «конфликт конвейера (англ. pipeline hazard)». Существуют различные методы устранения конфликтов: форвардинг (англ. register forwarding) (иногда называетсяbypass) и другие.

Бесконвейерная архитектура

компьютерный архитектура тактовый конвейерный

Бесконвейерная архитектура значительно менее эффективна из-за меньшей загрузки функциональных модулей процессора в то время, пока один или небольшое число модулей выполняет свою функцию во время обработки инструкций. Конвейер не убирает полностью время простоя модулей в процессорах как таковое и не уменьшает время выполнения каждой конкретной инструкции, но заставляет модули процессора работать параллельно над разными инструкциями, увеличивая тем самым количество инструкций, выполняемых за единицу времени, а значит, и общую производительность программ.

Процессоры с конвейером внутри устроены так, что обработка инструкций разделена на последовательность стадий, предполагая одновременную обработку нескольких инструкций на разных стадиях. Результаты работы каждой из стадий передаются через ячейки памяти на следующую стадию, и так -- до тех пор, пока инструкция не будет выполнена. Подобная организация процессора, при некотором увеличении среднего времени выполнения каждой инструкции, тем не менее, обеспечивает значительный рост производительности за счёт высокой частоты завершения выполнения инструкций.

Не все инструкции являются независимыми. В простейшем конвейере, где обработка инструкции представлена пятью стадиями, для обеспечения полной загрузки, в то время, пока заканчивается обработка первой инструкции, должно обрабатываться параллельно ещё четыре последовательных независимых инструкции. Если последовательность содержит инструкции, зависимые от выполняемых в данный момент, то управляющая логика простейшего конвейера приостанавливает несколько начальных стадий конвейера, помещая этим самым в конвейер пустую инструкцию («пузырёк»), иногда неоднократно, -- до тех пор, пока зависимость не будет разрешена. Существует ряд приёмов, таких, как форвардинг, значительно снижающих необходимость приостанавливать в таких случаях часть конвейера. Однако зависимость между инструкциями, одновременно обрабатываемыми процессором, не позволяет добиться увеличения производительности кратно количеству стадий конвейера в сравнении с бесконвейерным процессором.

Преимущества и недостатки

Конвейер помогает не во всех случаях. Существует несколько возможных минусов. Конвейер инструкций можно назвать «полностью конвейерным», если он может принимать новую инструкцию каждый машинный цикл. Иначе в конвейер должны быть вынужденно вставлены задержки, которые выравнивают конвейер, при этом ухудшат его производительность.

Преимущества:

1. Время цикла процессора уменьшается, таким образом увеличивая скорость обработки инструкций в большинстве случаев.

2. Некоторые комбинационные логические элементы, такие, как сумматоры или умножители, могут быть ускорены путем увеличения количества логических элементов. Использование конвейера может предотвратить ненужное наращивание количества элементов.

Недостатки:

1. Бесконвейерный процессор исполняет только одну инструкцию за раз. Это предотвращает задержки веток инструкций (фактически каждая ветка задерживается), и проблемы, связанные с последовательными инструкциями, которые исполняются параллельно. Следовательно, схема такого процессора проще, и он дешевле для изготовления.

2. Задержка инструкций в бесконвейерном процессоре слегка ниже, чем в конвейерном эквиваленте. Это происходит из-за того, что в конвейерный процессор должны быть добавлены дополнительные триггеры.

3. У бесконвейерного процессора скорость обработки инструкций стабильна. Производительность конвейерного процессора предсказать намного сложнее, и она может значительно различаться в разных программах.

Примеры

Общий конвейер

Общий четырёхуровневых конвейер; цветные квадраты символизируют независимые друг от друга инструкции

Справа изображён общий конвейер с четырьмя стадиями работы:

1. Получение (англ. Fetch)

2. Раскодирование (англ. Decode)

3. Выполнение (англ. Execute)

4. Запись результата (англ. Write-back)

Верхняя серая область -- список инструкций, которые предстоит выполнить. Нижняя серая область -- список инструкций, которые уже были выполнены. И средняя белая область является самим конвейером.

Выполнение происходит следующим образом:

«Пузырёк»

Пузырек в третьем такте обработки задерживает исполнение

Для разрешения конфликтов конвейера процессор вынужден задерживать обработку инструкции путём создания «пузырька» в конвейере. Прохождение пузырька через исполнительные устройства не сопровождается никакой полезной работой. Во втором такте обработка фиолетовой инструкции задерживается, и на стадии декодирования в третьем такте теперь находится пузырёк. Все инструкции, следующие «за» фиолетовой инструкцией, задерживаются на один такт, тогда как инструкции, находящиеся «перед» фиолетовой инструкцией, продолжают исполняться.

Очевидно, что наличие пузырька в конвейере даёт суммарное время исполнения в 8 тактов вместо 7 на схеме исполнения, показанной выше.

Исполнительные устройства должны выполнять какое-то действие на каждом такте. Пузырьки являются способом создания задержки при обработке инструкции без прекращения работы конвейера. При их выполнении не происходит полезной работы на стадиях выборки, декодирования, исполнения и записи результата. Они могут быть выражены при помощи инструкции.

Пример 1

Допустим, типичная инструкция для сложения двух чисел -- это СЛОЖИТЬ A, B, C. Эта инструкция суммирует значения, находящиеся в ячейках памяти A и B, а затем кладет результат в ячейку памяти C. В конвейерном процессоре контроллер может разбить эту операцию на последовательные задачи вида

ЗАГРУЗИТЬ A, R1

ЗАГРУЗИТЬ B, R2

СЛОЖИТЬ R1, R2, R3

ЗАПИСАТЬ R3, C

загрузить следующую инструкцию

Ячейки R1, R2 и R3 являются регистрами процессора. Значения, которые хранятся в ячейках памяти, которые мы называем A и B, загружаются (то есть копируются) в эти регистры, затем суммируются, и результат записывается в ячейку памяти C.

В данном примере конвейер состоит из трех уровней -- загрузки, исполнения и записи. Эти шаги называются, очевидно, уровнями или шагами конвейера.

В бесконвейерном процессоре только один шаг может работать в один момент времени, поэтому инструкция должна полностью закончиться прежде, чем следующая инструкция, в принципе, начнется. В конвейерном процессоре все эти шаги могут выполняться одновременно на разных инструкциях. Поэтому, когда первая инструкция находится на шаге исполнения, вторая инструкция будет на стадии раскодирования, а третья инструкция будет на стадии прочтения.

Конвейер не уменьшает время, которое необходимо для того, чтобы выполнить инструкцию, но зато он увеличивает объём (число) инструкций, которые могут быть выполнены одновременно, и таким образом уменьшает задержку между выполненными инструкциями -- увеличивая т. н. пропускную способность. Чем больше уровней имеет конвейер, тем больше инструкций могут выполняться одновременно и тем меньше задержка между завершенными инструкциями. Каждый микропроцессор, произведенный в наши дни, использует как минимум двухуровневый конвейер.

Пример 2

Теоретический трёхуровневый конвейер:

Псевдоассемблерный листинг, который нужно выполнить:

ЗАГРУЗИТЬ 40, A ; загрузить число 40 в A

КОПИРОВАТЬ A, B ; скопировать A в B

СЛОЖИТЬ 20, B ; добавить 20 к B

ЗАПИСАТЬ B, 0x0300 ; записать B в ячейку памяти 0x0300

Как это будет исполняться:

И так далее. Следует учитывать, что иногда инструкции будут зависеть от итогов других инструкций (например, как наша инструкция КОПИРОВАТЬ). Когда более, чем одна инструкция ссылается на определённое место, читая его (то есть используя в качестве входного операнда) либо записывая в него (то есть используя его в качестве выходного операнда), исполнение инструкций не в порядке, который был изначально запланирован в оригинальной программе, может повлечь за собой «конфликт конвейера (англ. hazard)» (о чём упоминалось выше). Существует несколько зарекомендовавших себя приёмов либо для предотвращения конфликтов, либо для их исправления, если они случились.

Трудности

Множество схем включают в себя конвейеры в 7, 10 или даже 20 уровней (как, например, в процессоре Pentium 4). Поздние ядра Pentium 4 с кодовыми именами Prescott и Cedar Mill (и их Pentium D-производные) имеют 31-уровневый конвейер. Процессор Xelerator X10q имеет конвейер длиной более, чем в тысячу шагов^[6]. Обратной стороной медали в данном случае является необходимость сбрасывать весь конвейер в случае, если ход программы изменился (например, по условному оператору). Эту проблему пытаются решатьпредсказатели переходов. Предсказание переходов само по себе может только усугубить ситуацию, если предсказание производится плохо. В некоторых областях применения, таких, как вычисления на суперкомпьютерах, программы специально пишутся так, чтобы как можно реже использовать условные операторы, поэтому очень длинные конвейеры весьма позитивно скажутся на общей скорости вычислений, так как длинные конвейеры проектируются так, чтобы уменьшить CPI (англ. clocks per instruction, количество тактов на инструкцию). Если ветвление происходит постоянно, перестановка машинных инструкций таким образом, чтобы те инструкции, которые, скорее всего, понадобятся, были размещены в конвейере, может значительно уменьшить потери скорости по сравнению с необходимостью каждый раз полностью сбрасывать конвейер.Некоторые программы могут использоваться для того, чтобы определять, как часто отдельные ветки исполняются на самом деле, используя технологию, известную как анализ покрытия кода (англ. code coverage analysis), хотя на практике подобный анализ является последней мерой при оптимизации.

Высокая пропускная способность конвейеров приводит к уменьшению производительности в случае, если в исполняемом коде содержится много условных переходов: процессор не знает, откуда читать следующую инструкцию, и поэтому вынужден ждать, когда закончится инструкция условного перехода, оставляя за ней пустой конвейер. После того, как ветка будет пройдена и станет известно, куда процессору необходимо переходить в дальнейшем, следующая инструкция должна будет пройти весь путь через конвейер перед тем, как результат становится доступным и процессор снова «работает». В крайнем случае, производительность конвейерного процессора может теоретически упасть до производительности бесконвейерного, или даже быть хуже за счёт того, что будет занят только один уровень конвейера и между уровнями присутствует небольшая задержка.

Если процессор оснащён конвейером, код, читаемый из памяти, не выполняется сразу, а помещается в очередь (очередь предвыборки, prefetch input queue). Если код, содержащийся в памяти, будет изменён, код, содержащийся очереди конвейера, останется прежним. Также не изменятся инструкции, находящиеся в кэше инструкций. Стоит учитывать, что данная проблема характерна только для самомодифицирующихся программ и упаковщиков исполняемых файлов.

Источники

1. Raъl Rojas. The First Computers: History and Architectures. MIT Press, 2002. С. 249. 472 с. I SBN 0-262-68137-4.

2. Harvey G. Cragon. Memory Systems and Pipelined Processors. Jones and Bartlett Learning, 1996. С. 289. 575 с. ISBN 0-86720-474-5.

3. Статья по конвейерам (англ.) на ArsTechnica.

4. Архитектура процессора с противоточным конвейером (англ.).

Влияние длины конвейера. Исследование эффективности ALU и FPU процессоров разных поколений от TestLabs.kz.

Размещено на Allbest.ru