81. Прерывания: фаза прерывания, поток данных, классы прерываний.

Фаза прерывания

Прерывания – механизм, с помощью которого другие модули могут прервать нормальный процесс выполнения программы пользователя.

Фаза прерывания может* следовать после фазы выполнения команды, перед началом следующего цикла.

Последовательность действий:

1. сохранение текущего состояния процесса;

2. переход к процедуре обслуживания прерывания.

*Если прерывания разрешены и имеется запрос прерывания.

Классы прерываний

Программные – исключительные ситуации при выполнении команд (арифметическое переполнение, деление на нуль, попытка выполнения команды с несуществующим кодом операции, обращения по адресу, выходящему за пределы физического адресного пространства компьютера, и т.п.).

Аппаратные – генерируются специальными средствами контроля работоспособности аппаратуры при обнаружении сбоев (пропадание питания, ошибка контроля памяти по четности и т.п.).

Ввода-вывода – генерируются контроллером ввода-вывода (завершение текущей операции ввода-вывода, возникновение ошибки процедуры ввода-вывода).

Прерывная по таймеру – генерируются таймером процессора и используются ОС для переходов в многозадачном режиме.

Поток данных в цикле прерывания

В ПС вместо текущего адреса прерванной программы загружается начальный адрес подпрограммы обработки прерывания.

Текущее содержимое ПС сохраняется (в стеке), что позволяет в дальнейшем возобновить выполнение прерванной программы с той же точки.

82. Арифметический конвейер: назначение, принципы реализации. Понятие суперковейера.

Синоним: магистральный конвейер.

В устройствах, выполняющих содержательную обработку информации (АЛУ).

Магистральные конвейерные линии могут быть:

• в нескольких экземплярах в одном процессоре;

• ориентированы (каждая) на определенные операции с данными.

Пример арифметического конвейера

Конвейер с дополнительными функциональными устройствами

Функциональное устройство	Задержка	Скорость повторения
Целочисленный блок	1	1
Блок сложения с ПТ	4	2
Блок умножения	6	3
Блок деления	15	15

Конвейер с дополнительными функциональными устройствами

Проблемы «длинного» конвейера

• структурные конфликты (выдача команд приостанавливается):

  • устройства не являются полностью конвейерными;

  • устройства имеют разные времена выполнения (количество записей в регистровый файл в каждом такте может быть больше 1);

• конфликты WAW (т.к. команды больше не поступают на ступень WB в порядке их выдачи для выполнения); конфликты типа WAR невозможны (чтение регистров осуществляется на ступени ID);

• проблемы с реализацией прерываний (команды могут завершаться не в том порядке, в котором они поступали).

Временная диаграмма синхронного конвейера (k = 5)

Команда	Такты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
MULTD F0,F4,F6	IF	ID	EX11	EX12	EX13	EX21	EX22	EX23	MA	WB
. . .		IF	ID	EX	MA	WB
ADDD F2,F4,F6			IF	ID	EX11	EX12	EX21	EX22	MA	WB
. . .				IF	ID	EX	MA	WB
. . .					IF	ID	EX	MA	WB
LD F8,0(R2)						IF	ID	EX	MA	WB

Суперконвейер

Общие сведения

Superpipeline (1988 г.).

Увеличение количества ступеней конвейера путем:

• добавления новых ступеней;

• дробления имеющихся ступеней на несколько простых подступеней.

Основные требования:

• возможность реализации операции в каждой подступени наиболее простыми техническими средствами (с минимальными затратами времени);

• одинаковость задержки во всех подступенях.

Практическая реализация

Первая реализация – процессор MIPS R4000 (1991 г.):

(MIPS – Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages (микропроцессор без блокировок в конвейере))

• разбиение этапов выборки команды и выборки операнда;

• введение в конвейер дополнительного этапа проверки тега.

Микропроцессор	Кол-во ступеней
MIPS R4400	8
UltraSPARC I	9
Pentium III	10
Itanium	10
UltraSPARC III	14
Pentium 4	20

Недостатки суперконвейера

• усугубление проблем, характерных для любого конвейера:

  • возрастает вероятность конфликтов;

  • высокий штраф за ошибку предсказания перехода;

• усложнение логики взаимодействия ступеней конвейера.