Лекция №3
Конвейерные ЭВМ
Для увеличения быстродействия ЭВМ применяют метод совмещения операций, т.е. в каждый момент времени осуществляется более 1 операции.
Реализуется двумя способами:
Параллелизм
Конвейеризация
Параллелизм – совмещение путем воспроизведения в нескольких ?????? ↑ производительности за счет одновременной работы всех элементов структуры.
Конвейеризация – основана на расщеплении выполняемой функции на ступени и выделение для каждой из них отдельного блока аппаратуры.
Скорость передвижения команд не зависит от длины, а зависит от скорости передачи команд.
Ступени
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
|
1 |
2 |
3 |
2
3
Совмещенное во времени использование многих различных ступеней многими объектами называют перекрытием.
Максимальная скорость поступления на конвейер новых объектов зависит только от времени (мах) прохождения ступени и не зависит от числа ступеней.
Если некоторая функция при прямой схеме выполняется за С наносекунд и эта схема может быть разделена на N ступеней, то конвейер, спроектированный для выполнения функции может выполнить ее за C/N наносекунд.
Ограничения на достижимые скорости связаны с аппаратурой и функциями.
Базовые операции, которые могут быть конвейеризованы, - это начиная с арифметических операций с плавающей точкой.
Могут охватывать исполнение команд на машинном уровне и достигать значительного перекрытия при функционировании CPU и процессора I/O.
Системы чаще всего проектируются как иерархические, т.е. каждая ступень является в свою очередь конвейером.
Основная проблема - обнаружение и устранение помех.
Одним из классов процессоров с высоким уровнем совмещения операций является класс векторных процессоров. При работе с ними программист организует наборы данных или векторы, которые обрабатываются как единое целое единичными командами.
Данные на вход ступени поступают дискретно. Поэтому необходимо чтобы между ступенями находились элементы памяти. Этот элемент будет препятствовать преждевременному перескоку данных на следующую ступень, что может привести к ошибочному воздействию на эту ступень до истечения установленного периода обработки.
Т.е. эти элементы памяти предотвращают перескоки, и обеспечивают синхронизацию. Синхроимпульс приводит к тому, что элемент памяти выбирает данные с выхода предыдущей ступени. Эти элементы называются фиксатором или фиксатором ступени.
Конвейеризация может быть:
Синхронная (статическая)
Асинхронная (динамическая)
Синхронная – времена для каждой ступени ≈ равны. Управление жесткое от внешнего источника синхроимпульсов, общего для всех ступеней.
Динамическая - ????: операции I/O – процессор I/O ??????? процессор. Связь осуществляется через общий модуль памяти, т.е. имеем 2 ступени и фиксатор ступени в виде общей памяти.
Разбиение функции динамически изменяется, время непредсказуемо.
|
G1 Зад 1 |
Зад 2 |
Зад 1 |
| |
|
G2 Зад 2 |
Зад 1 |
|
Зад 3 | |
Классификация конвейеров может быть также по их возможностям и фактическому применению
Однофункциональный – вычисление функции только 1 вида. Без изменений вычисляет функцию для любых наборов данных.
Многофункциональный – вычисление многих функций (соединения между ступенями меняются программно)
Многофункцинальные могут классифицироваться по частоте с которой исполняемая функция.
* Если конвейерная система способна лишь редко изменять тип используемой функции, то это конвейер со статической конфигурацией.
Для архитектуры векторного процессора характерно, что 1 команда определяет не только функцию но и вектор данных к которым она должна применяться.
* Динамическая конвееризация. Более частое изменение функций, вплоть до новой функции при каждом новом исполнении.
Возможность управления конвейеризацией закрыта для программиста.
Временные диаграммы
Используется двумерное представление.
Вертикальная ось делится на целое число позиций (ступеней). Горизонтальная – время. Горизонтальная ось разбивается на отрезки или остается непрерывной, если конвейер управляется дискретным датчиком синхроимпульсов или является асинхронным.
Помехи
Помеха определяется структурой или применением конвейера.
Препятствует работе конвейера с MAX скоростью.
Выделяют две категории помех:
- струтурные
- зависящие от данных
Структурные – возникают, когда 2 различных фрагмента данных пытаются использовать одну и ту же ступень одновременно.
Конвейеры со статической конфигурацией программист может точно предсказать где и в каком случае могут возникнуть помехи.
Помехи, зависящие от данных.
Возникают, когда данные, проходящие обработку на 1-й из ступеней, определяют, могут ли данные проходить через другие ступени.
Пример: Использование общей памяти.
Когда на 1-й ступени используется память, то другие ступени вынуждены работать вхолостую.
Эти помехи зависят от режима работы и не поддаются анализу.