Реклама

Наш канал:

Таненбаум Э.- Архитектура компьютера. стр.227

К сожалению, мы наткнулись на преграду в цикле 3. Прекрасно было бы начать микрокоманду swap3, но эта микрокоманда сначала пропускает значение MDR через АЛУ, а значение MDR не может быть получено из памяти до начала цикла 5. Ситуация, когда следующий микрошаг не может начаться, потому что перед этим нужно получить результат выполнения предыдущего микрошага, называется реальной взаимозависимостью, или RAW-взаимозависимостью (Read After Write — чтение после записи). Взаимозависимости иногда называют рисками.

В такой ситуации требуется считать значение регистра, которое еще не записано. Единственное разумное решение в данном случае — отложить начало микрокоманды swap3 до того момента, когда значение MDR станет доступным, то есть до пятого цикла. Ожидание нужного значения называется простоем. После этого мы можем начинать выполнение микрокоманд в каждом цикле, поскольку таких ситуаций больше не возникает, хотя имеется пограничная ситуация: микрокоманда swap6 считывает значение регистра Н в цикле, который следует сразу после записи этого регистра в микрокоманде swap3. Если бы значение этого регистра считывалось в микрокоманде swap5, машине пришлось бы простаивать один цикл.

Хотя программа Mic-З требует больше циклов, чем программа Mic-2, она работает гораздо быстрее. Если время цикла микроархитектуры Mic-З составляет AT не, то для выполнения команды SWAP машине Mic-З требуется 11 AT не, а машине Mic-2 — 6 циклов по ЗАТ не каждый, то есть всего 18АТ не. Конвейеризация увеличивает быстродействие компьютера даже несмотря на то, что один раз приходится простаивать из-за явления реальной взаимозависимости.

Конвейеризация является ключевой технологией во всех современных процессорах, поэтому важно хорошо в ней разбираться. На рис. 4.22 графически проиллюстрирована конвейеризация тракта данных, изображенного на рис. 4.21. В первой колонке показано, что происходит во время цикла 1, вторая колонка представляет цикл 2 и т. д. (предполагается, что простоев нет). Закрашенная область на рисунке для цикла 1 и команды 1 означает, что блок выборки команд занят вызовом команды 1. В цикле 2 значения регистров, вызванных командой 1, загружаются в А и В, а в это время блок выборки команд занимается вызовом команды 2, что также показано закрашенными серыми прямоугольниками.

Во время цикла 3 команда 1 использует АЛУ и схему сдвига, регистры А и В загружаются для команды 2, вызывается команда 3. Наконец, во время цикла 4 работают все 4 команды одновременно. Сохраняются результаты выполнения команды 1, АЛУ выполняет вычисления для команды 2, регистры А и В загружаются для команды 3, вызывается команда 4.

Если бы мы показали цикл 5 и следующие, модель была бы точно такой же, как в цикле 4: все четыре части тракта данных работали бы независимо друг от друга. Данный конвейер содержит 4 ступени: для вызова команд, для доступа к операндам, для работы АЛУ и для записи результата обратно в регистры. Он похож на конвейер, изображенный на рис. 2.3, я, только у него отсутствует ступень декодирования (расшифровки). Здесь важно подчеркнуть, что, хотя выполнение одной команды занимает 4 цикла, в каждом цикле начинается новая команда и завершается предыдущая.