Конвейерные ЭВМ.

Как мы уже говорили, современные ЭВМ могут одновременно выполнять несколько команд, для этого они должны иметь несколько центральных процессоров, либо центральный процессор такого компьютера строится по так называемой конвейерной (pipeline) архитектуре. Рассмотрим схему работы таких конвейерных ЭВМ.

Выполнение каждой команды любым центральным процессором можно разбить на несколько шагов. Можно выделить следующие основные шаги выполнения команды.

· Выбор команды из оперативной памяти (или кэша) на регистр команд.

· Определение кода операции (так называемое декодирование команды).

· Вычисление исполнительных адресов операндов.

· Выбор операндов из оперативной памяти (или кэша) на регистры арифметико-логического устройства.

· Выполнение требуемой операции (сложение, умножение, сдвиг и т.д.) над операндами на регистрах арифметико-логического устройства.

· Запись результата операции и выработка флагов.

В конвейерных ЭВМ центральный процессор состоит из нескольких блоков, каждый из которых выполняет один из перечисленных выше шагов команды. Теперь понятно, что эти блоки можно заставить работать параллельно, обеспечивая, таким образом, одновременное выполнение центральным процессором нескольких последовательных команд программы. На рис. 15.1 приведена схема работы центрального процессора конвейерной ЭВМ, направление движения команд на конвейере показано толстой стрелкой. Одновременно на нашем конвейере находится шесть команд.

Вот теперь мы достигли соответствия скорости работы центрального процессора и памяти. Действительно, предположим для простоты, что каждое из шести устройств на конвейере выполняет свой этап обработки команды за 1 нс, тогда каждая команда выполняется за 6 нс и за это время она успевает произвести все необходимые обмены командами и данными с памятью. В то же время, как мы уже отмечали, скорость выполнения потока команд центральным процессором получается в 6 раз больше за счёт работы конвейера.

Разумеется, не всё обстоит так хорошо, как кажется с первого взгляда. Первая неприятность поджидает нас, если одна из следующих команд использует результат работы предыдущей команды, а это случается очень часто по самой сути вычислительных алгоритмов. Например, пусть есть фрагмент программы:

add al,[bx]

sub X,al

inc bx

inc di

Для второй команды этого фрагмента нельзя выполнять операцию вычитания, пока первая команда фрагмента не запишет в al свой результат, т.е. не сойдёт с конвейера. Таким образом, вторая команды будет задержана на третьей позиции конвейера (на четвёртой позиции уже надо читать операнд al, а от ещё не готов). Вместе со второй командой из нашего примера остановится и выполнение следующих за ней команд и на конвейере образуются два "пустых места". Ясно, что скорость выполнения всей программы может при этом сильно упасть. Зная такую особенность работы конвейера центрального процессора "умный" компилятор может изменить порядок команд в машинной программе, получив, например, такой эквивалентный фрагмент: [86]

add al,[bx]

inc bx

inc di

sub X,al

Здесь, как легко увидеть, конвейер уже не быдет пустовать. Другая неприятность случается, когда на конвейер поступает команда условного перехода. Будет ли после выполнения этой команды производится переход, или же продолжится последовательное выполнение команд, выяснится только тогда, когда команда условного перехода сойдёт с конвейера. Так спрашивается, из какой же ветви программы выбирать на конвейер следующую команду?

Обычно при конструировании конвейера принимается какое-либо одно из двух решений. Во-первых, можно выбирать команды из наиболее вероятной ветви условного оператора (например, очевидно, что для команды цикла loop повторение тела цикла значительно более вероятно, чем выход из цикла). Во-вторых, можно поочерёдно выбирать на конвейер команды из обеих ветвей (разумеется, в этом случае половина команд будет выполняться зря и их "недоделанными" придётся выбросить с конвейера).

Далее, как мы уже отмечали ранее, конвейер весьма болезненно реагирует на прерывания, так как при этом производится автоматическое переключение на другую программу и конвейер приходится ощищать от частично выполненных команд предыдущей программы.[87]

На этом мы закончим наше краткое знакомство с архитектурными особенностями современных ЭВМ и перейдём к сравнению между собой ЭВМ разных классов.