Конвейерные процессоры

Принципы совместимости операций предложил академик Лебедев в 1956 году.

Время цикла Т_пр=t₁+t₂+t₃+t₄+t₅ (1), где t₁ – выборка команды; t₂ – формирование исполнительных адресов; t₃ – выборка операндов; t₄ – выполнение операции и запись результата; t₅ – обработка прерываний.

Если все операции выполняются последовательно на одном операционном автомате, то Т_{команды}=åt_i (1), где i=1..5 для нашего случая. Производительность W_к=1/T_k=1/åt_i (2). Анализируя выражения 1 и 2 : аппаратные затраты невысоки за счет высокой совместимости узлов процессора.

Лебедевым был предложен принцип совместимости когда он использовал несколько ОА. Например, в машине М20 использовалось 5 ОА.

Последовательность выполнения микроопераций:

1 1 - - - -

2 2 1 - - -

3 3 2 1 - -

4 4 3 2 1 -

5 5 4 3 2 1

Начиная с пятого такта процессор обрабатывает одновременно 5 команд. Для каждой команды время выполнения - t_i . Производительность повышается примерно в 5 раз, но в общем случае t_i¹t_j (i¹j). Возникает проблема синхронизации.

Различают два типа конвейеров:

1) Синхронный конвейер. Т_цикла=max t_i (3),где i=1..5, при этом возникают различные ситуации:

А) t_i+t_j>T_ц (4). Если данное условие не выполняется, то данные микропрограммы i и j объединяются и реализуются на одном ОА.

В) Когда t_p>>t_i+t_i (4’), тогда t_p делится на t_p1 и t_p2 и реализуется на разных ОА.

Выражения 4 и 4’ обеспечивают сокращение времени простоя при постоянном цикле. Главная задача выровнять t_i. Производительность из-за простоев уменьшается и значительно.

2) Асинхронные конвейерные ОА.

Каждый уровень конвейера содержит триггер готовности и триггер занятости. Триггер занятости(Т_з) устанавливается в 1 если он занят обработкой текущей микропрограммы и не может принять информацию предыдущего уровня. Триггер готовности (Т_г) устанавливается в 1 если обработка, выполнение микропрограммы закончена и готов передать данные в ОА следующего уровня. Тогда условия передачи информации с одного уровня на другой можно показать так: T_г(i)=1;Т_з(i+1)=0.

Широко применяются конвейеры с асинхронным способом передачи. Данные режим получил название «Квитирование» – запрос с подтверждением.