Конвейерная организация работы процессора

Конфликты в конвейере и способы минимизации их влияния на производительность процессора

Значительное преимущество конвейерной обработки перед последовательной имеет место в идеальном конвейере, в котором отсутствуют конфликты и все команды выполняются друг за другом без перезагрузки конвейера. Наличие конфликтов снижает реальную производительность конвейера по сравнению с идеальным случаем.

Конфликты - это такие ситуации в конвейерной обработке, которые препятствуют выполнению очередной команды в предназначенном для нее такте.

Конфликты делятся на три группы:

• структурные,
• по управлению,
• по данным.

Структурные конфликты возникают в том случае, когда аппаратные средства процессора не могут поддерживать все возможные комбинации команд в режиме одновременного выполнения с совмещением.

Причины структурных конфликтов.

1. Не полностью конвейерная структура процессора, при которой некоторые ступени отдельных команд выполняются более одного такта.

   Пусть этап выполнения команды i+1 занимает 3 такта. Тогда диаграмма работы конвейера будет иметь вид, представленный в табл. 11.3.

   Таблица 11.3.

   Команда	Такт
   	1	2	3	4	5	6	7	8	9
   i	IF	ID	OR	EX	WB
   i+1		IF	ID	OR	EX	EX	EX	WB
   i+2			IF	ID	OR	O	O	EX	WB
   i+3				IF	ID	OR	O	O	EX
   i+4					IF	ID	OR	O	O

   При этом в работе конвейера возникают так называемые "пузыри" (обработка команд i+2 и следующих за ней, начиная с такта 6), которые снижают производительность процессора.

   Эту ситуацию можно было бы ликвидировать двумя способами. Первый предполагает увеличение времени такта до такой величины, которая позволила бы все этапы любой команды выполнять за один такт. Однако при этом существенно снижается эффект конвейерной обработки, так как все этапы всех команд будут выполняться значительно дольше, в то время как обычно нескольких тактов требует выполнение лишь отдельных этапов очень небольшого количества команд. Второй способ предполагает использование таких аппаратных решений, которые позволили бы значительно снизить затраты времени на выполнение данного этапа (например, использовать матричные схемы умножения). Но это приведет к усложнению схемы процессора и невозможности реализации на этой БИС других, функционально более важных, узлов. Так как представленная в табл. 11.3 ситуация возникает при реализации команд, относительно редко встречающихся в программе, то обычно разработчики процессоров ищут компромисс между увеличением длительности такта и усложнением того или иного устройства процессора.

2. Недостаточное дублирование некоторых ресурсов.

   Одним из типичных примеров служит конфликт из-за доступа к запоминающим устройствам. Из табл. 11.1 видно, что в случае, когда операнды и команды находятся в одном запоминающем устройстве, начиная с такта 3, работу конвейера придется постоянно приостанавливать, поскольку различные команды в одном и том же такте обращаются к памяти на считывание команды, выборку операнда, запись результата.

   Борьба с конфликтами такого рода проводится путем увеличения количества однотипных функциональных устройств, которые могут одновременно выполнять одни и те же или схожие функции. Например, в современных микропроцессорах обычно разделяют кэш-память для хранения команд и кэш-память данных, а также используют многопортовую схему доступа к регистровой памяти, при которой к регистрам можно одновременно обращаться по одному каналу для записи, а по другому - для считывания информации. Конфликты из-за исполнительных устройств обычно сглаживаются введением в состав микропроцессора дополнительных блоков. Так, в микропроцессоре Pentium-4 предусмотрено 4 АЛУ для обработки целочисленных данных. Процессоры, имеющие в своем составе более одного конвейера, называются суперскалярными.

   Недостатком суперскалярных микропроцессоров является необходимость синхронного продвижения команд в каждом из конвейеров. В табл. 11.4 представлена последовательность выполнения команд в микропроцессоре, имеющем два конвейера, при условии, что команде К1 требуется 3 такта на этапе EX.

   Таблица 11.4.

   Этап	Такт
   	1		2		3		4		5		6		7
   IF	K1	K2	K3	K4	K5	K6	K7	K8	K7	K9	K7	K10	K11	K12
   ID			K1	K2	K3	K4	K5	K6	K5	K8	K5	K9	K7	K10
   OR					K1	K2	K3	K4	K3	K6	K3	K8	K5	K9
   EX							K1	K2	K1	K4	K1	K6	K3	K8
   WB										K2		K4	K1	K6

   При этом команды будут завершаться в последовательности

   К2-К4-К1-К6-...

   Следовательно, для обеспечения правильной работы суперскалярного микропроцессора при возникновении затора в одном из конвейеров должны приостанавливать свою работу и другие. В противном случае может нарушиться исходный порядок завершения команд программы. Но такие приостановки существенно снижают быстродействие процессора. Разрешение этой ситуации состоит в том, чтобы дать возможность выполняться командам в одном конвейере вне зависимости от ситуации в других конвейерах. Это приводит к неупорядоченному выполнению команд. При этом команды, стоящие в программе позже, могут завершиться ранее команд, стоящих впереди. Аппаратные средства микропроцессора должны гарантировать, что результаты выполненных команд будут записаны в приемник в том порядке, в котором команды записаны в программе. Для этого в микропроцессоре результаты этапа выполнения команды обычно сохраняются в специальном буфере восстановления последовательности команд. Запись результата очередной команды из этого буфера в приемник результата проводится лишь после того, как выполнены все предшествующие команды и записаны их результаты.

   Конфликты по управлению возникают при конвейеризации команд переходов и других команд, изменяющих значение счетчика команд.

   Суть конфликтов этой группы наиболее удобно проиллюстрировать на примере команд условного перехода. Пусть в программе, представленной в табл. 11.1, команда i+1 является командой условного перехода, формирующей адрес следующей команды в зависимости от результата выполнения команды i. Команда i завершит свое выполнение в такте 5. В то же время команда условного перехода уже в такте 3 должна прочитать необходимые ей признаки, чтобы правильно сформировать адрес следующей команды. Если конвейер имеет большую глубину (например, 20 ступеней), то промежуток времени между формированием признака результата и тактом, где он анализируется, может быть еще большим. В инженерных задачах примерно каждая шестая команда является командой условного перехода, поэтому приостановки конвейера при выполнении команд переходов до определения истинного направления перехода существенно скажутся на производительности процессора.

   Наиболее эффективным методом снижения потерь от конфликтов по управлению служит предсказание переходов. Суть данного метода заключается в том, что при выполнении команды условного перехода специальный блок микропроцессора определяет наиболее вероятное направление перехода, не дожидаясь формирования признаков, на основании анализа которых этот переход реализуется. Процессор начинает выбирать из памяти и выполнять команды по предсказанной ветви программы (так называемое исполнение по предположению, или "спекулятивное" исполнение). Однако так как направление перехода может быть предсказано неверно, то получаемые результаты с целью обеспечения возможности их аннулирования не записываются в память или регистры (то есть для них не выполняется этап WB ), а накапливаются в специальном буфере результатов.

   Если после формирования анализируемых признаков оказалось, что направление перехода выбрано верно, все полученные результаты переписываются из буфера по месту назначения, а выполнение программы продолжается в обычном порядке. Если направление перехода предсказано неверно, то буфер результатов очищается. Также очищается и конвейер, содержащий команды, находящиеся на разных этапах обработки, следующие за командой условного перехода. При этом аннулируются результаты всех уже выполненных этапов этих команд. Конвейер начинает загружаться с первой команды другой ветви программы. Так как конвейерная обработка эффективна при большом числе последовательно выполненных команд, то перезагрузка конвейера приводит к значительным потерям производительности. Поэтому вопросам эффективного предсказания направления ветвления разработчики всех микропроцессоров уделяют большое внимание.

   Методы предсказания переходов делятся на статические и динамические. При использовании статических методов до выполнения программы для каждой команды условного перехода указывается направление наиболее вероятного ветвления. Это указание делается или программистом с помощью специальных средств, имеющихся в некоторых языках программирования, по опыту выполнения аналогичных программ либо результатам тестового выполнения программы, или программой-компилятором по заложенным в ней алгоритмам.

   Методы динамического прогнозирования учитывают направления переходов, реализовывавшиеся этой командой при выполнении программы. Например, подсчитывается количество переходов, выполненных ранее по тому или иному направлению, и на основании этого определяется направление перехода при следующем выполнении данной команды.

   В современных микропроцессорах вероятность правильного предсказания направления переходов достигает 90-95 %.

Конфликты по данным возникают в случаях, когда выполнение одной команды зависит от результата выполнения предыдущей команды.

При обсуждении этих конфликтов будем предполагать, что команда i предшествует команде j.