Конвейерная организация работы микропроцессора

Выполнение каждой команды складывается из ряда последовательных этапов, суть которых не меняется от команды к команде. С целью увеличения быстродействия процессора и максимального использования всех его возможностей в современных микропроцессорах используется конвейерный принцип обработки информации. Этот принцип подразумевает, что в каждый момент времени процессор работает над различными стадиями выполнения нескольких команд, причем на выполнение каждой стадии выделяются отдельные аппаратные ресурсы. По очередному тактовому импульсу каждая команда в конвейере продвигается на следующую стадию обработки, выполненная команда покидает конвейер, а новая поступает в него.

В различных процессорах количество и суть этапов различаются.

Рассмотрим принципы конвейерной обработки информации на примере пятиступенчатого конвейера, в котором выполнение команды складывается из следующих этапов:

1. IF ( INsTRuction Fetch ) - считывание команды в процессор;
2. ID ( INsTRuction DecodINg ) - декодирование команды;
3. OR ( Operand ReadINg ) - считывание операндов;
4. EX ( ExecutINg ) - выполнение команды;
5. WB ( Write Back ) - запись результата.

Выполнение команд в таком конвейере представлено в табл. 9.1.

Оценка производительности идеального конвейера

Поскольку в каждом такте могут выполняться различные стадии обработки команд, длительность такта выбирается исходя из максимального времени выполнения всех стадий. Кроме того, следует учитывать, что для передачи команды с одной стадии обработки на другую требуется дополнительное время ( t), связанное с записью промежуточных результатов обработки в буферные регистры.

Пусть для выполнения отдельных стадий обработки требуются следующие затраты времени (в некоторых условных единицах):

TIF = 20, TID = 15, TOR = 20, TEX = 25, TWB = 20.

Тогда, предполагая, что дополнительные расходы времени составляют t = 5 единиц, получим время такта:

Оценим время выполнения одной команды и некоторой группы команд при последовательной и конвейерной обработке.

При последовательной обработке время выполнения N команд составит:

Анализ табл. 9.1 п показывает, что при конвейерной обработке после того, как получен результат выполнения первой команды, результат очередной команды появляется в следующем такте работы процессора. Следовательно:

Примеры длительности выполнения некоторого количества команд при последовательной и конвейерной обработке приведены в табл. 9.2.

Очевидно, что при достаточно длительной работе конвейера его быстродействие будет существенно превышать быстродействие, достигаемое при последовательной обработке команд. Это увеличение будет тем больше, чем меньше длительность такта конвейера и чем больше количество выполненных за рассматриваемый период команд. Сокращение длительности такта может достигаться разбиением выполнения команды на большое число этапов, каждый из которых включает в себя относительно простые операции и поэтому будет выполняться за более короткий промежуток времени. Так, если в микропроцессоре Pentium длина конвейера составляла 5 ступеней (при максимальной тактовой частоте 200 МГц), то в процессорах Pentium 4 на ядре Northwood длина конвейера составляла 20 ступеней, а на ядре Prescott она увеличена до 31 ступени при максимальной тактовой частоте 3,8 ГГц.

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