ПРИНЦИП ОРГАНИЗАЦИИ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ НА ПРИМЕРЕ ПЯТИСТУПЕНЧАТОГО КОНВЕЙЕРА

На сегодняшний день конвейерная обработка информации занимает одно из центральных мест в вычислительной технике. В самом деле все современные ЭВМ используют данных подход в обработке информации. Преимущества данного принципа заключаются в достижении высокой производительности систем, главным образом благодаря тому, что процессор выполняет не одну команду, а сразу несколько.

Теперь более подробно рассмотрим принцип конвейерной обработки данных. В его основе (если рассматривать самый простой вариант) лежит разбиение одной большой заведомо сложной функции на более мелкие функции, которые в дальнейшем будем называть ступенями. Для каждой такой ступени выделяется отдельный блок в аппаратуре ЭВМ.

Производительность такой организации обработки данных возрастает в основном за счет того, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняются сразу несколько команд. Конвейерный поход в обработки информации широко применяется во всех современных быстродействующих процессорах, таких как Pentium Intel Core i7, AMD A10. Но длина такого конвейера может составлять 20-30 ступеней, в зависимости от типа выполняемой программы и тактовой частоты процессора. [4]

Выполнение же типичной (простой) команды можно разделить на следующие этапы, которые состоят из 5 ступеней:

H1 –считывание команды в процессор (выборка команды);

H2 – декодирование команды (определение КОП и типа операндов);

H3 – считывание операндов (определение местонахождения операндов и вызов их из регистров);

H4 – выполнение команды;

H5 – запись результата.

Выполнение команд в таком конвейере представлено в таблице 1.

Таблица 1

Порядок выполнения команд в 5-ступенчатом конвейере

Из таблицы видно, что при увеличении команды на n-единиц, ступени смещаются ровно на столько же тактов.

Далее рассмотрим производительность идеального конвейера. [3, 5]

Очевидно, что в каждом такте выполняются разные этапы обработки команд, соответственно время такта будет вычисляться путем максимального выполнения всех этапов. К тому же, нужно учесть, что для перехода команды от одного этапа обработки к другому так же требуется время, связанное с хранением промежуточных результатов обработки в регистры буфера.

Допустим, для выполнения отдельных этапов обработки потребуются следующие затраты времени (в некоторых условных единицах):

T_H1 =20; T_H2 =15; T_H3 =20; T_H4 =25; T_H5 =20;

Тогда, предполагая, что дополнительные время составляет t = 5 единиц, вычислим время такта (1):

T = max {T_H1 =20, T_H2 =15, T_H3 =20, T_H4 =25, T_H5 =20} + Δt = 30;                       (1)

Теперь проанализируем время выполнения одной команды и некоторой группы команд при последовательной и конвейерной обработке данных.

При последовательной обработке время выполнения N команд будет следующим (2):

T_посл = N × (T_H1 + T_H2 + T_H3 + T_H4 + T_H5) = 100N;                                                   (2)

Из анализа таблицы 1 следует, что при конвейерной обработке после того, как получен результат выполнения первой команды, то результат очередной команды появляется в следующем такте работы процессора. Таким образом, время при конвейерной обработке N команд будет вычисляться следующей формулой (3):

T_конв = 5T + (N-1) × T;                                                                                             (3)

Бесспорно, что при определенно длительной работе, быстродействие конвейера будет значительно превышать быстродействие, которое достигается при последовательной обработке команд. Это увеличение будет тем больше, чем меньше длительность такта конвейера и чем больше количество выполненных за исследуемый период команд. Уменьшение длительности такта может достигаться разделением выполнения команды на большое число этапов, каждый из которых включает в себя сравнительно простые операции и поэтому будет выполняться за более короткий промежуток времени.

Длительность обработки некоторого количества команд (1, 2, 5, 10, 100, 1000) при последовательном и конвейерном выполнении представлена в таблице 2.

Таблица 2 

Оценка эффективности конвейерной обработки

Несмотря на достоинства конвейерной обработки команд, в ней часто возникают ошибки (конфликты), которые замедляют и блокируют выполнение очередной команды в предназначенном для нее такте. Такие конфликты могут быть вызваны по разным причинам, но в целом их можно отнести к структурным. [1, 2]

В результате проведенного анализа принципа конвейерной обработки данных, была получена следующая концептуальная модель, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1 – Концептуальная схема системы с конвейерной обработкой данных

S–задания, поступающие на обработку.

Q₁, Q₂, Q₃, … , Q_n , Q_n+1 , … , Q_N – очереди заданий, поступающих на обработку.

T₁^об±T₁^об, T₂^об±T₂^об, T_п^об±T_п^об, … , T_N^об±T_N^об – единица условного времени, затраченная на обработку 1, 2, … , N-го задания.

P₁±p₁, P₂±p₂, P_п±p_п, … - страницы, на которые увеличивается объем задания на выходе 1, 2, …, N-го процессоров.

R – задания, которые обработались.

Таким образом, конвейерная обработка способствует улучшению в использовании аппаратных ресурсов для определенного набора процессов, каждый из которых применяет данные ресурсы заранее предусмотренным методом.

Список литературы:

1. Архитектура микропроцессоров. Конвейерная организация работы микропроцессора – [Электронный ресурс] – Режим доступа: URL: http://www.intuit.ru/studies/courses (Дата обращения: 10.07.2016)

2. Архитектура ЭВМ – [Электронный ресурс] – Режим доступа: URL: http://rushkolnik.ru/docs/336/index-807195.html?page=11#2 (Дата обращения: 13.07.2016)

3. Конвейерная обработка данных. Суперскаляризация – [Электронный ресурс] – Режим доступа: URL: https://sites.google.com/site/arhitekturaevm1/razdel-2-arhitektura-i-struktura-vycislitelnyh-masin-i-sistem/4-konvejernaa-obrabotka-komand-superskalarizacia (Дата обращения: 12.07.2016)

4. Основы организации вычислительных систем. Конвейерная организация – [Электронный ресурс] – Режим доступа: URL: http://www.lcard.ru/~nail/database/skbd/glava_7.htm (Дата обращения: 10.07.2016)

5. СИЗИТ. Оценка производительности идеального конвейера – [Электронный ресурс] – Режим доступа: URL: http://www.xsieit.ru/download/computer_organization/lectures/11.html (Дата обращения: 10.07.2016)