Конвейер команд

независимые шаги. Обрабатывающее устройство, прежде выполнявшее эти шаги, разделяется на

отдельные, действующие согласованно блоки, каждый и которых выполняет один из шагов.
Вводятся специальные буферные запоминающие устройства в качестве посредников между блоками. Это позволяет блоку, закончившему свой шаг, передать результаты в буфер и приступить к следующему заданию.

в единицу времени), но она не сокращает время выполнения отдельной

команды. Имеются некоторые накладные расходы на конвейеризацию, возникающие в результате несбалансированности задержки на каждой его ступени. Частота синхронизации (такт синхронизации) не может быть выше, чем время, необходимое для работы наиболее медленной ступени конвейера. Конвейер не всегда представляет собой линейную цепочку этапов. В ряде ситуаций оказывается выгодным, когда функциональные блоки соединены между собой не последовательно, а в соответствии с логикой обработки. Отдельные блоки в цепочке могут пропускаться, а другие - образовывать циклические процедуры. Это позволяет с помощью одного конвейера вычислять более одной функции.

Процессор может поддерживать несколько потоков команд (суперпроцессоры 5 и 6

поколения), если для каждого потока и каждого этапа есть исполнительные элементы.
Суперконвейер команд - разбиение каждой ступени на подступени при одновременном увеличении тактовой частоты внутри конвейера; включение в состав процессора многих конвейеров, работающих с перекрытием. Дробление ступеней позволяет поднять тактовые частоты процессора. К суперконвейерным относятся процессоры, в которых число ступеней больше шести (см. таблицу).

к возникновению дополнительных сложностей. Возрастает вероятность конфликтов. Дороже встает ошибка

предсказания перехода - приходится сбрасывать весь длинный конвейер, на что требуется дополнительное время. Усложняется логика взаимодействия ступеней. Однако за счет использования новых архитектур удается справиться с большинством проблем.

за один такт
Конфликт по ресурсам
Явный конфликт по данным
Скрытый конфликт по

данным (побочные эффекты)

и тогда одна команда задерживает все остальные.

(нужной команды не оказалось в кэше)

команды выполняется в течение трёх тактов… В конвейере образуется «пузырь»
Задержка

на втором шаге

время. Умножение, а тем более деление требуют нескольких тактов. «Пузырь»

продвигается сверху вниз.

Задержка на третьем шаге

кэш памяти.
Очень полезное усовершенствование конвейера – увеличение размеров буфера и

организация в нём очереди команд. Устройство F, может не считаться с тем, что следующее устройство ещё не закончило работу и не освободило буфер. F вызывает следующую команду и записывает её в конец очереди – упреждающая выборка.

системой команд, в которой все операции выполняются за равное число

тактов (RISC-процессоры) или процессоров с RISC-ядром.

доступ ко всем регистрам происходит через один общий порт
Меры по

уменьшению:
Введение раздельных кэшей данных и команд
В процессорах с двумя портами регистров можно одновременно обращаться к двум регистрам
Расслоение памяти создаёт возможность одновременного обращения к ячейкам из разных блоков.

последовательное выполнение команд, при котором сначала должна производиться запись, а

потом – чтение. Конвейер подвёл

предотвратить их.
Существует два приёма предотвращения конфликтов по данным:
Изменение следования команд

на такой, при котором команды, имеющие зависимость по данным, не стоят рядом.
Вставляет между зависимыми командами одну или более команд NOP – не делающие ничего.
После двух команд NOP команда 2 (шаг D4), будет выбирать данные, уже записанные на шаге W1. Этот приём приводит к задержке конвейера на два такта. На две команды удлиняется программа (затраты памяти).

конвейера.
«Пузырь»

2. Устройство D на на третьем такте начинает обрабатывать вторую

команду – дешифровать её, формировать адреса и извлекать операнды (D2Н), однако закончить свою работу не может, пока один из операндов не будет записан в память – пока не закончится W1. Поэтому на тракте 4 устройство D простаивает и лишь на 5 заканчивает работу (D2k). Это вызывает появление «пузыря» в команде 3 и задержку остальных команд на 2 такта.

буфер В3, но и в буфер В2, где он на

следующем такте будет использован устройством Е.

без явного указания адреса.
Может возникнуть скрытый конфликт по данным. Обычно

«запись после чтения» или «запись после записи». Они возникают в многоступенчатых конвейерах.
Для предотвращения:
Отказаться от команд с автоинкрементом/декрементом
Отказаться от сложных способов адресации
Ввести в команды специальный признак, разрешающий запись в регистр флагов

конвейера, чем конфликты по данным. Когда выполняется команда условного перехода,

она может либо изменить, либо не изменить значение счетчика команд. Если команда условного перехода заменяет счетчик команд значением адреса, вычисленного в команде, то переход называется выполняемым; в противном случае, он называется невыполняемым

как только обнаружена команда условного перехода до тех пор, пока

она не достигнет ступени конвейера, которая вычисляет новое значение счетчика команд. Такие приостановки конвейера из-за конфликтов по управлению должны реализовываться иначе, чем при остановки из-за конфликтов по данным, поскольку выборка команды, следующей за командой условного перехода, должна быть выполнена как можно быстрее, как только мы узнаем окончательное направление команды условного перехода.

2, или N.

После 4 выясняется надо ли 5, 6 или N, N+1.

Если переход не произойдёт, - конвейер не потеряет такты, произойдёт – потеряет 3 такта. Уже начавшиеся выполнятся команды 2, 3, 4 из ковейера удаляются.
В более простых вариантах процессора используется технология «отложенного перехода». 2,3,4 – не удаляются (слоты задержки перехода), и за правильность отвечает компилятор. Далее как и в случае конфликтов по данным.
В длинных конвейерах слотов задержки больше.

целевой адрес передаётся непосредственно в указатель команд.
Передача адреса перехода в

указатель команд

перехода вычисляется в D. В случае безусловного перехода целевой адрес

передаётся уже из D, вследствие чего теряется только один такт.

Конвейер при безусловном переходе

составе буфер адресов перехода (Branch Target Buffer, BTB). Это небольшая

кэш-память, хранящая таблицу последних переходов вида:

Устройство F, прежде чем выбрать команду, ищет её адрес в левой части таблицы и, если находит, выбирает команду по адресу из правой части таблицы. Это позволяет для 4-х ступенчатого контейнера вообще не терять ни одного такта.
В (Branch Target Instruction Cache) –BTIC хранятся хранятся и команды из этих адресов.

ветвей алгоритма. Для этого дублируется часть устройств конвейера.
Память
. . .
Начало
конвейера
Ветвь

1

. . .

Ветвь 2

. . .

Окончание конвейера

Ковейер с параллельными ветвями

ветвь. Одновременно в первой – следующие за командой перехода. Команды,

пришедшие в первой, выталкиваются в общую часть контейнера.
F- вызов команды
D- декодирование команды
Общая часть:

O- вызов операндов
E- вычисление
W- запись результата

они попадают в одну из ветвей и конвейер останавливается ,

пока не решится вопрос с первой командой.