Организация микропроцессорных систем. Учебное пособие. Могнонов П.Б. - 95 стр.

      Для снижения влияния узкого места, каким является в фон-неймановской архитектуре
общая шина памяти, разработчики перспективных МП вводят в их состав конвейерный
механизм и кэш – память.
                         5.2.2.1. Принцип организации конвейера

       В основе повышения производительности вычислительных систем, как отмечалось
ранее, лежат методы проектирования известные под общим названием совмещение операции
(принцип параллельной обработки), при котором аппаратные средства системы в любой
момент времени выполняют одновременно более одной базовой операции. Этот общий
метод включает два понятия: параллелизм и конвейеризация. Эти два термина отражают два
различных подхода. При параллелизме совмещение достигают путем воспроизведения
нескольких или многих копий аппаратной структуры. Высокая производительность
достигается за счет одновременной работы всех элементов структуры, осуществляющих
решение различных частей задачи.
       Конвейеризация основана на расщепление функции на более мелкие части,
называемые ступенями, и выделении для каждой из них отдельного блока аппаратуры.
Команды и данные перемещаются по ступеням конвейера со скоростью, которая зависит не
от его длины (числа ступеней), а только от скорости, с которой новые объекты могут
подаваться на вход конвейера. Эта скорость в свою очередь, определяется временем
прохождения самой медленной ступени конвейера. В конвейере в каждый момент времени
одновременно работают все ступени, производящие обработку различных объектов,
образующих один поток данных. Такое совмещенное во времени использование различных
ступеней многими объектами часто называют перекрытием.
       В общем, оценка производительности конвейера определяется следующим образом.
Если некоторая функция при реализации ее на не конвейерном процессоре может быть
выполнена за 1 такт и если эта функция может быть разбита на некоторые ступени, то
конвейер, спроектированный для повторяющегося выполнения той же функции, может
выполнять ее за 1       тактов, что дает N-кратное увеличение производительности. В
                    N
реальности ограничения, накладываемые на достижение максимальной скорости, связаны
как с аппаратными средствами, так и с самой функцией. Однако, несмотря на эти
ограничения, резкое повышение производительности конвейера все же возможно, и оно
регулярно достигается в реальных системах.
       Современные перспективные МП широко используют принцип совмещения
операций, в которых базовые операции (система команд) охватывают исполнение команд на
машинном уровне и достигают значительного перекрытия при функционировании
процессора и процессора ввода-вывода. Они проектируются как иерархические, где каждая
ступень одного уровня конвейеризации проектируется как конвейер.
       Конвейеризация часто применяется в качестве поддержки в машинах класса ОКОД и
ОКМД, так как современные МП строятся на базе архитектуры ОКОД, то в них заложен
механизм конвейера. Конвейерный механизм для этого класса машин реализуется на основе
анализа процесса исполнения машинных команд. Несмотря на разнообразие типов команд,
процесс исполнения типовой команды (сложение, загрузка и т.п.) можно разбить на
следующие основные этапы:
       1) выборка команды (ВЫБК);
       2) декодирование команды (ДЕКОД);
       3) определение адреса операнда (ВЫЧА);
       4) выборка операнда (ВЫБО);
       5) собственно выполнение (ВЫП);
       6) запоминание результата (СОХР);
       7) завершение операции (КОНОП).