Методы повышения производительности работы процессора

Конвейеризация (конвейер операций)

Повысить производительность процессора можно за счет параллельного выполнения отдельных этапов рабочего цикла команд. Пусть рабочий цикл процессора состоит из К этапов. Тогда при последовательном выполнении этапов продолжительность всех процедур рабочего цикла команды равна:

 — продолжительность i-го этапа Если процессор имеет отдельную аппаратуру для выполнения каждого этапа, то эту аппаратуру можно соединить в обрабатывающую линию и получить конвейер операций.

Каждый блок конвейера выполняет один этап рабочего цикла процессора и передает результат выполнения этого этапа на следующий блок для реализации очередного этапа и так далее.

Конвейеры операций могут быть синхронными и асинхронными. Если для выполнения этапа выделено одно и то же время t_т, то такой конвейер называется синхронным. Время t_т называется тактом процессора и равно продолжительности самого длинного этапа.

Синхронный конвейер целесообразно использовать при условии, что продолжительности t_i примерно одинаковые и равны t_т. Покажем принцип работы конвейерных команд на временной диаграмме.

Пусть процесс выполнения команд разбит на 5 этапов. Тогда временная диаграмма имеет следующий вид:

На временной диаграмме одинаковыми символами помечены разные этапы рабочего цикла одной и той же команды. Всего команд на диаграмме 7. Эти 7 команд выполняются за 11 тактов на конвейере или за 35 тактов при последовательном методе выполнения команд, т. е. при отсутствии конвейера.

Таким образом, рост производительности не менее, чем в К раз и не более, чем в К раз. 2.

При большой зависимости продолжительности выполнения процедур отдельных этапов от типа команд и вида операндов целесообразно применение асинхронного конвейера, в котором отсутствует единый такт работы его блоков. Информация с одного блока конвейера передается на следующий, когда данный блок закончит свою процедуру, а следующий блок полностью освободится от обработки предыдущей команды.

Кроме конвейера команд используется также и арифметический конвейер, то есть само АЛУ также можно строить в виде конвейера. Конвейерное АЛУ часто называют магистралью. Арифметический конвейер в основном используется в специализированных устройствах с ограниченным набором алгоритмов обработки данных.