Принципы организации параллелизма выполнения машинных команд в процессорах (стр. 2 из 11)
Системы с распределенной памятью образуют вычислительные комплексы (ВК) — коллективы ЭВМ с межмашинным обменом для совместного решения задач (рис. 1.5б). В ВК объединяются вычислительные средства систем управления, решающие специальные наборы задач, взаимосвязанных по данным. Принято говорить, что такие ВК выполняют распределенные вычисления, а сами ВК называют распределенными ВК.
Другое, противоположное воплощение принципа МИМД — масспроцессорные или высокопараллельные архитектуры, объединяющие сотни — тысячи — десятки тысяч процессоров.
В современных супер-ЭВМ наметилась тенденция объединения двух принципов: общей (распределяемой) и распределенной (локальной) оперативной памяти (ЛОП). Такая структура используется в проекте МВК «Эльбрус-3» и «Эльбрус-ЗМ» .
2.1 Конвейеры
Уже много лет известно, что главным препятствием высокой скорости выполнения команд является необходимость их вызова из памяти. Для разрешения этой проблемы можно вызывать команды из памяти заранее и хранить в специальном наборе регистров. Эта идея использовалась еще в 1959 году при разработке компьютера Stretch компании IBM, а набор регистров был назван буфером выборки с упреждением. Таким образом, когда требовалась определенная команда, она вызывалась прямо из буфера, а обращения к памяти не происходило.
В действительности при выборке с упреждением команда обрабатывается за два шага: сначала происходит вызов команды, а затем - ее выполнение. Еще больше продвинула эту стратегию идея конвейера. При использовании конвейера команда обрабатывается уже не за два, а за большее количество шагов, каждый из которых реализуется определенным аппаратным компонентом, причем все эти компоненты могут работать параллельно.
На рисунке 2.1 а) изображен конвейер из пяти блоков, которые называются ступенями. Первая ступень (блок С1) вызывает команду из памяти и помещает ее в буфер, где она хранится до тех пор, пока не потребуется. Вторая ступень (блок С2) декодирует эту команду, определяя ее тип и тип ее операндов. Третья ступень (блок СЗ) определяет местонахождение операндов и вызывает их из регистров или из памяти. Четвертая ступень (блок С4) выполняет команду, и, наконец, блок С5 записывает результат обратно в нужный регистр.
Чтобы лучше понять принципы работы конвейера, рассмотрим аналогичный пример. Представим себе кондитерскую фабрику, на которой выпечка тортов и их упаковка для отправки производятся раздельно. Предположим, что в отделе отправки находится длинный конвейер, вдоль которого располагаются 5 рабочих (или ступеней обработки). Каждые 10 секунд (это время цикла) первый рабочий ставит пустую коробку для торта на ленту конвейера. Эта коробка отправляется ко второму рабочему, который кладет в нее торт. После этого коробка с тортом доставляется третьему рабочему, который закрывает и запечатывает ее. Затем она поступает к четвертому рабочему, который ставит на ней штамп. Наконец, пятый рабочий снимает коробку с конвейерной ленты и помещает ее в большой контейнер для отправки в супермаркет. Примерно таким же образом действует компьютерный конвейер: каждая команда (в случае с кондитерской фабрикой - торт) перед окончательным выполнением проходит несколько ступеней обработки.
Возвратимся к нашему конвейеру на рисунке 2.1. Предположим, что время цикла у этой машины - 2 нс. Тогда для того, чтобы одна команда прошла через весь конвейер, требуется 10 нс. На первый взгляд может показаться, что такой компьютер будет выполнять 100 млн команд в секунду, в действительности же скорость его работы гораздо выше. В течение каждого цикла (2 нс) завершается выполнение одной новой команды, поэтому машина выполняет не 100, а 500 млн команд в секунду! [2]
2.2 Оценка производительности идеального конвейера
Пусть задана операция, выполнение которой разбито на n последовательных этапов. Пусть ti— время выполнения i-го этапа. При последовательном их выполнении операция выполняется за время
а быстродействие ЭВМ или одного процессора ВС, выполняющего только эту операцию, составит
Выберем время такта — величину tT = max{ti} и потребуем при разбиении на этапы, чтобы для любого i= 1,..., nвыполнялось условие ti + t(i+1) modn= tT . То есть чтобы никакие два последовательных этапа (включая конец и новое начало операции) не могли быть выполнены за время одного такта.
Максимальное быстродействие процессора при полной загрузке конвейера составляет
Число n— количество уровней конвейера, или глубина перекрытия, так как каждый такт на конвейере параллельно выполняются nопераций. Чем больше число уровней (станций), тем больший выигрыш в быстродействии может быть получен.
Известна оценка
то есть выигрыш в быстродействии получается от
до nраз.Реальный выигрыш в быстродействии оказывается всегда меньше, чем указанный выше, поскольку:
1) некоторые операции, например, над целыми, могут выполняться за меньшее количество этапов, чем другие арифметические операции. Тогда отдельные станции конвейера будут простаивать.
2) при выполнении некоторых операций на определённых этапах могут требоваться результаты более поздних, ещё не выполненных этапов предыдущих операций. Приходится приостанавливать конвейер.
3) поток команд порождает недостаточное количество операций для полной загрузки конвейера [3].
Рассмотрим принципы конвейерной обработки информации на примере пятиступенчатого конвейера, в котором выполнение команды складывается из следующих этапов:
IF (Instruction Fetch) - считывание команды в процессор;
ID (Instruction Decoding) - декодирование команды;
OR (Operand Reading) - считывание операндов;
EX (Executing) - выполнение команды;
WB (Write Back) - запись результата.
Выполнение команд в таком конвейере представлено в таблице 2.1.
Так как в каждом такте могут выполняться различные стадии обработки команд, то длительность такта выбирается исходя из максимального времени выполнения всех стадий. Кроме того, следует учитывать, что для передачи команды с одной стадии на другую требуется определенное дополнительное время (Дt), связанное с записью промежуточных результатов обработки в буферные регистры.
| Таблица 2.1 | |||||||||
| Команда | Такт | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| i | IF | ID | OR | EX | WB | ||||
| i+1 | IF | ID | OR | EX | WB | ||||
| i+2 | IF | ID | OR | EX | WB | ||||
| i+3 | IF | ID | OR | EX | WB | ||||
| i+4 | IF | ID | OR | EX | WB | ||||
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 Дt = 5 единиц, получим время такта:
T = max {TIF, TID, TOR, TEX, TWB} + Дt = 30.
Оценим время выполнения одной команды и некоторой группы команд при последовательной и конвейерной обработке.
При последовательной обработке время выполнения N команд составит:
Tпосл = N*(TIF + TID + TOR + TEX + TWB) = 100N.
Анализ таблицы 2.1 показывает, что при конвейерной обработке после того, как получен результат выполнения первой команды, результат очередной команды появляется в следующем такте работы процессора. Следовательно,
Tконв = 5T + (N-1) * T.
Примеры длительности выполнения некоторого количества команд при последовательной и конвейерной обработке приведены в таблица 2.2.
| Таблица 2.2 | ||
| Количество команд | Время | |
| при последовательном выполнении | при конвейерном выполнении | |
| 1 | 100 | 150 |
| 2 | 200 | 240 |
| 10 | 1000 | 420 |
| 100 | 10000 | 3120 |
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 тактаконвейера и чем больше количество выполненных команд. Сокращение длительности такта достигается, в частности, разбиением выполнения команды на большое число этапов, каждый из которых включает в себя относительно простые операции и поэтому может выполняться за короткий промежуток времени. Так, если в процессоре Pentium длина конвейера составляла 5 ступеней (при максимальной тактовой частоте 200 МГц), то в Pentium-4 - уже 20 ступеней (при максимальной тактовой частоте на сегодняшний день 3,4 ГГц).
2.3 Конфликты в конвейере и способы минимизации их влияния на производительность процессора
Значительное преимущество конвейерной обработки перед последовательной имеет место в идеальном конвейере, в котором отсутствуют конфликты и все команды выполняются друг за другом без перезагрузки конвейера. Наличие конфликтов снижает реальную производительность конвейера по сравнению с идеальным случаем.
Конфликты - это такие ситуации в конвейерной обработке, которые препятствуют выполнению очередной команды в предназначенном для нее такте.
Конфликты делятся на три группы:
- структурные,
- по управлению,
- по данным.
Структурные конфликты возникают в том случае, когда аппаратные средства процессора не могут поддерживать все возможные комбинации команд в режиме одновременного выполнения с совмещением.