Фрэнк Солтис - Основы AS/400

Пример пятиэтапного конвейера команд показан на рисунке 2.1а. Время, необходимое для выполнения каждого этапа выполнения команды, называется временем цикла процессора (processor cycle time).

На рисунке 2.1б показана временная диаграмма пятиэтапного конвейера. В течение первого цикла процессора команда № 1 выбирается из буфера команд аппаратурой первого этапа конвейера. В течение второго цикла команда № 1 декодируется, и содержимое необходимых регистров считывается аппаратурой второго этапа. В то же самое время, аппаратура первого этапа считывает из буфера команд команду № 2. Теперь аппаратура разных стадий конвейера параллельно обрабатывает разные части двух разных команд. Благодаря такому параллелизму и достигается повышенная производительность процессоров с конвейерной обработкой. Обратите внимание: предполагается, что некоторая другая часть аппаратуры процессора обеспечивает заполнение буфера команд.

Рисунок 2.1b Пример временной диаграммы

В течение третьего процессорного цикла команда № 1 поступает на стадию выполнения и вычисления эффективного адреса (стадия 3), команда № 2 поступает на стадию 2, а команда № 3 s на стадию 1. Процесс продолжается вплоть до завершения пятого цикла процессора, когда выполнение команды: № 1 заканчивается и она покидает конвейер. Таким образом, выполнение каждой отдельной команды занимает полные пять циклов, но после того, как конвейер заполнен, на каждом цикле процессора завершается выполнение одной команды. Когда говорят, что для выполнения одной команды необходим один цикл процессора, подразумевается, что конвейер заполнен, что, понятно, близко к идеалу [ 11 ] Добиться полной загрузки конвейера на коммерческих задачах — весьма непросто из-за большого числа условных выражений и команд переходов. По этой причине RISC-системы неэффективны на коммерческих задачах. Как с этой проблемой справились разработчики AS/400 будет рассказано ниже. — Прим. консультанта. .

В начале 60-х годов Сеймур Крей в Control Data Corporation разрабатывал первый в мире суперкомпьютер — CDC 6600. Он планировал использовать конвейерную обработку и добивался, чтобы время выполнения всех команд было одинаковым. Ведь, как видно из приведенного примера, общее время выполнения команд определяется командой, имеющей самое большое время выполнения. Команды, выбирающие операнды из памяти или записывающие их в память, обычно выполняются дольше остальных. Если эти, работающие с памятью, команды выполняют также и логические или арифметические действия над данными, то время выполнения может стать очень большим.

Чтобы максимально сократить общее время выполнения команд, Крей решил, что в его процессоре единственными операциями с памятью будут загрузка в регистр содержимого памяти по некоторому адресу и сохранение содержимого регистра по некоторому адресу в памяти. Любые действия над данными должны производиться только в регистрах.

Тогда это было очень непривычно: ведь большинство других компьютеров позволяли выполнять операции над данными в памяти без использования регистров. Например, команды S/360 позволяют сложить два находящихся в памяти операнда и записать сумму обратно в память. Эта операция занимает очень много времени, но выполняется одной машинной командой. Команды данного типа называются командами память-память.

Для выполнения той же самой операции на машине Крея потребовалось бы пять команд. Сначала две команды загрузки поместили бы данные в два регистра. Затем команда сложения просуммировала бы содержимое этих регистров и поместила бы результат обратно в регистр. И, наконец, команда сохранения переписала бы сумму из регистра в память [ 12 ] Скорее всего Вы, читатель, насчитаете только 4 такта. Пятый (на самом деле — первый) — это выборка из памяти первой команды загрузки. Выборка остальных команд будет осуществляться уже параллельно с выполнением предыдущих команд и, следовательно, не приведет к увеличению времени выполнения всей последовательности. — Прим. консультанта. . Но если эффективно поместить все эти пять команд на конвейер и выполнять их параллельно, то общее необходимое для этого время будет меньше времени, необходимого для выполнения эквивалентной операции на машине с командами типа память-память. И все же большее число команд, требуемых для выполнения операции, было недостатком машины Крея.

В 1964 году появилась CDC 6600 s первая машина общего назначения с архитектурой загрузка/сохранение (load/store). Крей осознал связь между конвейерной обработкой и архитектурой набора команд, и это привело его к выводу о необходимости упрощения этой архитектуры для повышения эффективности конвейера. Современные RISC-процессоры используют подход Сеймура Крея — в них команды, работающие с памятью, выполняют только загрузку и сохранение. Вот почему RISC-машины быстрее CISC-машин с полным набором команд для работы с памятью. По той же причине и программы, скомпилированные для RISC, больше по размеру.

Вклад Сеймура Крея в разработку высокопроизводительных конвейеров не ограничивается только архитектурой набора команд. В CDC 6600 он применил аппаратуру, которая обеспечивала максимум производительности путем максимально возможной загрузки конвейера, то есть ситуацию, при которой на каждой его стадии выполняется часть некоторой команды. В реальности, между командами в программах существуют зависимости. Если команда на конвейере использует данные, которые сохраняются командой, идущей по конвейеру непосредственно впереди нее, то в определенный момент эти данные могут быть еще недоступны, что не только вызывает простой конвейера, но и останавливает выполнение всех последующих команд. Тем самым уменьшается производительность процессора.

В CDC 6600 было впервые реализовано оборудование, позволяющее процессору просматривать команды, расположенные далее в потоке команд, и определять, могут ли они быть запущены перед той, что ожидает сохранения результата. Идея аппаратного переупорядочивания команд на конвейере, известная как динамическое планирование (dynamic scheduling), служила поддержанию максимально возможной его загрузки и значительно повысила производительность CDC 6600.

В суперкомпьютерах 60-х была реализована и идея предсказания переходов. Команда перехода может разрушить конвейер. Вызванный ею простой затянется до тех пор, пока система не будет в состоянии решить, какая команда должна выполняться следующей. Идея предсказания переходов состоит в том, чтобы на основе опыта угадать, откуда следует выбирать команду, следующую после команды перехода. Использованное в IBM 360/91 сложное аппаратное обеспечение предсказания переходов позволило достичь отличных результатов.