Паралелізм на рівні машинних команд

Схема суперскалярної організації процесора. Вплив залежності між даними на роботу суперскалярного процесора. Апаратний паралелізм – це міра здатності процесора отримувати переваги із паралелізму на рівні команд. Запуск команд у суперскалярному процесорі.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Паралелізм на рівні машинних команд

Суперскалярні процесори (ССП)

Скалярний - даний термін використовується для того, щоб підкреслити відмінність цих процесорів від тих, які працюють з векторними операндами.

У більшості сучасних задач переважна частина змінних саме скалярні величини.

Термін суперскалярна оргагізація може розглядатись як наступний крок на шляху підвищення продуктивності комп'ютерів загального призначення.

Суть суперскалярної організації полягає в можливості незалежно виконувати команди паралельно на різних конвеєрах.

Розвиток даної концепції привів до виникнення ідеї змінювати при необхідності порядок виконання команд в порівнянні з тим, в якому вони розміщені в машинному коді.

Размещено на

Рис. 1. Схема суперскалярної організації процесора

В суперскалярній організації процесор має кілька функціональних вузлів, які паралельно виконують кілька машинних команд, причому кожен вузол організований у виді конвеєра. В даному процесорі одночасно можуть виконуватись дві арифметичні команди з цілими числами, 2 арифметичні команди з операндами з плаваючою крапкою, одна команда звернення до пам'яті.

Суперконвеєрна організація - альтернативний підхід до рішення проблеми підвищення продуктивності процесора.

Принцип суперконвеєрної організації базується на тому факті, що операції, виконувані на різних позиціях конвеєра, займають менше половини машинного такту. Як наслідок, подвоєння частоти внутрішніх тактових імпульсів конвеєра дозволяє виконувати дві задачі за один період слідування зовнішніх синхроімпульсів.

Наведена на рис. 2 діаграма дозволяє порівняти:

§ Суперконвеєрний СК

§ Суперскалярний підходи СС

У верхній частині діаграми показано як працює звичайний конвеєр по якому далі порівнюється швидкодія СК і СС підходів.

В базовій схемі в кожному черговому такті (основний або зовнішній такт) на конвеєр поступає одна машинна команда і на протязі такту на кожній позиції конвеєра виконується одна команда.

IF - добування команди;

DC - розшифровка команди;

FX - виконання команди;

WR - запис результату.

Внизу показано як працює суперскалярна схема в якій паралельно функціонують два конвеєри. Це суперскалярна схема степені 2.

На практиці зустрічаються СК і СС схеми і більш високих степенів.

На діаграмі видно, що СК і СС обробляють однакову кількість машинних команд за один і той же час. Але СК програє СС при обробці початкового фрагменту приграми і при обробці команд умовного переходу.

					IF	DC	EX	DR	Позиції конвеєра
		EX
			EX						Звичайний конвеєр
				EX
					EX
						EX
							EX
		EX
			EX
			EX
				EX						Суперконвеєр
				EX
					EX
		EX
		EX							Суперскалярний
			EX						процесор
			EX
				EX
				EX
0	1	2	3	4	5	6	7	8	- час (основні такти)

Рис. 2. Часова діаграма роботи процесорів з суперконвеєрною і суперскалярною організацією.

Конвеєр має 4 робочі позиції, на яких виконуються наступні команди:

Обмеження СС

паралелізм суперскалярний процесор

Продуктивність процесора з СС організацією залежить від того, на скільки можливо в конкретній програмі виконувати команди паралельно і незалежно одна від одної.

Під паралелізмом на рівні команд (instruction-level-parallelism) розуміють можливість паралельно виконувати команди у певній програмі.

Для максимального підвищення паралелізму на рівні команд використовують поєднання програмних і апаратних методів - застосовуються оптимізуючі компілятори і схеми паралельних конвеєрів.

Фундаментальні обмеження можливостей розпаралелення операцій в комп'ютері:

1. Взаємозалежність по даним;

2. Процедурна залежність;

3. Конфлікт у використанні ресурсів;

4. Залежність по виходу;

5. Зворотна залежність.

Взаємозалежність по даним

i0			EX			- залежність відсутня
i1			EX
i0			EX			- залежність між даними
i1				EX		i0 - використовує дані, які обчислюються в i1

Рис. 3. Вплив залежності між даними на роботу суперскалярного процесора

Другу команду не можна виконув...