21. Конвейерная архитектура процессора: принцип организации, модель производительности, классификация конвейеров.

Конвейерная архитектура: зачем?

Проблемы, связанные с выполнением инструкции за один такт:

1. Продолжительность такта равна продолжительности самой медленной инструкции.
2. Слабое использование процессорных ресурсов: во время выполнения инструкции другие компоненты процессора, не связанные с данной инструкцией, простаивают.
3. Некоторые инструкции нельзя выполнить за один такт. Например, инструкции с операндом из памяти.

Конвейерная архитектура процессора

• Конвейер инструкций – это техника увеличения пропускной способности (числа инструкций, выполняемых в единицу времени) процессора.
• Несколько инструкций перекрываются во времени. При этом используется врожденный параллелизм, существующий среди действий, составляющих инструкцию.
• Инструкция разбивается на последовательность этапов. Различные этапы выполняются одновременно и параллельно (различными схемами).
• Техника увеличивает пропускную способность благодаря параллельному выполнению нескольких инструкций. Однако время выполнения одной инструкции остается прежним, т.к. нужно выполнить все этапы.
• Непредсказуемость времени выполнения отдельной инструкции из-за приостановок
  осложняет использование конвейеризации в системах реального времени.
• Техника не требует особых усилий со стороны пользователей. Это выглядит очень привлекательно: техника предлагает увеличение производительности при сохранении существующего кода.

Классификация конвейеризированных процессоров

• Структура: линейные, нелинейные.
• Составление расписания операций: статическое, динамическое.
• Глубина: мелкие, глубокие.

Структура

• Линейные конвейеры – те, в которых поток данных последовательно передается от стадии к стадии.
• Нелинейные конвейеры – те, в которых имеются обратные переходы, несколько выходов, выходы не обязательно из последней стадии.

Составление расписания операций

Статическое:

1. Одинаковая последовательность стадий для любых команд.
2. Все стадии выполняются по порядку.
3. Если одна инструкция останавливается (stall), последующие
   инструкции также задерживаются.

Динамическое – ослабленный вариант статического. Виды:

1. Начинаются и заканчиваются в правильном порядке.
2. Начинаются по порядку.
3. Нет ограничений за исключением зависимостей.
4. Начинаются по порядку, обращения к памяти по порядку.