Конвейерные операционные устройства обработки информации

 

Конвейерный принцип – принцип обработки информации, который является базовым для современных вычислительных операционных устройств.

Особенностью конвейерной системы является то, что каждое устройство обработки (сегмент) настраивается на выполнение определенного алгоритма, обрабатываемая информация проходит через совокупность последовательно включенных устройств обработки.

Пример. Конвейер обработки (сложения) 2-х чисел с плавающей точкой.

Выделим стадии обработки:

1. Нормализация чисел.

2. Сравнение порядков.

3. Сдвиг мантисс и выравнивание порядков.

4. Сложение мантисс.

5. Нормализация результата.

Конвейер относится к системам с МПК-ОПК (MISD).

Во времени:

УО1 А1В1 А2В2 А3В3 А4В4 А5В5 А6В6 А7В7 …

УО2 А1В1 А2В2 А3В3 А4В4 А5В5 А6В6 А7В7 …

УО3 А1В1 А2В2 А3В3 А4В4 А5В5 А6В6 А7В7 …

УО4 А1В1 А2В2 А3В3 А4В4 А5В5 А6В6 А7В7 …

УО5 А1В1 А2В2 А3В3 А4В4 А5В5 А6В6 А7В7 …

 

Время работы конвейера на одном шаге оценивается устройством обработки информации с максимальной длительностью выполнения операции в этом устройстве.

Пусть для выполнения 1-й стадии нужно 10нс, 2-й – 6, 3-й – 10, 4-й – 12, 5-й – 10. Учитывая это, для выполнения сложения этих чисел с помощью одного процессора необходимо 48нс.

Длительность работы на одном шаге – 12нс.

Для случая, когда конвейер загружен, максимальная его пропускная способность обеспечивает выдачу результатов через 12нс. Таким образом, в рассматриваемом случае применение конвейера позволяет в идеальном случае получить повышение производительности в 4 раза (48/12).

Идеальный случай: полностью загружен конвейер и продолжает поступать поток данных.

Пусть на вход конвейера поступают редкие пары чисел для сложения (по крайней мере, не чаще, чем длина конвейера). Время последовательной обработки пары в конвейере равно 12нс*5 = 60нс (глубина конвейера). Незагруженный конвейер проигрывает по сравнению с использованием однопроцессорной обработки.

Важной характеристикой конвейера является глубина конвейера.

Выделяются конвейерные устройства скалярной и векторной обработки. Векторная обработка может обеспечивать более высокую производительность конвейерной системы благодаря широким возможностям организации параллельной обработки и возможности работы без перенастройки секций.

Для скалярных данных каждая секция конвейера имеет возможность перестраиваться на выполнение определенных операционных действий в соответствии с реализуемыми в секциях текущими микрокомандами; к операционному устройству формируется очередь микрокоманд для реализации.

В современных микропроцессорах частота формирования результата на выходе заполненного конвейера соответствует одному такту, т.е. является предельно высокой.