Архитектура конвейерных моделей ОКОД

 

S432

Формулировка задачи: необходимо поставить на конвейер процесс исполнения машинных команд традиционной архитектуры ОКОД.

Сложности: разновидностей такой архитектуры много, команды разнообразны и есть развитие, необходима совместимость и т.д. и т.п.

Приходится вводить абстракцию на этапе анализа и начального проектирования.

Вот базовая модель архитектуры:

· специальный регистр ЦП, именуемый счетчиком команд, отслеживает положение исполняемой команды;

· есть несколько других, доступный программисту, регистров ЦП, которые содержат данные (аккумуляторы, индексные, РОНы и проч.);

· используется двухадресный формат, при котором задаются два операнда, а результат, если таковой есть, помещается на место одного из входных операндов;

· полный набор команд БП;

· полный набор команд УП;

· два размера (два числа разрядов) форматов команд: короткий – для команд RR и в два раза более длинный – для большинства остальных.

 

S433

Первый этап – необходимо освоить разбиение команд на ступени.

Разбиение типовой команды ADD.

 

Команда ADD суть обыкновенное сложение, выполняемое в АЛУ. Другие команды, выполняемые в АЛУ, могут разбиваться на ступени по этому образцу.

Но такое разбиение далеко не единственно возможное:

· некоторые ступени (выборка операндов) могут реализовываться независимо;

· часть компонентов ENDOP можно перенести; например, изменение <СК> - в ступень IFETCH;

· разбить можно менее и более подробно; например, объединить EXEC и SAVE, разбить EAGEN и др.

 

 

S434

На следующем рисунке приведен пример разбиения на ступени команд одного из реально существующих процессоров (проект фирмы IBM):

 

 

 

S435

А как могут быть разбиты на ступени другие команды?

Можно предложить:

 

 

S436

Разбиение на ступени команды запоминания (будем далее именовать её STORE) есть упрощённое разбиение команды ADD. Безусловный переход JUMP имеет еще более простое разбиение, поскольку теперь команда кончается, как только исполнительный адрес ЕА вводится в счетчик команд IC. Действия ENDOP, связанные с завершением, в еще большей степени сокращаются, поскольку здесь не надо обновлять IC.

Однако самые радикальные варианты разбиения встречаются в классе команд условного перехода BRANCH. Здесь в зависимости результата проверки условия, определенного командой, используются два совершенно различных разбиения, причем проверка служит одной из главных фаз исполнения команды. Если проверка дает отрицательный результат, то проверка завершается просто действиями ENDOP, сходными с аналогичными действиями в классе команд запоминания. Если же проверка дает положительный результат, то выбирается разбиение, подобное разбиению команд класса команды безусловного перехода JUMP. Заметим, что всюду в этой главе термины BRANCH, ADD и STORE относятся к командам модели архитектуры, тогда как сами слова – переход, сложение и запоминание – относятся к соответствующим операциям.

 

 

S437

Наряду с приведенным описанием модели архитектуры ОКОД, необходима несколько произвольная (но реалистическая) модель производительности.

В таблице ниже дан перечень всех типов ступеней разбиения и времен, затрачиваемых на этих ступенях командой каждого из четырех классов.

 

 

S438

Предполагается, что ступени IFETCH (выборка команды), OPFETCH 1 (выборка операнда 1) и STORE (запоминание) требуют обращения к памяти, которое обычно занимает больше времени, чем та или иная операция центрального процессора. Предполагается, что при генерировании исполнительного адреса EAGEN вычисления сводятся в среднем примерно к сложению смещения, находящегося в самой команде, с копией содержимого некоторого регистра центрального процессора. Аналогично, фаза исполнения для команд, подобных сложению ADD, является примерно средним между сравнительно быстрыми операциями, такими, как сложение, загрузка или логические операции, и более длинными, такими, как умножение, деление и сдвиг. Итоговые значения в таблице определяют средние времена исполнения команд каждого класса и являются суммами времен для каждой ступени.

 

Значения времен исполнения команд еще не достаточны для построения модели, которая позволяла бы обоснованно судить о потенциальной производительности вычислительной структуры. Всякая реальная программа, которую должна исполнять ЭВМ, является комбинацией, или смесью команд каждого класса. Хотя смесь зависит от структуры программы, К настоящему времени исследованы общие статистические распределения, на которые можно ориентироваться.

 

 

S439

Далее в таблице приведена обобщенная статистика таких смесей, соответствующих классам команд, определенных ранее. Большинство команд в этой таблице относится к классу команд, показанных ранее типов; за ними следуют переходы различных типов.

 

 

Из двух приведенных таблиц можно найти, что на исполняемую команду в конвейерной машине при реализации рассматриваемой архитектуры ОКОД приходится в среднем 17,11 единиц времени.