СКИПОД ответы на билеты (1127807), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Длительность арифметической операции может быть уменьшена за счет временного перекрытия ее различных фаз, путем конвейеризации вычислительной работы. Для этого механизмы Арифметического Логического Устройства (АЛУ) выполняется по конвейерному принципу. Пусть, работа АЛУ - для сложении данных, разделена на три этапа, на три автономных блока Рi : Р1 - выравнивание порядков операндов, Р2 - операция сложения мантисс, Р3 - нормализация результата, каждый из ко¬торых выполняется за один условный такт вычислителя. И пусть на таком АЛУ выполняются вычисления:

A1 = B1+C1

A2 = B2+C2

A3 = B3+C3

A4 = B4+C4

Тогда временная диаграмма работы АЛУ имеет вид:

Устройство 1 такт 2 такт 3 такт 4 такт 5 такт 6 такт

P1 B1+C1 В2+C2 B3+C3 B4+C4 нет работы нет работы

P2 нет работы B1+C1 B2+C2 B3+C3 B4+C4 нет работы

P3 нет работы нет работы B1+C1 B2+C2 B3+C3 В4+С4

Вычисления будут выполнены за 6 тактов работы вычислителя, причем, здесь, только два такта работы оборудование было загружено полностью.

ВОПРОС !!!! За сколько тактов будет выполнены эти вычисления, если АЛУ не конвейеризовано? Сокращает ли конвейеризация время выполнения отдельной операции? Спойлер: 12. Нет.

Оптимальную загрузку конвейерных АЛУ можно получить при работе с регулярными структурами, например, при поэлементном сложении векторов. В общем случае, пусть работа операционного блока разбивается на n последовательных частей (стадий, выполняемые за одинаковое время), на которых вычислительные операции выполняются в конвейерном режиме. Тогда, если на выполнение одной операции сложения блоку требуется время T, то на обработку N операций сложения время: Tn = (n + N) * (Т / n). Следовательно, если n << N, то , то ускорение вычислений будет в n раз. Фактором, снижающим производительность конвейеров, явля¬ется конфликты по данным. Так вычисления:

Вычисления другая форма этих вычислений

A1 = B1+C1

A2 = A1+C2 A2 = (B1+C1)+ C2

A3 = B3+C3 A3 = B3+C3

A4 = B4+C4 A4 = B4+C4

для правильной работы будут выполняться на два такта дольше:

Устр. 1такт 2такт 3такт 4такт 5такт 6такт 7такт 8такт

P1 B1+C1 н/р н/р A1+C2 B3+C3 B4+C4 н/р н/р

P2 н/р B1+C1 н/р н/р A1+C2 B3+C3 B4+C4 н/р

P3 н/р н/р B1+C1 н/р н/р A1+C2 B3+C3 В4+С4

На этой диаграмме видно, что количество простаивающих тактов работы оборудования “н/р” – “конвейерных пузырей “ (pipeline bubble) стало больше.

[править] Внеочередное выполнение команд.

Положив в буфер команды, проводим анализ зависимостей и пытаемся загрузить конвейер теми операциями, которые не зависят от предыдущих (это делает процессор).

Пример:
A1 = B1+C1
A2 = A1+C2
A3 = B3+C3
A4 = B4+C4
8 тактов.

Устр. 1такт 2такт 3такт 4такт 5такт 6такт 7такт 8такт

P1 B1+C1 н/р н/р A1+C2 B3+C3 B4+C4 н/р н/р

P2 н/р B1+C1 н/р н/р A1+C2 B3+C3 B4+C4 н/р

P3 н/р н/р B1+C1 н/р н/р A1+C2 B3+C3 В4+С4

А вместо этого:
A1 = B1+C1
A3 = B3+C3
A4 = B4+C4
A2 = A1+C2
6 тактов.

Устр. 1такт 2такт 3такт 4такт 5такт 6такт

P1 B1+C1 B3+C3 B4+C4 A1+C2 B3+C3 B4+C4

P2 н/р B1+C1 B3+C3 B4+C4 A1+C2 B3+C3

P3 н/р н/р B1+C1 B3+C3 В4+С4 A1+C2

Механизмы: Статические и Динамические.

Динамические основаны на оборудовании, которое производит анализ программы и делает преобразования (работа возлагается на процессор).

Статические. Зная архитектуру АЛУ, провести статический анализ и в процессе трансляции оптимизировать программу (работа возлагается на компилятор).

Производительность можно повысить, сделав АЛУ многофункциональным. Если сделать отдельные функциональные элементы для сложения, вычитания, умножения и деления, то схемы становятся проще, а система будет работать быстрее.

[править] Производительность конвейеров.

на intuit.ru

Время выполнения отдельной скалярной операции на конвейерном вы-числителе равно: Т = S + K, где K - время работы, за которое конвейер выдает очередной результат, а S - время запуска конвейера, время заполнения конвейера, которое без учета времени подготовки операндов, равно: S = K*(m-1), где m - число ступеней конвейера. Производительность конвейерного вычислителя на скалярных операциях (число результатов, выдаваемых за единицу времени) равна: R = 1/(S + K).

Время выполнения векторной операции на конвейерном вычислителе равно: Т = S + K*N, где N - длина вектора. Производительность конвейерного вычислителя при векторной работе (число результатов, выдаваемых за единицу времени) равна: R = N/(S + K*N), асимптотическая производительность Rб = 1/K.

Например, при К = 10 нс, Rб = 10^8 результатов/сек, т.е. 100 мегафлопов. Графики достижения такой производительности для S = 100 нс. и S= 1000 нс. показывают, что они имеют различное расстояние до асимптоты. Для оценки этого эффекта используется величина N1/2, определяемая как длина вектора, для которой достигается половина асимптотыческой зависимости. Для приведенного выше примера N1/2 = 100 для S =1000 и N1/2 = 10 для S = 100.

[править] Векторно-конвейерные вычислители.

на intuit.ru

Реализация команд организации цикла (счетчик и переход) при регулярной работе с данными - накладные расходы и препятствие опережающему просмотру на обычных, скалярных вычислителях, показывает, что такие вычисления эффективнее выполнять на специализированном векторно-конвейерном вычислителе.

Если вместо цикла:

DO L=1,N

A(I) = B(I)+C(I)

ENDDO

использовать запись алгоритма в виде векторной команды сложения вида:

VADD(B,C,A,N),

то векторный вычислитель, выполняющий такие команды, будет вырабатывать результаты на каждом такте. В таком вычислителе имеется один (или небольшое число) конвейерный процессор, выполняющий векторные команды путем засылки элементов векторов в конвейер с интервалом, равным длительности прохождения одной стадии обработки. Скорость вычислений зависит только от длительности стадии и не зависит от задержек в процессоре в целом.

Так как конвейер для однотипных операций дешевле и быстрее чем для многофункциональных, то выгодно их делать специализированными - однофункциональным: например, только для + или только для *. Для их совместного работы используется принцип зацепления конвейеров. Так, в ЭВМ Крей-1 имеется 12 конвейеров, из них 8 могут быть зацеплены, то есть результаты вычисления конвейера могут быть входными аргументами для другого. Операнды (результаты) находятся в памяти верхнего уровня или на регистрах. Для операндов задается: базовый адрес вектора, число элементов, тип данных в каждом элементе, схема хранения вектора в памяти. Некоторые векторные машины могут работать с двух-трех мерными массивами.

[править] Конвейерная обработка команд.

Команду можно разделить на 6 отрезков:

• Принять команду

• Дешифровать КОП

• Сформировать исполнительный адрес

• Выбрать операнды

• Выполнить команду

• Записать результат

[править] Конвейерные конфликты.

на intuit.ru

Значительное преимущество конвейерной обработки перед последовательной имеет место в идеальном конвейере, в котором отсутствуют конфликты и все команды выполняются друг за другом без перезагрузки конвейера. Наличие конфликтов снижает реальную производительность конвейера по сравнению с идеальным случаем.

Конфликты - это такие ситуации в конвейерной обработке, которые препятствуют выполнению очередной команды в предназначенном для нее такте.

Конфликты делятся на три группы:

• структурные,

• по управлению,

• по данным.

[править] Структурные конфликты

Структурные конфликты возникают в том случае, когда аппаратные средства процессора не могут поддерживать все возможные комбинации команд в режиме одновременного выполнения с совмещением.

Причины структурных конфликтов.

1. Не полностью конвейерная структура процессора, при которой некоторые ступени отдельных команд выполняются более одного такта. Эту ситуацию можно было бы ликвидировать двумя способами. Первый предполагает увеличение времени такта до такой величины, которая позволила бы все этапы любой команды выполнять за один такт. Однако при этом существенно снижается эффект конвейерной обработки, так как все этапы всех команд будут выполняться значительно дольше, в то время как обычно нескольких тактов требует выполнение лишь отдельных этапов очень небольшого количества команд. Второй способ предполагает использование таких аппаратных решений, которые позволили бы значительно снизить затраты времени на выполнение данного этапа (например, использовать матричные схемы умножения). Но это приведет к усложнению схемы процессора и невозможности реализации на этой БИС других, функционально более важных, узлов. Обычно разработчики процессоров ищут компромисс между увеличением длительности такта и усложнением того или иного устройства процессора.

2. Недостаточное дублирование некоторых ресурсов.

Одним из типичных примеров служит конфликт из-за доступа к запоминающим устройствам.

Борьба с конфликтами такого рода проводится путем увеличения количества однотипных функциональных устройств, которые могут одновременно выполнять одни и те же или схожие функции. Например, в современных микропроцессорах обычно разделяют кэш-память для хранения команд и кэш-память данных, а также используют многопортовую схему доступа к регистровой памяти, при которой к регистрам можно одновременно обращаться по одному каналу для записи, а по другому - для считывания информации. Конфликты из-за исполнительных устройств обычно сглаживаются введением в состав микропроцессора дополнительных блоков. Так, в микропроцессоре Pentium-4 предусмотрено 4 АЛУ для обработки целочисленных данных. Процессоры, имеющие в своем составе более одного конвейера, называются суперскалярными.

Следовательно, для обеспечения правильной работы суперскалярного микропроцессора при возникновении затора в одном из конвейеров должны приостанавливать свою работу и другие. В противном случае может нарушиться исходный порядок завершения команд программы. Но такие приостановки существенно снижают быстродействие процессора. Разрешение этой ситуации состоит в том, чтобы дать возможность выполняться командам в одном конвейере вне зависимости от ситуации в других конвейерах. Это приводит к неупорядоченному выполнению команд. При этом команды, стоящие в программе позже, могут завершиться ранее команд, стоящих впереди. Аппаратные средства микропроцессора должны гарантировать, что результаты выполненных команд будут записаны в приёмник в том порядке, в котором команды записаны в программе. Для этого в микропроцессоре результаты этапа выполнения команды обычно сохраняются в специальном буфере восстановления последовательности команд. Запись результата очередной команды из этого буфера в приемник результата проводится лишь после того, как выполнены все предшествующие команды и записаны их результаты.

[править] По управлению

Конфликты по управлению возникают при конвейеризации команд переходов и других команд, изменяющих значение счетчика команд.

Решения - спекулятивное исполнение, статическое или динамическое предсказание переходов. См. в соотв. секциях.

[править] По данным

Конфликты по данным возникают в случаях, когда выполнение одной команды зависит от результата выполнения предыдущей команды. См. вопрос про Внеочередное выполнение команд.

[править] Спекулятивное выполнение команд.

на intuit.ru

В конвейерных архитектурах устройство выборки команд является таким же конвейером, как и другие функциональные устройства. Так, для условного оператора:

IF (A<B)

GOTO L;

S1;

L: S2

еще до вычисления значения условного выражения А<В необходимо решать задачу о заполнении кон¬вейера команд кодами S1 или S2 – спекулятивного выполнения программы (чтобы не было пропуска тактов конвейера из за неверно выбранной ветки, коды которой потребуется убирать из конвейера).

Тривиальное решение состоит в выборе кода, текстуально следующего за командой условного перехода. Для такого оборудования компиляторы могут формировать объектный код с размещением наиболее вероятно выполняемого фрагмента программы непосредственно за командой условного перехода. Так, для циклических конструкций, вероятность перехода на повторение цикла выше вероятности выхода из него. Некоторые системы программирования дают возможность программисту указывать вероятность перехода по метке в условном переходе.

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)