Конспект лекций Часть 2 Челябинск 2015

Ожиданием называется состояние исполнительной ступени, когда она не 
может выполнить требуемую микрооперацию, так как еще не получен 
необходимый операнд, являющийся результатом выполнения предыдущей 
команды. Простоем называется состояние ступени, когда она вынуждена 
пропустить очередной такт, так как поступившая команда не требует выполнения 
соответствующего этапа. Например, при выполнении безадресных команд не 
требуется производить формирование адреса и прием операнда. 
В современных высокопроизводительных микропроцессорах процедура 
выполнения команд может разбиваться на более мелкие этапы, чтобы успеть 
выполнить соответствующие микрооперации на каждой ступени за один такт. В 
таких процессорах число ступеней конвейера может достигать 10 и более. 
При использовании в программе разноформатных команд, содержащих 
различное количество байтов, число состояний простоя и ожидания, которые 
приходится вводить в процессе выполнения команд, значительно увеличивается. 
Поэтому принятый во многих RISC-процессорах стандартный 4-байтный формат 
команд обеспечивает существенное сокращение числа ожиданий и простоев 
конвейера, что позволяет значительно повысить производительность. 
Другой причиной снижения эффективности конвейера являются команды 
передачи управления. Если выполняется передача управления, то приходится 
производить перезагрузку конвейера командами из другой ветви программы, что 
требует выполнения дополнительных рабочих тактов и вызывает снижение 
производительности. Поэтому одним из основных условий эффективной работы 
конвейера является сокращение числа его перезагрузок при выполнении условных 
переходов. Эта цель достигается с помощью реализации различных механизмов 
предсказания направления ветвления, которые обеспечиваются с помощью 
специальных устройств – блоков предсказания ветвления, вводимых в структуру 
процессора. Наиболее простой способ состоит в том, что процессор фиксирует 
результат выполнения предыдущих команд ветвления по данному адресу, и 
считает, что следующая команда с обращением по этому адресу даст аналогичный 
результат. Данный способ предсказания предполагает более высокую вероятность 
повторного обращения к определенной команде, задаваемой данным условием 
ветвления. При поступлении аналогичной команды ветвления предсказывается 
переход к ветви, которая была выбрана в предыдущем случае, и производится 
загрузка в конвейер команд из соответствующей ветви. При правильном 
предсказании не требуется перезагрузка конвейера, и эффективность его 
использования не снижается
Возможность повышения производительности процессора достигается также 
при введении в структуру процессора нескольких параллельно включенных 
операционных 
устройств, 
обеспечивающих 
одновременное 
выполнение 
нескольких операций. Такая структура процессора называется суперскалярной. 

---

33 
В 
таких 
процессорах 
реализуется 
параллельная 
работа 
нескольких 
исполнительных конвейеров, в каждый из которых поступает для выполнения 
одна из выбранных и декодированных команд. Число одновременно 
выполняемых команд может быть равно числу операционных устройств, 
включенных в исполнительные конвейеры. Однако при выполнении реальных 
программ трудно обеспечить полную загрузку всех исполнительных конвейеров, 
поэтому на практике эффективность использования суперскалярной структуры 
оказывается несколько ниже.
Эффективная одновременная работа нескольких исполнительных конвейеров 
обеспечивается путем предварительной выборки-декодирования ряда команд и 
выделения из них группы команд, которые могут выполняться одновременно. 
Чтобы обеспечить возможно полную загрузку исполнительных конвейеров, в 
процессе анализа и группировки декодированных команд возможно изменение 
порядка их следования. В результате команды выполняются не в порядке их 
выборки из памяти, а по мере готовности необходимых операндов и 
исполнительных устройств. Чтобы запись в память результатов происходила в 
соответствии с исходной последовательностью поступления команд программы, 
на 
выходе 
данных 
включается 
специальная