Классификация микропроцессоров

ТЕМА 4 Микропроцессоры

ЛЕКЦИЯ 7

Общие сведения о микропроцессорах

 

Вопросы лекции:

1. Общие сведения о микропроцессорах.

2. Классификация микропроцессоров

 

Общие сведения о микропроцессорах

Микропроцессором называется программно-управляемое устройство для обработки цифровой информации и управления процессом обработки, реализованное в виде большой (БИС) или сверхбольшой (СБИС) интегральной микросхемы. Таким образом, микропроцессор играет роль процессора в цифровых системах различного назначения. Это могут быть системы обработки информации (компьютеры), системы управления объектами и процессами, информационно-измерительные системы и другие виды систем, используемых в промышленности, бытовой технике, аппаратуре связи и многих других областях применения.

Микропроцессор является универсальным устройством для выполнения программной обработки информации, которое может использоваться в самых разнообразных сферах человеческой деятельности. Десятки компаний-производителей выпускают несколько тысяч типов микропроцессоров, имеющих разные характеристики и предназначенных для различных областей применения. Выпускаемые микропроцессоры делятся на отдельные классы в соответствии с их архитектурой, структурой и функциональным назначением. В данном разделе дается обзор основных архитектурных и структурных вариантов реализации современных микропроцессоров, используемых в различных сферах применения.

Основными направлениями развития микропроцессоров является увеличение их производительности и расширение функциональных возможностей, что достигается как повышением уровня микроэлектронной технологии, используемой для производства микропроцессоров, так и применением новых архитектурных и структурных вариантов их реализации. Развитие микроэлектронной технологии обеспечивает непрерывное уменьшение размеров полупроводниковых компонентов, размещаемых на кристалле микропроцессора. При этом уменьшаются паразитные емкости, определяющие задержку переключения логических элементов, и увеличивается число элементов, размещаемых на кристалле. В настоящее время разрешающая способность промышленной технологии изготовления микросхем обеспечивает создание компонентов с минимальными размерами 0,13-0,18 мкм. При этом обеспечивается создание микропроцессоров, работающих с тактовой частотой до 1 - 2 ГГц и содержащих на кристалле десятки миллионов транзисторов. В соответствии с эмпирическим правилом, которое сформулировал Гордон Мур, один из основателей компании Intel, степень интеграции микросхем удваивается каждые 1,5-2 года. Это правило выполнялось в течение 40 лет развития микроэлектроники, и можно прогнозировать, что оно будет выполняться и в близком будущем. Поэтому можно ожидать последующего быстрого прогресса технологии и связанного с ним повышения характеристик микропроцессоров.

Развитие технологии обеспечивает возможность создания на кристалле все большего количества активных компонентов - транзисторов, которые могут быть использованы для реализации новых архитектурных и структурных решений, обеспечивающих повышение производительности и расширение функциональных возможностей микропроцессоров.

 

Классификация микропроцессоров

 

Хотя микропроцессор является универсальным средством для цифровой обработки информации, однако отдельные области применения требуют реализации определенных специфических вариантов их структуры и архитектуры. Поэтому по функциональному признаку выделяются два класса: микропроцессоры общего назначения и специализированные микропроцессоры (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Классификация современных микропроцессоров по функциональному признаку

Среди специализированных микропроцессоров наиболее широкое распространение получили микроконтроллеры, предназначенные для выполнения функций управления различными объектами, и цифровые процессоры сигналов (DSP - Digital Signal Processor), которые ориентированы на реализацию процедур, обеспе­чивающих необходимое преобразование аналоговых сигналов, представленных в цифровой форме (в виде последовательности числовых значений).

Микропроцессоры общего назначения предназначены для решения широкого круга задач обработки разнообразной информации. Их основной областью использования являются персональные компьютеры, рабочие станции, серверы и другие цифровые системы массового применения. К этому классу относятся CISC-процессоры Pentium компании «Intel», K7 - компании «Advanced MicroDevices» (AMD), 680x0 - компании «Motorola», RISC-процессоры PowerPC, выпускаемые компаниями «Motorola» и IBM, SPARC - компании «Sun Microsystems» и ряд других изделий различных производителей.

Расширение области применения таких микропроцессоров достигается главным образом путем роста производительности, благодаря чему увеличивается круг задач, который можно решать с их использованием. Поэтому повышение производительности является магистральным направлением развития этого класса микропроцессоров. Обычно это 32-разрядные микропроцессоры (некоторые микропроцессоры этого класса имеют 64-разрядную или 128-разрядную структуру), которые изготавливаются по самой современной промышленной технологии, обеспечивающей максимальную частоту функционирования.

Ряд наиболее популярных микропроцессоров этого класса (Pentium, AMD K7 и некоторые другие) следует отнести к CISC-процессорам, так как они выполняют большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Однако в их внутренней структуре содержится RISC-процессор, который выполняет поступившие команды после их преобразования в последовательность простых RISC-операций. Ряд других микропроцессоров этого класса непосредственно реализует RISC-архитектуру. Поэтому можно считать, что использование RISC-архитектуры характерно 1ля большинства этих микропроцессоров. Однако в ряде последних разработок (Itanium, ^DA8500) некоторых ведущих производителей успешно применяются принципы VLIW-apхитектуры, которая может составить конкуренцию RISC-архитектуре в соревновании за достижение наивысшей производительности.

Практически все современные микропроцессоры этого класса используют Гарвардс­кую внутреннюю архитектуру, где разделение потоков команд и данных реализуется с помощью отдельных блоков кэш-памяти. В большинстве случаев они имеют суперскалярную структуру с несколькими исполнительными конвейерами (до 10 в современных моделях), которые содержат до 20 ступеней.

Благодаря своей универсальности микропроцессоры общего назначения используются также в специализированных системах, где требуется высокая производительность. На их основе реализуются одноплатные компьютеры и промышленные компьютеры, которые применяются в системах управления различными объектами. Одноплатные (встраиваемые) компьютеры содержат на плате необходимые дополнительные микросхемы, обеспечивающие их специализированное применение, и предназначены доя встраивания в аппаратуру различного назначения. Промышленные компьютеры размещаются в корпусах специальной конструкции, обеспечивающих их надежную работу в жестких производственных условиях. Обычно такие компьютеры работают без стандартных периферийных устройств (монитор, клавиатура, «мышь») или используют специальные варианты этих устройств, модифицированные с учетом специфических условий применения.

Микроконтроллеры являются специализированными микропроцессорами, которые ориентированы на реализацию устройств управления, встраиваемых в разнообразную аппаратуру. Ввиду огромного количества объектов, управление которыми обеспечивается с помощью микроконтроллеров, годовой объем их выпуска превышает 2 миллиарда экземпляров, на порядок превосходя объем выпуска микропроцессоров общего применения. Весьма широкой является также номенклатура выпускаемых микроконтроллеров, которая содержит несколько тысяч типов.

Характерной особенностью структуры микроконтроллеров является размещение на :дном кристалле с центральным процессором внутренней памяти и большого набора периферийных устройств. В состав периферийных устройств обычно входят несколько 3-разрядных параллельных портов ввода-вывода данных (от 1 до 8), один или два последовательных порта, таймерный блок, аналого-цифровой преобразователь. Кроме того, различные типы микроконтроллеров содержат дополнительные специализированные устройства - блок формирования сигналов с широтно-импульсной модуляцией, контроллер жидкокристаллического дисплея и ряд других. Благодаря использованию внутренней памяти и периферийных устройств реализуемые на базе микроконтроллеров системы управления содержат минимальное количество дополнительных компонентов.

В связи с широким диапазоном решаемых задач управления требования, предъявля­емые к производительности процессора, объему внутренней памяти команд и данных, набору необходимых периферийных устройств, оказываются весьма разнообразными. Для удовлетворения запросов потребителей выпускается большая номенклатура микроконтроллеров, которые принято подразделять на 8-, 16- и 32-разрядные.

• 8-разрядные микроконтроллеры представляют наиболее многочисленную группу этого класса микропроцессоров, которые имеют относительно низкую производительность, которая, однако, вполне достаточна для решения широкого круга задач управления различными объектами. Это простые и дешевые микроконтроллеры, ориентированные на использование в относительно несложных устройствах массового выпуска. Основными областями их применения являются бытовая и измерительная техника, промышленная автоматика, автомобильная электроника, теле-, видео- и аудиоаппаратура, средства связи.

Для этих микроконтроллеров характерна реализация Гарвардской архитектуры, где используется отдельная память для хранения программ и данных. Для хранения программ в различных типах микроконтроллеров применяется либо масочно-программируемое ПЗУ (ROM), либо однократно-программируемое ПЗУ (PROM), либо электрически репрограммируемое ПЗУ (EPROM, EEPROM или Flash). Внутренняя память программ обычно имеет объем от нескольких единиц до десятков Кбайт. Для хранения данных используется регистровый блок, организованный в виде нескольких регистровых банков, или внутреннее ОЗУ. Объем внутренней памяти данных составляет от нескольких десятков байт до нескольких Кбайт. Ряд микроконтроллеров этой группы позволяет в случае необходимости дополнительно подключать внешнюю память команд и данных, объемом до 64-256 Кбайт.

Микроконтроллеры этой группы обычно выполняют относительно небольшой набор команд (50-100), использующих наиболее простые способы адресации. В ряде последних моделей этих микроконтроллеров реализованы принципы RISC-архитектуры, что позволяет существенно повысить их производительность. В результате такие микроконтроллеры обеспечивают выполнение большинства команд за один такт машинного времени.

• 16-разрядные микроконтроллеры во многих случаях являются усовершенствованной
модификацией своих 8-разрядных прототипов. Они характеризуются не только увеличенной разрядностью обрабатываемых данных, но и расширенной системой команд и способов адресации, увеличенным набором регистров и объемом адресуемой памяти, а также рядом других дополнительных возможностей, использование которых позволяет повысить производительность и обеспечить новые области применения. Обычно эти микроконтроллеры позволяют расширить объем памяти программ и данных до нескольких Мбайт путем подключения внешних микросхем памяти. Во многих случаях реализуется их программная совместимость с более младшими 8-разрядными моделями. Основная сфера применения таких микроконтроллеров - сложная промышленная автоматика, телекоммуникационная аппаратура, медицинская и измерительная техника.

• 32-разрядные микроконтроллеры содержат высокопроизводительный процессор, соответствующий по своим возможностям младшим моделям микропроцессоров общего назначения. В ряде случаев процессор, используемый в этих микроконтроллерах, аналогичен CISC- или RISC-процессорам, которые выпускаются или выпускались ранее в качестве микропроцессоров общего назначения. Например, в 32-разрядных микроконтроллерах компании Intel используется процессор i386, в микроконтроллерах компании Motorola широко применяется процессор 680x0, в ряде других микроконтроллеров в качестве процессорного ядра служат RISC-процессоры типа PowerPC. На базе данных процессоров были реализованы различные модели персональных компьютеров. Введение этих процессоров в состав микроконтроллеров позволяет использовать в соответствующих системах управления огромный объем прикладного и системного программного обеспечения, созданный ранее для соответствующих персональных компьютеров.

Кроме 32-разрядного процессора на кристалле микроконтроллера размещается внутренняя память команд емкостью до десятков Кбайт, память данных емкостью до нескольких Кбайт, а также сложно-функциональные периферийные устройства -таймерный процессор, коммуникационный процессор, модуль последовательного обмена и ряд других. Микроконтроллеры работают е внешней памятью объемом до 16 Мбайт и выше. Они находят широкое применение в системах управления сложными объектами промышленной автоматики (двигатели, робототехнические устройства, средства комплексной автоматизации производства), в контрольно-измерительной аппаратуре и телекоммуникационном оборудовании.

Во внутренней структуре этих микроконтроллеров реализуется Принстонская или Гарвардская архитектура. Входящие в их состав процессоры могут иметь CISC- или RISC-архитектуру, а некоторые из них содержат несколько исполнительных конвейеров, образующих суперскалярную структуру.

Цифровые процессоры сигналов (ЦПС) представляют класс специализированных микропроцессоров, ориентированных на цифровую обработку поступающих аналоговых сигналов. Специфической особенностью алгоритмов обработки аналоговых сигналов определяется необходимость последовательного выполнения ряда команд умножения-сложения с накоплением промежуточного результата в регистре-аккумуляторе. Поэтому ap-i/тектура ЦПС ориентирована на реализацию быстрого выполнения операций такого рода. Набор команд этих процессоров содержит специальные команды MAC (Multiplication Aith Accumlation), реализующие эти операции.

Значение поступившего сигнала может быть представлено в виде числа с фиксированной или с «плавающей» точкой. В соответствии с этим ЦПС делятся на процессоры, обрабатывающие числа с фиксированной или плавающей точкой. Более простые и дешевые ЦПС с фиксированной точкой обычно обрабатывают 16-разрядные операнды, представленные а виде правильной дроби. Однако ограниченная разрядность в ряде случаев не позволяет обеспечить необходимую точность преобразования. Поэтому в ЦПС с фиксированной точкой, выпускаемых компанией «Motorola», принято 24-разрядное представление операндов. Наиболее высокая точность обработки обеспечивается в случае представления даныхв формате с «плавающей» точкой. В ЦПС, обрабатывающих данные с «плавающей» точкой,обычно используется 32-разрядный формат их представления.

Для повышения производительности при выполнении специфических операций обработки сигналов в большинстве ЦПС реализуется Гарвардская архитектура с использованием нескольких шин для передачи адресов, команд и данных. В ряде ЦПС нашли применение также некоторые черты VLIW-архитектуры: совмещение в одной команде нескольку операций, обеспечивающих обработку имеющихся данных и одновременную загрузку = исполнительный конвейер новых данных для последующей обработки.

 

Архитектурой процессора называется комплекс его аппаратных и программных средств, предоставляемых пользователю. В это общее понятие входит набор программно-доступных регистров и исполнительных (операционных) устройств, система основных команд и способов адресации, объем и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний.

Например, все модификации процессоров Pentium, Celeron, i486 и i386 имеют архитектуру IA-32 (Intel Architecture - 32 bit), которая характеризуется стандартным набором регистров, предоставляемых пользователю, общей системой основных команд и способов организации и адресации памяти, одинаковой реализацией защиты памяти и обслуживания прерываний.

При описании архитектуры и функционирования процессора обычно используется его представление в виде совокупности программно-доступных регистров, образующих регистровую или программную модель. В этих регистрах содержатся обрабатываемые данные (операнды) и управляющая информация. Соответственно, в регистровую модель входит группа регистров общего назначения, служащих для хранения операндов, и группа служебных регистров, обеспечивающих управление выполнением программы и режимом работы процессора, организацию обращения к памяти (защита памяти, сегментная и страничная организация и др.).

Регистры общего назначения образуют РЗУ - внутреннюю регистровую память процессора. Состав и количество служебных регистров определяется архитектурой микропроцессора. Обычно в их состав входят:

• программный счетчик PC (или CS + IP в архитектуре микропроцессоров Intel);

• регистр состояния SR (или EFLAGS);

• регистры управления режимом работы процессора CR (Control Register);

• регистры, реализующие сегментную и страничную организацию памяти;

• регистры, обеспечивающие отладку программ и тестирование процессора.

Кроме того, различные модели микропроцессоров содержат ряд других специализированных регистров.

Функционирование процессора представляется в виде реализации регистровых пересылок - процедур изменения состояния этих регистров путем чтения-записи их содержимого. В результате таких пересылок обеспечивается адресация и выбор команд и операндов, хранение и пересылка результатов, изменение последовательности команд и режимов функционирования процессора в соответствии с поступлением нового содержимого в служебные регистры, а также все другие процедуры, реализующие процесс обработки информации согласно заданным условиям.

В ряде процессоров выделяются регистры, которые используются при выполнении прикладных программ и доступны каждому пользователю, и регистры, которые управляют режимом работы всей системы и доступны только для привилегированных программ, входящих в состав операционной системы (супервизора). Соответственно, такие процессоры представляются в виде регистровой модели пользователя, в которую входят регистры, используемые при выполнении прикладных программ, или регистровой модели супервизора, которая содержит весь набор программно-доступных регистров процессора, используемых операционной системой.

Структура микропроцессора определяет состав и взаимодействие основных устройств и блоков, размещенных на его кристалле. В эту структуру входят:

• центральный процессор (процессорное ядро), состоящее из устройства управления (УУ), одного или нескольких операционных устройств (ОУ);

• внутренняя память (РЗУ, кэш-память, блоки оперативной и постоянной памяти);

• интерфейсный блок, обеспечивающий выход на системную шину и обмен данными с внешними устройствами через параллельные или последовательные порты ввода/вывода;

• периферийные устройства (таймерные модули, аналого-цифровые преобразователи, специализированные контроллеры);

• различные вспомогательные схемы (генератор тактовых импульсов, схемы для выполнения отладки и тестирования, сторожевой таймер и ряд других).

Состав устройств и блоков, входящих в структуру микропроцессора, и реализуемые механизмы их взаимодействия определяются функциональным назначением и областью применения микропроцессора.

Архитектура и структура микропроцессора тесно взаимосвязаны. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введения в структуру микропроцессора необходимых аппаратных средств (устройств и блоков) и обеспечения соответствующих механизмов их совместного функционирования.

В современных микропроцессорах реализуются следующие варианты архитектур.

CISC(Complex Instruction Set Computer)-apxumeкmypa реализована во многих типах микропроцессоров, выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Эта классическая архитектура процессоров, которая начала свое развитие в 1940-х годах с появлением первых компьютеров. Типичным примером CISC-процессоров являются микропроцессоры семейства Pentium. Они выполняют более 200 команд разной степени сложности, которые имеют размер от 1 до 15 байт и обеспечивают более 10 различных способов адресации. Такое большое многообразие выполняемых команд и способов адресации позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач. Однако при этом существенно усложняется структура микропроцессора, особенно его устройства управления, что приводит к увеличению размеров и стоимости кристалла, снижению производительности. В тоже время многие команды и способы адресации используются достаточно редко. Поэтому, начиная с 1980-х годов, интенсивное развитие получила архитектура процессоров с сокращенным набором команд (RISC-процессоры).

RISC(Reduced Instruction Set Computer)-apxumeкmypa отличается использованием ограниченного набора команд фиксированного формата. Современные RISC-процессоры обычно реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта. Также значительно сокращается число используемых способов адресации. Обычно в RISC-процессорах все команды обработки данных выполняются только с регистровой или непосредственной адресацией. При этом для сокращения количества обращений к памяти RISC-процессоры имеют увеличенный объем внутреннего РЗУ - от 32 до нескольких сотен регистров, тогда как в CISC-процессорах число регистров общего назначения обычно составляет 8-16.

Обращение к памяти в RISC-процессорах используется только в операциях загрузки данных в РЗУ или пересылки результатов из РЗУ в память. При этом используется небольшое число наиболее простых способов адресации: косвенно-регистровая, индексная и некоторые другие. В результате существенно упрощается структура микропроцессора, сокращаются его размеры и стоимость, значительно повышается производительность.

Указанные достоинства RISC-архитектуры привели к тому, что во многих современных CISC-процессорах используется RISC-ядро, выполняющее обработку данных. При этом поступающие сложные и разноформатные команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC-операций, быстро выполняемых этим процес­сорным ядром. Таким образом, работают, например, последние модели микропроцессоров Pentium и К7, которые по внешним показателям относятся к CISC-процессорам. Использование RISC-архитектуры является характерной чертой многих современных микропроцессоров.

VLIW(Very Large Instruction Word)-арxитeктyра появилась относительно недавно -в 1990-х годах. Ее особенностью является использование очень длинных команд (до 128 бит и более), отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполне­ние различных операций. Таким образом, одна команда вызывает выполнение сразу нескольких операций параллельно в различных операционных устройствах, входящих в структуру микропроцессора. При трансляции программ, написанных на языке высокого уровня, соответствующий компилятор производит формирование «длинных» VLIW-команд, каж­дая из которых обеспечивает реализацию процессором целой процедуры или группы операций. Данная архитектура реализована в некоторых типах современных микропроцессоров (РА8500 компании «Hewlett-Packard», Itanium -совместная разработка «Intel» и « Hewlett-Packard», некоторые типы DSP - цифровых процессоров сигналов) и является весьма перспективной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процессоров.

Кроме набора выполняемых команд и способов адресации важной архитектурной особенностью микропроцессоров является используемый вариант реализации памяти и организация выборки команд и данных. По этим признакам различаются процессоры с Принстонской и Гарвардской архитектурой. Эти архитектурные варианты были предложены в конце 1940-х годов специалистами соответственно Принстонского и Гарвардского университетов США для разрабатываемых ими моделей компьютеров.

Принстонская архитектура, которая часто называется архитектурой Фон-Неймана, характеризуется использованием общей оперативной памяти для хранения программ, данных, а также для организации стека. Для обращения к этой памяти используется общая системная шина, по которой в процессор поступают и команды, и данные. Эта архитектура имеет ряд важных достоинств. Наличие общей памяти позволяет оперативно перераспределять ее объем для хранения отдельных массивов команд, данных и реализации стека в зависимости от решаемых задач. Таким образом, обеспечивается возможность более эффективного использования имеющегося объема оперативной памяти в каждом конкретном случае применения микропроцессора. Использование общей шины для передачи команд и данных значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Поэтому Принстонская архитектура в течение долгого времени доминировала в вычислительной технике.

Однако ей присущи и существенные недостатки. Основным из них является необходимость последовательной выборки команд и обрабатываемых данных по общей системной шине. При этом общая шина становится «узким местом» (bottleneck - «бутылочное горло»), которое ограничивает производительность цифровой системы. Постоянно возрастающие требования к производительности микропроцессорных систем вызвали в последние годы все более широкое применение Гарвардской архитектуры при создании многих типов современных микропроцессоров.

Гарвардская архитектура характеризуется физическим разделением памяти команд (программ) и памяти данных. В ее оригинальном варианте использовался также отдельный стек для хранения содержимого программного счетчика, который обеспечивал возможности выполнения вложенных подпрограмм. Каждая память соединяется с процессором отдель­ной шиной, что позволяет одновременно с чтением-записью данных при выполнении текущей команды производить выборку и декодирование следующей команды. Благодаря такому разделению потоков команд и данных и совмещению операций их выборки реализуется более высокая производительность, чем при использовании Принстонской архитектуры.

Недостатки Гарвардской архитектуры связаны с необходимостью проведения большего числа шин, а также с фиксированным объемом памяти, выделенной для команд и данных, назначение которой не может оперативно перераспределяться в соответствии с требованиями решаемой задачи. Поэтому приходится использовать память большего объема, коэффициент использования которой при решении разнообразных задач оказывается более низким, чем в системах с Принстонской архитектурой. Однако развитие микроэлектронной технологии позволило в значительной степени преодолеть указанные недостатки, поэтому Гарвардская архитектура широко применяется во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров, где используется отдельная кэш-память для хранения команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессор­ных систем реализуются принципы Принстонской архитектуры.

Гарвардская архитектура получила также широкое применение в микроконтроллерах - специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, рабочая программа которых обычно хранится в отдельном ПЗУ.

Во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров реализуется конвейерный принцип выполнения команд. При этом процесс выполнения команды разбивается на ряд этапов. На рис. 1.1, а приведен пример разбиения команды на шесть этапов ее выполнения:

1) выборка очередной команды (ВК);

2) декодирование выбранной команды (ДК);

3) формирование адреса операнда (ФА);

4) прием операнда из памяти (ПО);

5) выполнение операции (ВО);

6) размещение результата в памяти (РР).

Реализация каждого этапа занимает один такт машинного времени и производится устройствами и блоками процессора, образующими ступени исполнительного конвейера, на каждой из которых выполняется соответствующая микрооперация. При последовательной загрузке в конвейер выбираемых команд каждая его ступень реализует определенный этап выполнения очередной команды. Таким образом, в конвейере одновременно находятся несколько команд, находящихся на разных этапах выполнения. В идеальном варианте при полной загрузке конвейера на его выход в каждом такте будет поступать результат выполнения очередной команды (рис. 1.1, а). В этом случае производительность процессора (операций/с) будет равна его тактовой частоте (тактов/с).

Однако такая эффективная работа конвейера обеспечивается только при его равномерной загрузке однотипными командами. Реально отдельные ступени конвейера могут оказаться незагруженными, находясь в состоянии ожидания или простоя. 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 (простой на ступенях ФА и ПО конвейера).

а)

Рис.1. Реализация конвейерного исполнения команд при идеальной (а) и реальной (б) загрузке 6-ступенчатого конвейера

На рис. 1, б показан пример работы 6-ступенчатого конвейера при выполнении фрагмента реальной программы, когда отдельные ступени оказываются в состоянии ожидания (ОЖ) или простоя (ПР). Команда INC R2, которая увеличивает на 1 содержимое регистра R2, не требует выборки операндов из памяти и размещения в ней результата. Поэтому при ее выполнении реализуется состояние простоя (ПР) на ступенях конвейера, выполняющих микрооперации ФА, ПО, PP. Команда MOV (R2), R3 производит пересылку содержимого ячейки памяти, адресуемой содержимым регистра R2, в регистр R3. При ее выполнении реализуются состояния ожидания (ОЖ), пока в регистре R2 не будет получен результат предыдущей операции. Такты ожидания (ОЖ) вводятся также при выполнении команды сложения ADD R3, (R4) до получения необходимого значения опе­ранда в регистре R3. В результате введения состояний ожиданий и простоя реальная производительность процессора при выполнении данного фрагмента программы соста­вит 5/3 команд/такт, то есть будет в 1,7 раз меньше, чем в идеальном случае (рис. 1, а).

В современных высокопроизводительных микропроцессорах процедура выполнения команд может разбиваться на еще более мелкие этапы, чтобы успеть выполнить соответствующие микрооперации на каждой ступени за один такт, длительность которого при тактовой частоте более 1 ГГц составляет менее наносекунды. Поэтому в таких процессорах число ступеней конвейера достигает 10 и более. Например, в микропроцессорах Pentium 4 используется 20-ступенчатый конвейер.

Эффективность использования конвейера определяется типом поступающих команд. При поступлении однородных команд обеспечивается сокращение числа состояний простоя и ожидания в процессе их выполнения, в результате чего повышается производительность процессора. 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 условного ветвления. Если выполняется условие ветвления, то приходится производить перезагрузку конвейера командами из другой ветви программы, что требует выполнения дополнительных рабочих тактов и вызывает значительное 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.

В современных микропроцессорах используются разнообразные способы предсказания ветвлений. 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. Для реализации этого способа предсказания ветвления используется специальная память ВТВ (Branch Target Buffer), где хранятся адреса ранее выполненных условных переходов. 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. Эффективность такого способа предсказания зависит от емкости ВТВ и оказывается достаточно высокой: вероятность правильного предсказания составляет 80% и более. Повышение точности предсказания достигается при использовании более сложных способов, когда хранится и анализируется предыстория переходов - результаты нескольких предыдущих команд ветвления по данному адресу. В этом случае возможно определение чаще всего реализуемого направления ветвления, а также выявление чередующихся переходов. Реализация таких алгоритмов требует использования более сложных блоков предсказания, но при этом вероятность правильного предсказания повышается до 90-95%.

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. В этих процессорах реализуется параллельная работа нескольких исполнительных конвейеров, в каждый из которых поступает для выполнения одна из выбранных и декодированных команд. В идеальном случае число одновременно выполняемых команд 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. Современные суперскалярные процессоры содержат до 4 до 10 различных операционных устройств, параллельная работа которых обеспечивает выполнение за один такт в среднем от 2 до 6 команд.

Эффективная одновременная работа нескольких исполнительных конвейеров обеспечивается путем предварительной выборки-декодирования ряда команд и выделения из них группы команд, которые могут выполняться одновременно. В современных суперскалярных процессорах производится выборка нескольких десятков команд, которые декодирую