Конвейеризация — это методика выполнения вычислительных процессов, которая применяется в современных процессорных модулях для увеличения их производительности.
Методики увеличения скорости обработки информации
Увеличение скорости обработки информации является основной задачей формирования организационной структуры компьютеров, компьютерного оборудования и различных систем. Главными направлениями, позволяющими решить эту задачу, являются:
- Разработка и усовершенствование физических компонентов, которые обеспечивают большие скорости переключений.
- Формирование нестандартных методик и технического оборудования информационной обработки.
- Объединение операций.
Последняя методика имеет две возможных реализации, а именно:
- Параллельная обработка информации.
- Конвейерная обработка информации.
По существу, это два абсолютно различных метода. Параллелизм подразумевает возможность совместить операции за счёт их выполнения на разных копиях аппаратной структурной организации. Здесь повышение производительности получается путём использования единовременного и аналогичного функционирования идентичных компонентов компьютерного оборудования, выполняющих решение фрагментов поставленной задачи.
Конвейеризация в обобщённом смысле базируется на разделении выполняемой операции на более мелкие составляющие, которые называются подфункциями, и предоставлении для выполнения каждой подфункции своего аппаратного блока.
Организация вычислительного конвейера
Вычислительный конвейер предполагает перемещение команд или данных по этапам цифрового вычислительного конвейера со скоростью, не зависящей от протяжённости конвейера (количества этапов), а зависит только от скорости подачи информации на конвейерные этапы. Скорость задаётся временем, в течение которого один компонент вычислительной операции способен пройти каждый этап, то есть самой большой задержкой на этапе, который выполняет отдельный участок функции. Это также значит, что скорость вычислений задаётся и скоростью поступления информации на вход конвейера.
В случае, когда какая-либо функция при её обычном выполнении реализуется за временной интервал T, но имеется возможность её деления на поочерёдное исполнение N подфункций, то в идеальном конвейере, если вычисление этой функции повторяется многократно, возможно её исполнение за временной период Т/N, то есть в N раз увеличить производительность. Различие реального и идеального конвейера заключается в наличии в реальной вычислительной системе различных помех. Общий смысл помехи заключается в присутствии фактора, который связан с самой функцией, конструктивными особенностями конвейера или его применения, препятствующих постоянному приходу новой информации на конвейерные этапы с самой большой скоростью.
Конвейерные вычисления сводятся к методам реализации компьютерного оборудования. Основными принципами, на которых построены методологии проектирования, являются:
- Реализация вычислений заданной функции аналогично последовательному вычислению набора подфункций.
- Значения, которые являются входными для определённой подфункции, будут выходными для подфункции, стоящей перед ней в очерёдности вычислений.
- Между подфункциями есть только информационный обмен и ничего более.
- Все подфункции обязательно выполняются отдельным аппаратным модулем.
- Все аппаратные модули выполняют свои действия за одинаковое время.
Аппаратные модули являются ступенями выполнения функции, и предполагается дискретность информационного потока. Обычно предполагается, что все ступени являются логическими схемами, не имеющими модуля памяти, но на их входах и выходах такие фиксирующие модули памяти присутствуют. Перемещение дискретных данных между ступенями выполняется по синхронизирующим сигналам.
Системы с перекрытиями процессов
Очень близки по принципу работы к системам с конвейеризацией системы с перекрывающимися процессами. В системах, имеющих перекрытия процессов вычислений, отсутствуют отдельные жёсткие условия на способы их проектирования. Системы информационной обработки, имеющие перекрытие процессов, иногда считают (что не совсем правильно) асинхронными или динамическими конвейерными системами. При осуществлении перекрытий допустимы следующие возможности:
- Допускается некоторая зависимость среди отдельных вычислительных действий подфункций.
- Любое вычисление может состоять из своей цепи подфункций.
- Предназначение подфункций может существенно отличаться.
- Временной интервал, требуемый для выполнения одного этапа, может быть не постоянным, а зависящим от типа функции данного этапа и входных данных.
Классификация конвейерных систем
Вычислительные конвейеры можно классифицировать по их возможностям и областям использования. Одно функциональным конвейером считается система, предназначенная для вычислений основной функции одного типа. То есть она осуществляет одинаковые операции над входными информационными комплектами. Под многофункциональным конвейером понимается система, предназначенная для вычисления различных типов функций.
Многофункциональные конвейерные вычислительные системы делятся на следующие виды:
- Системы, имеющие статическую конфигурацию.
- Системы, имеющие конфигурацию, задаваемую программно (векторные процессоры).
- Системы с динамической конфигурацией (изменяется для разных видов команд).
Помехи в конвейерах
Различают следующие типы помех:
- Помехи структурного плана.
- Помехи, которые зависят от типа информации.
Первые появляются при попытке двух или более информационных фрагментов применить один и тот же этап одновременно. То есть, фактически это можно трактовать как столкновение.
Второй тип помех проявляется в том случае, если действия на одном этапе конвейера могут разрешить или запретить прохождение данных через другие этапы.
