Цель работы
Знакомство с понятием конвейера, его местом и роли в современных высокопроизводительных системах. Оценка выигрыша от применения конвейера.
Задание на лабораторную работу
Программно реализовать модель работы конвейерной системы, спецификация которой дана ниже. Оценить работу модели.
Общее описание
Система состоит из процессора с конвейерным устройством исполнения команд. Число ступеней конвейера — пять, время длительности выполнения каждой ступени одинаково и равно одному такту синхронизации конвейера. На каждой из ступени конвейера выполняются следующие действия:
- IF — выборка команды (по адресу, заданному счетчиком команд,
из памяти извлекается команда) - ID — декодирование команды и выборка операндов из регистров, если необходимо
- EX — выполнение операции или вычисление эффективного адреса памяти, если операнд загружается или сохраняется в памяти
- MEM — чтения операнда из памяти
- WB — запоминание результата в регистрах или в памяти
Заметим, что для некоторых команд необходимы не все ступени. На таких ступенях, команда простаивает.
Регистровый файл состоит из 8 32-разрядных регистров общего назначения (r0…r7), счетчика команд PC. Объем оперативной памяти — по усмотрению студента.
В системе присутствуют все необходимые функциональные блоки, необходимые для исполнения приведенных ниже команд. Устройство выборки допускает одновременный выбор и команд, и данных из памяти. Для устранения конфликта по данным используется механизм «закоротки» и приостановки конвейера. Для устранения конфликта по управлению используется механизм перезапуска конвейера.
Система команд
Все операнды целочисленные.
По умолчанию все команды занимают один такт на каждой ступени конвейера.
№ | Мнемоника | Краткое описание |
Команды чтения/записи | ||
1 | LW Ri, (Rj) | загрузить из памяти по адресу, указанному в регистре Rj, 32-разрядное слово в регистр Ri |
2 | SW (Ri), Rj | сохранить в памяти по адресу, указанному в регистре Ri, 32-разрядное слово из регистра Rj |
3 | MOV Ri, Rj | Ri ¬ Rj |
Арифметические и логические операции
(op1, op2 — либо регистр, либо константа, в качестве обеих операндов константы выступать не могут) |
||
1 | ADD Ri, op1, op2 | Ri ¬ op1 + op2 |
2 | SUB Ri, op1, op2 | Ri ¬ op1 — op2 |
3 | MUL Ri, op1, op2 | Ri ¬ op1 * op2 (время выполнения — 3 такта) |
4 | DIV Ri, op1, op2 | Ri ¬ op1 / op2 (целочисленное деление, время выполнения — 3 такта) |
5 | AND Ri, op1, op2 | Ri ¬ op1 AND op2 (поразрядное) |
6 | OR Ri, op1, op2 | Ri ¬ Rj OR Rk (поразрядное) |
7 | XOR Ri, op1, op2 | Ri ¬ Rj XOR Rk (поразрядное) |
8 | NOT Ri | инвертирование всех разрядов регистра Ri |
Команды передачи управления
(Li — номер строки) (реализовывать необязательно) |
||
1 | JMP Li | PC = Li |
2 | LOOP Li, Rj | if (Rj == 0) then PC++; else { Rj—; PC = Li } |
Прочие команды | ||
1 | NOP | пустая операция |
Требования к пользовательскому интерфейсу программы
Внешний вид программы должен отображать текущее состояние системы: номер такта процессора, содержимое конвейера (какие команды на какой ступени исполняются), содержимое счетчика команд и регистров, содержимое памяти и т.п.
Программа должна допускать ввод пользователем произвольной программы из команд приведенной выше системы команд, и запуск на выполнение введенной программы. Программа должна допускать пошаговое выполнение пользовательской программы с обновлением состояния системы в конце каждого шага.
Модель должна диагностировать все возможные возникающие конфликты и устранять их с выводом соответствующих сообщений.
В конце выполнения пользовательской программы модель должна выводить потраченное на выполнение число тактов конвейера, число тактов, которое понадобилось бы при неконвейерной организации, и коэффициент выигрыша от применения конвейера.
Возможные дополнения.
- фиксирование результатов выполнения последней команды в регистре флагов;
- расширение системы команд, например, командами условного перехода;
- введение динамической оптимизации потока команд для минимизации потерь от конфликтов по данным;
- применение в качестве механизма устранения конфликта по управлению более совершенного и т.п.
ВЫПОЛНЕНИЕ
Разработка интерфейса
На экране каким-то образом необходимо отобразить состояние регистров, памяти, программу и состояние конвейера.
Для отображения памяти и регистров наиболее подходящим является таблицы.
Для отображения текста программы вполне подходит текстовое поле.
Разработка структуры программы
Поскольку моделируется конвейер, то проще всего для каждого этапа конвейера написать отдельную процедуру DoIF, DoID, DoEX, DoMEM, DoWB.
Разработка структуры данных
Для хранения данных регистров и памяти естественно лучше всего подходит массив, а для хранения команды был написан следующий класс:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
TNonAssembledCommand=class public Command:TCommand; Operands:array[1..3] of integer; WhoConst:integer;//Который из Operand1,Operand2,Operand3 является константой CountOfOperands:integer; strCommand:String; procedure SetCommand(const Str1:string); procedure SetOperand(Index:integer;const S:string); end; |
Command — команда.
Поскольку максимальное количество операндов 3, то массив Operands имеет размер 3. Он хранит значения операндов.
WhoConst — только один операнд может быть константой. Если WhoConst>0, то элемент массива Operands[WhoConst] является константой, иначе номер регистра.
CountOfOperands — количество операндов. Поскольку команды имеют различное число операндов. С помощью этого поля можно однозначно узнать количество задействованных элементов массива Operands.
StrCommand — строковое значение команды, для визуального отображения в устройстве конвейера.
Текст основной части программы
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 257 258 259 260 261 262 263 264 265 266 267 268 269 270 271 272 273 274 275 276 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297 298 299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309 310 311 312 313 314 315 |
procedure TfrmMain.DoTakt; var n:integer; begin for n:=0 to 7 do begin sgRegisters.cells[1,n+1]:=IntToStr(Registers[n]); end; for n:=0 to MEMORY_SIZE do begin sgMemory.Cells[1,n+1]:=IntToStr(Memory[n]); end; //Вывод параметров системы sgParameters.Cells[1,1]:=IntToStr(Takt); sgParameters.Cells[1,2]:=IntToStr(CommandCounter); if not ProgramOver Then begin Inc(Takt); DoWB; DoMEM; DoEX; DoID; DoIF; for n:=1 to 5 do begin if (Conveyor[n]>0) and (Conveyor[n]<Length(Commands)) Then sgConveyor.Cells[1,n]:=Commands[Conveyor[n]].strCommand else sgConveyor.Cells[1,n]:=''; end; if (EXjumperEX) Then begin sgParameters.Cells[1,3]:='Конфликт по данным'; sgParameters.Cells[1,4]:='Закоротка EX-EX'; EXjumperEX:=false; end else begin if IDDelay Then begin sgParameters.Cells[1,3]:='Конфликт по данным'; sgParameters.Cells[1,4]:='Приостановка конвеера'; end else begin if ((IFBusy<>-1) or (IDBusy<>-1) or (EXBusy<>-1) or (MEMBusy<>-1) or (WBBusy<>-1)) Then begin sgParameters.Cells[1,3]:='Структурный конфликт'; sgParameters.Cells[1,4]:='Приостановка конвеера'; end else begin sgParameters.Cells[1,3]:=''; sgParameters.Cells[1,4]:=''; end; end //IDDelay end; if ProgramOver Then begin CalculateCharacteristics; end; end;// not ProgramOver end; Procedure TfrmMain.DoIF; begin if (IFBusy=-1) Then begin if (IDBusy<>-1) Then IFBusy:=1; Conveyor[1]:=CommandCounter; Inc(CommandCounter); end else begin if (IDBusy=-1) Then IFBusy:=-1; end; //if Length(Commands)>Conveyor[1] and Conveyor[1]>0 Then // sgConveyor.Cells[1,1]:=Commands[Conveyor[1]].strCommand //else //begin // sgConveyor.Cells[1,1]:=''; //end; end; procedure TfrmMain.DoID; var n,k:integer; Command:^TNonAssembledCommand; EXCommand,MEMCommand:^TNonAssembledCommand;//Для решения конфликта по данным begin if (EXBusy<>-1) Then IDBusy:=1; if (IDBusy=-1) Then Conveyor[cID]:= Conveyor[cIF]; if (Conveyor[cID]>0) and (Conveyor[cID]<Length(Commands)) Then begin if (IDBusy>0) Then Dec(IDbusy); if (IDBusy=0) Then begin IDBusy:=-1;IDDelay:=false; end; Command:=@Commands[Conveyor[cID]]; if (Conveyor[cEX]>0) and (Conveyor[cEX]<Length(Commands))Then EXCommand:=@Commands[Conveyor[cEX]] else EXCommand:=NIL; if (Conveyor[cMEM]>0) and (Conveyor[cMEM]<Length(Commands))Then MEMCommand:=@Commands[Conveyor[cMEM]] else MEMCommand:=NIL; k:=Command.CountOfOperands; for n:=1 to k do begin if (Command^.WhoConst=n) Then varsID[Command^.WhoConst]:=Command^.Operands[n] else begin varsID[n]:=Registers[Command^.Operands[n]]; if (EXCommand<>NIL) then begin if ((EXCommand^.Command=cLW) and (EXCommand^.Operands[1]=Command^.Operands[n])) Then begin IDBusy:=2; IDDelay:=true; end; end; if (MEMCommand<>NIL) then begin if ((MEMCommand^.Command=cLW) and (MEMCommand^.Operands[1]=Command^.Operands[n])) Then begin IDBusy:=1; IDDelay:=true; end; end; end; end; end; end; procedure TfrmMain.DoEX; var n,k:integer; Command:^TNonAssembledCommand; MEMCommand:^TNonAssembledCommand; begin if (EXBusy=-1) Then begin if (IDBusy=-1) Then begin Conveyor[cEX]:=Conveyor[cID]; if (Conveyor[cMEM]>0) and (Conveyor[cMEM]<Length(Commands)) Then MEMCommand:=@Commands[Conveyor[cMEM]] else MEMCommand:=NIL; k:=3; if (Conveyor[cEX]>0) and (Conveyor[cEX]<Length(Commands)) Then begin k:=Commands[Conveyor[cEX]].CountOfOperands; for n:=1 to k do begin varsEX[n]:=varsID[n]; if (MEMCOmmand<>NIL) Then begin case MEMCommand.Command of cADD,cSUB,cMUL,cDIV,cAND,cOR,cXOR,cNOT: begin if (Commands[Conveyor[cEX]].WhoConst<>n) and (n<>1) and (Commands[Conveyor[cEX]].Operands[n]=MEMCommand.Operands[1]) Then begin //Осуществляем закоротку varsEX[n]:=varsMEM[1]; EXjumperEX:=true; end; end; end; end;//if MEMCommand<>NIL end;//for end;//if Conveyor[cEX]>0..... end else begin Conveyor[cEX]:=0; end; end;//if EXBusy=-1 if (Conveyor[cEX]>0) and (Conveyor[cEX]<Length(Commands)) Then begin Command:=@Commands[Conveyor[cEx]]; case Command.Command of cADD: begin varsEX[1]:=varsEX[2]+varsEX[3]; end; cMOV: begin varsEX[1]:=varsEX[2]; end; cSUB: begin varsEX[1]:=varsEX[2]-varsEX[3]; end; cMUL: begin if (EXBusy=-1) then EXBusy:=3; Dec(EXBusy); if (EXBusy=0) Then begin EXBusy:=-1; varsEX[1]:=varsEX[2]*varsEX[3]; end; end; cDIV: begin if (EXBusy=-1) then EXBusy:=3; Dec(EXBusy); if (EXBusy=0) Then begin EXBusy:=-1; varsEX[1]:=varsEX[2] DIV varsEX[3]; end; end; cAND: begin varsEX[1]:=varsEX[2] and varsEX[3]; end; cOR: begin varsEX[1]:=varsEX[2] or varsEX[3]; end; cXOR: begin varsEX[1]:=varsEx[2] xor varsEX[3]; end; cNOT: begin varsEX[1]:= NOT varsEX[1]; //ВНИМАНИЕ ЭТА КОМАНДА НЕ ПРОТЕСТИРОВАНА!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! end; //Для команд NOP, LW, SW в блоке EX ничего делать не нужно. end;//end case end; end; procedure TfrmMain.DoMEM; var n:integer; Command:^TNonAssembledCommand; begin //Проверка, если устройство вычисления не успело вычислить, то ничего не делаем if (EXBusy=-1) Then begin MEMBusy:=-1; Conveyor[cMEM]:=Conveyor[cEX]; for n:=1 to 3 do varsMEM[n]:=varsEX[n]; if (Conveyor[cMEM]>0) and (Conveyor[cMEM]<Length(Commands)) Then begin Command:=@Commands[Conveyor[cMEM]]; case Command.Command of cLW: begin {Registers[varsMEM[1]]:=Memory[varsMEM[2]] shl 24 + Memory[varsMEM[2]+1] shl 16 + Memory[varsMEM[2]+2] shl 8 + Memory[varsMEM[2]+3];} Registers[varsMEM[1]]:=Memory[varsMEM[2]]; end; cSW: begin {Memory[varsMEM[1]]:=byte(Registers[varsMEM[2]]shr 24); Memory[varsMEM[1]+1]:=byte(Registers[varsMEM[2]]shr 16); Memory[varsMEM[1]+2]:=byte(Registers[varsMEM[2]]shr 8); Memory[varsMEM[1]+3]:=byte(Registers[varsMEM[2]]);} Memory[varsMEM[1]]:=Registers[varsMEM[2]]; end; end; end; end else begin MEMbusy:=1; Conveyor[cMEM]:=0; end; end; procedure TfrmMain.DoWB; var n:integer; Command:^TNonAssembledCommand; begin if (MEMBusy=-1) Then begin WBBusy:=-1; Conveyor[cWB]:=Conveyor[cMEM]; if (Conveyor[cWB]>=Length(Commands)) Then ProgramOver:=true; for n :=1 to 3 do varsWB[n]:=varsMEM[n]; if (Conveyor[cWB]>0) and (Conveyor[cWB]<Length(Commands)) Then begin Command:=@Commands[Conveyor[cWB]]; case Command.Command of cADD,cSUB,cMUL,cDIV,cAND,cOR,cXOR,cMOV: begin Registers[Command^.Operands[1]]:=varsWB[1]; end; end; end; end else begin WBBusy:=1; Conveyor[cWB]:=0; end; end; |
ВЫВОД
Модель была протестирована на следующей программе:
1 2 3 |
LW R1 R7 ADD R0 R1 8 SUB R2 R0 3 |
Результат – коэффициент выигрыша 1,5.
Следовательно конвейеризация является эффективным средством увеличения производительности.
Скачать архив с исходными кодами программы
Обратите внимание на каталог EX1EX2EX3. Я сейчас точно не могу вспомнить, что это такое, но скорее всего это было задание при защите лабораторной работы.