Что такое шаг конвейера

Многих студентов интересует, что такое шаг конвейера при изучении архитектуры ЭВМ и микропроцессорных систем. Под этим термином понимают один законченный этап обработки инструкции или изделия, выполняемый за фиксированный промежуток времени. На каждом рабочем этапе параллельно обрабатываются разные команды, находящиеся на разных стадиях своего выполнения. Длительность этапа определяется самым долгим подпроцессом. В вычислительной технике такт процессора синхронизирует эти фазы, существенно повышая общую производительность всей системы.

$T_{cycle} = \max(t_i) + \tau$

Разбор по случаям

Примеры

Расчёт длительности такта. Для выполнения команды процессора требуется четыре этапа продолжительностью 2 нс, 3 нс, 5 нс и 4 нс. Время задержки межступенчатого регистра составляет 1 нс.

По формуле $T_{cycle} = \max(t_i) + \tau$ берется наибольшее время фазы 5 нс и добавляется задержка 1 нс.

В результате длительность цикла составляет $6\text{ нс}$, за которые завершается один рабочий этап.

Определение ускорения обработки. Процессорный конвейер содержит $k = 4$ ступени. Требуется последовательно выполнить $n = 100$ инструкций. При последовательной обработке понадобится $100 \cdot 4 = 400$ единиц времени.

С применением конвейера общее время составляет $k + n - 1 = 4 + 100 - 1 = 103$ такта.

В данном примере рассматриваемый шаг конвейера обеспечил ускорение работы процессора почти в 3,88 раза.

Частые ошибки

• Приравнивание продолжительности одного шага к полному времени выполнения отдельной команды.
• Вычисление длительности такта по среднему арифметическому значению времени работы всех ступеней.
• Пренебрежение временными задержками на синхронизацию между промежуточными регистрами при расчетах.

Коротко

Мы подробно рассмотрели, что такое шаг конвейера и как данный параметр определяет суммарное быстродействие вычислительного устройства. Правильная сбалансированность всех ступеней позволяет максимально эффективно использовать аппаратные ресурсы процессора.