6.1.1. Синхронные линейные конвейеры

Эффективность синхронного конвейера во многом зависит от правильного выбо­ра длительности тактового периода Т_к. Минимально допустимую Т_к можно опре­делить как сумму наибольшего из времен обработки на отдельной ступени кон вейера T_СМАХ и времени записи результатов обработки в буферные регистры меж­ду ступенями конвейера T_БР:

.

Из-за вероятного «перекоса» в поступлении тактирующего сигнала в разные ступени конвейера предыдущую формулу следует дополнить еще одним элемен­том — максимальной величиной «перекоса» Т_пк:

.

Каждая ступень может содержать множество логических трактов обработки. Т_к определяется наиболее длинными трактами во всех ступенях конвейера. При разработке конвейера необходимо учитывать, что для двух последовательных эле­ментов, обрабатываемых одной и той же ступенью, обработка первого элемента может проходить по тракту максимальной длины, а второго элемента — по мини­мальному тракту. В итоге результат обработки второго элемента может появиться на выходе ступени прежде, чем в выходном регистре ступени будет запомнен пре­дыдущий результат. Чтобы избежать подобной ситуации, сумма Т_БР + Т_пк должна быть меньше минимального времени обработки в ступени Т_СМIN откуда:

.

Выбор длительности тактового периода для конвейера должен осуществляться с соблюдением соотношения:

.

Несмотря на очевидные преимущества выбора Т_к равным нижнему пределу, проектировщики ВМ обычно ориентируются на среднее значение между нижним и верхним пределами.

6.1.2. Метрики эффективности конвейеров

Чтобы охарактеризовать эффект, достигаемый за счет конвейеризации вычисле­ний, обычно используют три метрики: ускорение, эффективность и производитель­ность.

Под ускорением понимается отношение времени обработки без конвейера и при его наличии. Теоретически наилучшее время обработки входного потока из N зна­чений T_NK на конвейере с К ступенями и тактовым периодом T_K можно определить выражением:

.

Формула отражает тот факт, что до появления на выходе конвейера результата обработки первого элемента должно пройти K тактов, а последующие результаты будут следовать в каждом такте.

В процессоре без конвейера общее время выполнения составляет NKT_K. Таким образом, ускорение вычислений 5 за счет конвейеризации вычислений можно опи­сать формулой:

.

При ускорение стремится к величине, равной количеству ступеней в кон­вейере.

Еще одной метрикой, характеризующей конвейерный процессор, является эффективность Е — доля ускорения, приходящаяся на одну ступень конвейера:

.

В качестве третьей метрики часто выступает пропускная способность или произ­водительность Р — эффективность, деленная на длительность тактового периода:

.

При эффективность стремится к единице, а производительность – к ча­стоте тактирования конвейера:

.

6.1.3. Нелинейные конвейеры

Конвейер не всегда представляет собой линейную цепочку этапов. В ряде ситуа­ций оказывается выгодным, когда функциональные блоки соединены между со­бой не последовательно, а в соответствии с логикой обработки, при этом одни бло­ки в цепочке могут пропускаться, а другие — образовывать циклические структуры. Это позволяет с помощью одного и того же конвейера одновременно вычислять более одной функции, однако если эти функции конфликтуют между собой, то такой конвейер трудно загрузить полностью. Структура нелинейного конвейера, одновременно вычисляющего две функции X и Y, приведена на рис. 49.

Рис. 49. Нелинейный конвейер.