Процедура виконання команд
Процесор працює під управлінням програми, що складається із послідовності команд. Під час виконання кожної команди процесор виконує деяку послідовність дій, звану циклом виконання команди. Кожен цикл складається з кількох фаз. Стандартні фази роботи ЦП включають:
Виконання командиабо арифметична операція - ініціалізація (кодом операції) циклу роботи пристрою управління, який, у свою чергу, керує роботою АЛУ, регістрів та схем сполучення.
Запис результатів— результат виконання передається до локальної або основної пам'яті.
Обробку переривання- сигналів від внутрішніх та зовнішніх джерел, що вимагають негайної реакції ЕОМ.
Зміна станупроцесора та системи в цілому, далі процесор переходить до вибірки та виконання наступної команди.
Ці фази (крім переривання) повинні виконуватися послідовно кожної команди. Однак для кількох команд можна поєднати у часі різні фази циклу. Для цього весь процесор розбивається на кілька частин – щаблів (рівнів) конвеєра. На кожному щаблі виконується певна фаза виконання команди. Таке поєднання стадій виконання кількох команд різних ступенях конвеєра призводить до того, що виконання наступної команди починається у ньому до закінчення попередньої. Це значно збільшує швидкодію процесора.Таку організацію процесора стали називати конвеєром команд.
На рис.2 показані часові діаграми виконання команди з розбиттям на фази а) послідовна обробка команд; б) обробка команд у режимі суміщення - конвеєр команд. Для простоти прийнято число фаз та щаблів конвеєра рівним 4. Моментичасу, позначені t1, t2, ... tN позначають моменти закінчення виконання команд 1, 2, … N - відповідно. Як видно з малюнка 2, за менший час може бути виконано більше команд при конвеєрній обробці, ніж без неї. Значить середня тривалість виконання команд у процесорі t СР (інтервал, через який з конвеєра «сходить» виконана команда), набагато менше при конвеєрній обробці, ніж при послідовному виконанні команд. tСР при конвеєрній обробці залежить не так від тривалості всіх фаз команди, як від кількості ступенів конвеєра та тимчасового кроку конвеєра.
а) послідовне виконання команд;
б) суміщене виконання команд (конвеєризація).
Поєднані принципи обробки (конвеєр) команд суттєво збільшують пропускну спроможність процесора, проте ефективність їх використання залежить від управління (синхронізації) та числа рівнів обробки – ступенів конвеєра.
Простои також виникають за взаємозалежності команд, тобто. використання наступної команди результатів попередньої команди (див. рис.4). Наступна команда2 неспроможна завершити вибірку операндів і розпочати їхню обробку, т.к. попередня команда1 не записала результату, який і буде операндом для команди2.
Простої та нерівномірність у роботі конвеєра можуть бути також викликані різною тривалістю різних фаз команд. Команда2 може вже бути готова перейти до наступного ступеня, але цей ступінь може виявитися ще зайнятим попередньою командою1. І навпаки, ступінь конвеєравільна, але команда, яка має туди перейти, ще перебуває на попередній фазі виконання. Тому CISC-процесори зі своїми складними багатотактними командами мають меншу ефективність від застосування конвеєрної обробки, ніж RISC-процесори.
Слід враховувати, що поєднання обробки збільшує обсяг устаткування й ускладнює схеми управління тим більше, що більше кількість рівнів поєднання – щаблів. Всі ці обставини доводиться враховувати при виборі числа рівнів суміщення у кожному конкретному випадку для отримання заданих параметрів і насамперед питомих витрат (ставлення продуктивності вартості). Досвід розробки ЕОМ загального призначення та проведені дослідження показують, що технічно та економічно доцільною є суміщена обробка 5-6 команд.