Методы повышения быстродействия

Для решения больших задач нужны все более быстрые компьютеры. Есть всего два основных способа повышения быстродействия ЭВМ:

 

1. За счет повышения быстродействия элементной базы (тактовой частоты). Быстродействие процессора растет пропорционально росту тактовой час-

тоты, при этом не требуется изменения системы программирования и пользовательских программ.

2. За счет увеличения числа одновременно работающих в одной задаче

ЭВМ, процессоров, АЛУ, умножителей и так далее, то есть за счет параллелизма выполнения операций. Это требует использования сложных систем параллельного программирования. Это крупный недостаток метода.

 

Параллельные системы по архитектуре разделяются на два класса:

• Конвейерные системы, когда несколько специализированных блоков одновременно работают над частями одного потока команд.

• Параллельные системы, когда множество команд одной программы одновременно выполняются множеством АЛУ или процессоров.

Рассмотрим примеры этих методов.

Тактовая частота (рис.1.1). Тактовая частота зависит от размеров конст-

руктива, кристалла, на котором расположены арифметико-логические элемен-

ты.Повышение тактовой частоты является важным средством повышения быстродействия компьютеров, но ограничено фундаментальными физическими законами. Естественно, при переходе на расстояния внутри кристалла, соответственно вырастает и частота.

В реальной комбинационной схеме компьютера за время такта синхронизации сигнал последовательно проходит через много логических схем. Это время прохождения определяет длительность такта и частоту синхронизации,

Конвейерные системы. Для примера рассмотрим конвейер команд известного микропоцессора Pentium.

Он содержит следующие ступени:

• ступень предвыборки PF (Prefetch), которая осуществляет упреждающую

выборку группы команд в соответствующий буфер;

• ступень декодирования полей команды D1 (Decoder 1);

• ступень декодирования D2 (Decoder 2), на которой производится вычисление абсолютного адреса операнда, если операнд расположен в памяти;

• на ступени исполнения EXE (Execution) производится выборка операндов из РОН или памяти и выполнение операции в АЛУ;

• на ступени записи результата WR (Write Back) производится передача полученного результата далее.

 

В таком конвейере на разных ступенях выполнения находится 5 команд.

После очередного такта на выходе конвейера получается новый результат (ка-

ждый такт), а на вход выбирается новая команда. В идеальном случае быстро-

действие микропроцессора возрастает в 5 раз.

Конвейерные системы теряют смысл, когда время передачи информации со ступени на ступень становится соизмеримым со временем вычислений на каждой ступени.