feat: описаны конфликты по структуре и часть конфликтов по данным

01 - Зависимости структурные, по данным и управлению. Способы преодоления зависимостей. Построение статической и динамической трассы исполнения команд.md

@@ -0,0 +1,85 @@
+---
+Статус: в работе
+Соответствует: "2"
+---
+*Длиннющий билет*
+
+> [!info]+ Отступление про конвейер
+> Большинство процессоров сейчас конвейерные. Выполнение инструкции разбивается на отдельные этапы, которые могут выполняться +- паралелльно. В рамках методички выделяются следующие типичные стадии конвеера
+> - выборка команды - IF (по адресу, заданному счетчиком команд, из памяти извлекается команда);
+> - декодирование команды / выборка операндов из регистров - ID;
+> - выполнение операции / вычисление эффективного адреса памяти - EX;
+> - обращение к памяти - MEM;
+> - запоминание результата - WB.
+> 
+> ![[conveyor_example_1.gif]]
+> *Конвейер некорректный, потому что тут есть зависимость по данным, которая не учитывается. Потом поймете*
+> 
+> Производительность этом возрастает благодаря тому, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняются несколько команд. Она не сокращает время выполнения отдельной команды. Имеются некоторые накладные расходы на конвейеризацию, возникающие в результате несбалансированности задержки на каждой его ступени. Частота синхронизации (такт синхронизации) не может быть выше, чем время, необходимое для работы наиболее медленной ступени конвейера
+
+# Зависимости структурные, по данным и управлению
+
+На конвейере иногда возникают различные конфликтные ситуации, например WB пишет в регистр R1, а ID из него же хочет почитать. Они не могут сделать это одновременно. Разрешение подобных конфликтов как правило сопряжено с замедлениями конвейера
+
+**Выделяют 3 класса конфликтов**:
+
+1. Структурные конфликты, которые возникают из-за конфликтов по ресурсам, когда аппаратные средства не могут поддерживать все возможные комбинации команд в режиме одновременного выполнения с совмещением.
+2. Конфликты по данным, возникающие в случае, когда выполнение одной команды зависит от результата выполнения предыдущей команды.
+3. Конфликты по управлению, которые возникают при конвейеризации команд переходов и других команд, которые изменяют значение счетчика команд
+
+## Структурные зависимости и способы их преодоления
+
+*Обычно случаются, потому что аппаратных средств ограниченное количество. Конечно количество ядер, конечно количество конвейеров, конечна пропускная способность оперативной памяти или не поддерживается одновременная запись и чтение*
+
+%%
+Может возникнуть например когда нескольким ступеням конвейера необходимо обратиться к памяти, а у ОЗУ только один порт и он не поддерживает много обращений одновременно. Чтобы разрешить эту ситуацию, можно просто приостановить конвейер на один такт, когда происходит обращение к памяти за данными. Подобная приостановка часто называются "конвейерным пузырем" (pipeline bubble) или просто пузырем, поскольку пузырь проходит по конвейеру, занимая место, но не выполняя никакой полезной работы
+%%
+
+Продемонстрируем структурные конфликт на следующем примере: "когда одна команда содержит обращение к памяти за данными, оно будет конфликтовать с выборкой более поздней команды из памяти"
+### Решение
+
+**Чтобы разрешить эту ситуацию, можно просто приостановить конвейер на один такт, когда происходит обращение к памяти за данными.**
+
+*Пример из методички:*
+![[Pasted image 20250609133320.png]]
+
+> [!tip]- Анимация для удобства восприятия:
+> ![[buble_demo.gif]]
+> *Вероятно хотели показать, что команда 1 на этапе MEM выполняет обращение к оперативной памяти, из-за чего не получается загрузить новую команду на конвейер*
+
+Структурные конфликты остаются в аппаратуре, потому что их полное решение сопряжено с очень большими денежными затратами и полным перепроектированием всего процессора и его периферии
+## Зависимости по данным и методы их преодоления
+
+Зависимость по данным может быть продемонстрирована на следующем примере:
+
+![[Pasted image 20250609134742.png]]
+
+> [!tip]- Анимация для демонстрации
+> ![[data_conflict.gif]]
+
+В этом примере все команды, следующие за командой ADD, используют результат ее выполнения. Если ничего не сделать, то SUB прочитает неправильное значение
+
+*Значение регистра R1 не является определенным, даже если мы знаем все предыдущие команды в программе, потому что могли происходить прерывания, изменившие R1*
+
+### Решение
+
+Решается проблема при помощи техники **обхода (data bypassing)** или **закоротки (short-circuiting)** - Результат операции АЛУ с его выходного регистра всегда снова подается назад на входы АЛУ. Если аппаратура обнаруживает, что предыдущая операция АЛУ записывает результат в регистр, соответствующий источнику операнда для следующей операции АЛУ, то логические схемы управления выбирают в качестве входа для АЛУ результат, поступающий по цепи "обхода" , а не значение, прочитанное из регистрового файла
+
+> [!tip]- Анимация для удобства восприятия
+> *Анимация довольно сложная и комплексная, так то пришлось поставить ее в качестве mp4*
+>
+> ![[short_circuit.mp4]]
+>
+> В реальности аппаратура замечает, что нужно использовать закоротку еще в момент ex команды ADD, уже тогда она знает, что запрашивается регистр, являющийся выходным. Но суть в анимации передана
+
+Зависимости по данным группируются в следующую таблицу
+
+![[Pasted image 20250609153524.png]]
+
+Возьмем команды: сначала на конвейер приходит команда A, потом команда B
+- RAW - B пытается читать тот регистр, в который еще не успела записать A. Есть риск получить старое или вовсе мусорное значение
+- WAR - A пытается прочитать из ячейки, куда пишет B. Фактически это означает, что по какой-то причине B получает возможность писать раньше, чем A читать, что не должно происходить, если A попадает на конвейер раньше B. Однако в процессорах 6 поколения допускается выполнение команд не в порядке их следования в коде
+- WAW - B пытается писать операнд раньше, чем А запишет свой результат, то есть записи происходят в неправильном порядке. *Возможны только в конвейерах, где запись может происходить на нескольких ступенях*
+
+*схема на рисунке*
+![[Pasted image 20250609162101.png]]