---
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]]