Конвейеризация или пропускная способность vs латентность
Начнем с того, что в конвейерных системах такого понятия как "время выполнения одной команды" просто нет. Уместно провести такую аналогию. Допустим, некоторый приборостроительный завод выпускает шестьсот микросхем памяти в час. Ответьте: сколько времени занимает производство одной микросхемы? Шесть секунд? Ну конечно же нет! Полный технологический цикл составляет не секунды, и даже не дни, а месяцы! Мы не замечаем этого лишь благодаря конвейеризации
производства, т.е. разбиении его на отдельные стадии, через которые в каждый момент времени проходит по крайней мере одна микросхема.
Количество продукции, сходящей с конвейера в единицу времени, называют его пропускной способностью. Легко показать, что пропускная способность в общем случае обратно пропорциональна длительности одной стадии, – действительно, чем короче каждая стадия, тем чаще продукция сходит с конвейера. При этом количество самых стадий (попросту говоря длина конвейера) не играет абсолютно никакой роли. Кстати, обратите внимание, что практически на всех заводах каждая стадия представляет собой элементарную операцию, – вроде "накинуть ключ на гайку" или "стукнуть молотком". И не только потому, что человек лучше приспосабливается к однообразной монотонной работе (наоборот, он, в отличии от автоматов, ее терпеть не может!). Элементарные операции, занимая чрезвычайно короткое время, обеспечиваю конвейеру максимальную пропускную способность.
Той же самой тактики придерживаются и производители процессоров, причем заметна ярко выраженная тенденция увеличения длины конвейера в каждой новой модели. Так, если в первых Pentium длина конвейера составляла всего пять стадий, то в уже Pentium-II она была увеличена до четырнадцати стадий, а в Pentium-4– и вовсе до двадцати. Такая мера была вызвана чрезмерным наращиванием тактовой частоты ядра процессора и вытекающей отсюда необходимости как-то заставить конвейер на этой частоте работать.
С одной стороны и хорошо, – конвейер крутится как угорелый, спуская до 6 микроинструкций за такт и какое нам собственно дело до его длины? А вот какое! Вернемся к нашей аналоги с приборостроительным заводом.
Допустим, захотелось нам запустить в производство новую модель. Вопрос: через какое время она сойдет с конвейера? (Бюрократическими проволочками можно пренебречь). Ни через шесть секунд, ни через час новая модель готова не будет и придется ждать пока весь технологический цикл не завершится целиком.
Латентность – т.е. полное время прохождения продукции по конвейеру, может быть и не критична для неповоротливого технологического процесса производства (действительно, новые модели микросхем не возникают каждый день), но весьма ощутимо влияет на быстродействие динамичного процессора, обрабатывающего неоднородный по своей природе код. Продвижение машинных инструкций по конвейеру сопряжено с рядом принципиальных трудностей, – то не готовы операнды, то занято исполнительное устройство, то встретился условный переход (что равносильно переориентации нашего приборостроительного завода на производство новой модели) и… вместо безостановочного вращения конвейера мы наблюдаем его длительные простои, лишь изредка прерываемые короткими рывками, а затем вновь покой и тишина.
В лучшем случае время выполнения одной инструкции определяется пропускной способностью конвейера, а в худшем – его латентностью. Поскольку пропускная способность и латентность различаются где-то на порядок или около того, бессмысленно говорить о среднем времени выполнения инструкции. Оно не будет соответствовать никакой физической действительности.
Малоприятным следствием становится невозможность определения реального времени исполнения компактного участка кода (если, конечно, не прибегать к эмуляции процессора). До тех пор, пока время выполнения участка кода не превысит латентность конвейера (30 тактов на P6), мы вообще ничего не сможем сказать ни о коде, ни о времени, ни о конвейере!
