DE2404459B2 - Mehr-befehlsstrom-rechenanlage - Google Patents

Description

speicher bestehende elektronische Mehr-Befehlsstrom- dadurch zu nutzen, daß eine Station des Befehls-

Rechenanlage, deren zentraler Prozessor eine zwi- Fließbandes in beliebiger Folge Befehle aus unter-

schen mehrstufigen, als Wartepuffer vorgesehenen schiedlichen Befehlsströmen bearbeitet. Dabei müs-

Registerkörpern zum Zwischenspeichern von Befehlen 50 sen die Befehle allerdings eine Kennung mit sich füh-

angeordnetes Befehls-Fließband, ein Zubringerwerk ren, die anzeigt, zu welchem Befehlsstrom sie ge-

und eine arithmetisch-logische Verarbeitungseinheit hören. Eine solche Mehrstrom-Rechenanlage arbeitet

umfaßt und wobei ein Befehlsstrom aus einer Mehr- aus der Sicht des Programmierers wie mehrere ge-

zahl von Befehlspaketen besteht. trennte Prozessoren (Multiprocessing), jedoch ist der

Es ist z. B. aus dem in der Zeitschrift »Elektro- 55 Aufwand nur geringfügig größer als im einfachen

nische Rechenanlagen«, 1973, S. 60 bis 65 veröffent- Prozessor.

lichten Aufsatz von J. Swoboda, »Möglichkeiten Der Übergang von der Ein-Befehlsstrom-Rechender Beschleunigung einer Zentraleinheit durch struk- anlage zur Zwei-Befehlsstrom-Rechenanlage wurde turelle Maßnahmen«, bekannt, für Prozessoren höhe- bereits von F. H. Sumner in dem Aufsatz »Hardrer Leistung die Befehle zweckmäßigerweise in der 60 ware-Architecture and Computer Organization« an-Art eines Fließbandes zu bearbeiten. Für die einzel- gedeutet, der in den 1973 im Springer-Verlag erschienen Bearbeitungsphasen, wie Befehl Holen, Decodie- nenen Berichten von der 2. GI-Jahrestagung in Karlsren, Adreßrechnung und Veranlassung für einen ruhe 1972 auf den Seiten 22 bis 36 abgedruckt ist. Operanden-Transport, sind eine oder mehrere Bear- Für die Organisation der Umschaltung zwischen beitungsstationen vorgesehen. Die Befehle durch- 65 Befehlsströmen ist es bekannt, in das Befehls-Fließlaufen taktweise die Kette dieser Bearbeitungsstatio- band von jedem Befehlsstrom in zyklischer Folge je nen, die auch als Befehls-Pipeline, d. h. als Befehls- einen Befehl einzuspeisen. Bei s Befehlsströmen kann Fließband, bezeichnet wird. ein Befehlsstrom dann jeden i-ten Takt nutzen. Der

ι .

Ablauf tür einen Strom wird s-tach gedehnt, und durch erreicht, daß das Befebls-Fließband von einen

Wartezeiten wrken sich entsprechend geringer aus. Befehlsstrom auf einen anderen programmorienüer

Diese Methode wird un folgenden als »unbedingte umgeschaltet wird, d. h., es werden die Befehlspaketi

Stromumschaltung« .bezeichnet und wurde von als im aligemeinen unterschiedlich lange Befehls

M. J. Flynn et alinden 1970 von L. C. Hobbs 5 folgen mehrerer Programme in das Befehls-Fließbam

herausgegebenen Bench«« »Parallel processor eingebracht. Da es beim Aufruf eines Befehles wegei

system, technologies, and applications« (Spartan unterschiedlicher Zugriffszeiten zum Zentralspeiche

Book) in dem Aufsatz »A mulnoie instruction stream unterschiedliche Verzögerungen geben kann, ist den

with shared resources« vorgeschlagen. Befehls-Fließband ein Zugriffspuffer vorgeschaltet

Aus diesem bekannten Stand der Technik ergibt io der im Falle der Erfindung aus einer Mehrzahl voi

sich zusammenfassend: Registersätzen besteht, wobei diese Mehrzahl de

Moderne Datenverarbeitungsanlagen erzielen ihre Anzahl der zu verarbeitenden Befehlsströme ent

Verartotungsgeschwindigkeit weniger mit Hilfe spricht. Die Länge jedes einzelnen Regisiersatze:

schneller Schalteinrichtungen als auf GrunJ stmk- richtet sich nach der durchschnittlichen Länge der zi

tureller Merkmale, wie z. B. ein Befehls-Fließband 15 erwartenden Befehlspakete. Dadurch kann sicher

oder eine ArbeiUspeichertuerarchie mit schnellen gestellt werden, daß dem Befehls-Fließband mit je

Pufferspeichern (Caches) usw. Bei der Anwendung dem Maschinentakt ein Befehl zur Verfugung steh

des Fließbandpnnzips wird die Bearbeitung der Be- und trotz unterschiedlicher Zugriffszeiten zum Zen

fehle in verschiedene Phasen zerlegt, so daß eine grö- tralspeicher keine Verzögerungen in der Vorberei

ßere Anzahl von Befehlen gleichzeitig bearbeitet wird, ao tungsphase, d. h. dem Durchlauf durch das Befehls

Auch wenn die Bearbeitungszeit eißjs Befehles meh- Fließband, auftreten.

rere Maschinenzyklen erfordert, wird in diesem Fall Wichtiger ist aber noch der Wartepuffer, der dei

mit jedem Maschinenzykhis die Bearbeitung eines Verarbeitungseinheit vorgeschaltet ist. Auch konven-

Befehles abgeschlossen und damit der Befehlsdurch- tionelle Anlagen können zwischen dem Befehls-Fließ-

satz gesteigert. Die Bearbeitung einer Kette von Be- a₅ band und der Verarbeitungseinheit einen Puffer al:

fehlen wird in ihrer Kontinuität allerdings durch Zwischenglied enthalten, in dem Befehle zur Ausfüh-

verschiedene Verzögerungsursachen gestört, z. B. rung bereitgestellt werden. Hier aber bildet diesel

Warten auf die Entscheidung für bedingte Sprünge, Wartepuffer nicht einfach einen Zwischenspeicher füi

Warten auf Speicherzugriffe, längere Belegung von auszuführende Befehle, sondern einen asynchron zu

Verarbeitungseinheiten. Abschwächen läßt sich dieser 3° der Arbeit der Verarbeitungseinheit auffüllbarer

Effekt durch das Prinzip der »Dezentralisierung«, das Wartepuffer, mit dem ein Stau von Befehlen vor dei

durch Delegation von Tdlaufgaben an spezielle Verarbeitungseinheit erreicht wird. Ein derartige!

Werke im Zentralprozessor realisiert wird. Stau von Befehlen verschiedener Befehlsströme voi

Die praktische Erfahrung zeigt nun, daß die Be- der Verarbeitungseinheit wird angestrebt, um Verlastung von Systemkomponenten in hohem Maße von 35 zögerungen in der Verarbeitung von Befehlsströmen der jeweiligen Programmstruktur abhängt und häufig aufzufangen und damit die Verarbeitungseinheil ein Programm eine spezifische Verzögerungsursache optimal auszulasten. Ohne diese Entflechtung vor stark bevorzugt. Dies führt dazu, daß die Arbeits- zur Ausführung bereitgestellten Befehlen verschiedeleistung einer Komponente der Datenverarbeitungs- ner Befehlsströme im Wartepuffer könnte mit der anlage im wesentlichen den Gesamtdurchsatz des 40 übrigen Merkmalen der erfindungsgemäßen Lösung Systems bestimmt. Verarbeitet man dann statt eines zwar das Befehls-Fließband, den Strukturen der laufortlaufenden Programmes mehrere Programme fenden Programme angepaßt, im Mittel voll ausgleichzeitig, so werden die einzelnen Systemkompo- gelastet werden, jedoch würden sich dann die im nenten gleichmäßiger belastet, und der Durchsatz Befehls-Fließband aufgefangenen Verzögerungen wienimmt entsprechend zu. 45 der in der Verarbeitungseinheit auswirken.

Diese Tatsache ist bekannt, wurde aber bisher Zusammengefaßt ausgedrückt, ist damit also ein«

nicht wirkungsvoll ausgenutzt. Bei bekannten Daten- programmorientierte, d. h. auf die Struktur der ge-

Verarbeitungsanlagen und verschiedenen Denkansät- rade laufenden Programme gerade ausgerichtete Um-

zen in der Literatur werden nämlich diese Programme schaltung des Befehls-Fließbandes möglich. Durch

dadurch gemischt, daß sie streng alternierend ab- 50 diese Maßnahme wird der bei den heutigen größerer

gelöst werden, ohne daß dabei auf die Programm- Datenverarbeitungsanlagen übliche, verhältnismäßig

struktur Rücksicht genommen wird. aufwendige schnelle Zwischenspeicher (Cache) zwi-

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist sehen dem Zentralprozessor und dem Arbeitsspeichei es daher, eine Mehr-Befehlsstrom-Rechenanlage der überflüssig. Ebenso ist der Einfluß der Verarbeitungseingangs genannten Art strukturell so auszubilden, 55 geschwindigkeit und die Zugriffszeit zum Zentralspei· daß mit ihr ein wesentlich höherer Wirkungsgrad er- eher auf den Befehlsdurchsatz weitgehend reduziert zielt wird, als mit einer nach dem Prinzip der »un- was für das sogenannte Preis-Leistungsverhältnis einei bedingten Stromumschaltung« arbeitenden Rechen- Anlage von entscheidender Bedeutung ist.
anlage. Dabei soll unter dem Wirkungsgrad die Zahl Dabei wird diese entscheidende Leistungsverbesseder pro Zeiteinheit ausgeführten Befehle verstanden 60 rung durch einen verhältnismäßig geringen zusatzwerden. liehen Aufwand in der Hardware erreicht, da nur die

Bei einer Rechenanlage der eingangs genannten Registerkörper für s Befehlsströme s-fach aufgebaui Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit sein müssen. Im Gegensatz zu anderen bekannter den im Kennzeichen des Patentanspruches genannten Mehrstromanlagen sind dagegen alle anderen aufMerkmalen. 65 wendigen Systemkomponenten, z. B. das Befehls-

Diese Lösung berücksichtigt in starkem Maße Fließband und das Zubringer-Fließband nur einma

Unterschiede der Programrristrukturen und steigert so notwendig. Weiterhin ist die beim Anmeldungsgegen-

wesentlich die Effektivität des Systems. Dies wird da- stand realisierte Betriebsweise nicht auf bestimmte

Rechnerstrukturen beschränkt, da sie von anderen Vorbereiten des auszuführenden Zentralspeicher-

Strukturmerkmalen, z. B. dem Aufbau der Rechen- Zugriffs,

werke, der Speicherschnittstelle oder der Arbeitstei- Prüfen, ob Speicherzugriff möglich, d. h. der

lung in den Fließbändern weitgehend unabhängig ist. auszuwählende Speichermodul ansteuerbar ist.

Zur näheren Erläuterung der Einzelheiten der Er- 5

findung werden im folgenden an Hand der Zeich- In den weiteren Stationen b_i... b„ des Zubringernungen und Zeitdiagramme eine konventionelle Ein- Fließbandes wird ein Zentralspeicherzugriff von der Befehlsstrom-Rechenanlage und ein Ausführungs- Übergabe eines Zugriffswunsches an den Zentralbeispiel einer erfindungsgemäßen Mehr-Befehlsstrom- speicher 3 bis zur Übernahme der angeforderten Rechenanlage für zwei Befehlsströme (5 = 2) be- 10 Speicheroperanden in die Verarbeitungseinheit 2 schrieben. Dabei zeigt überwacht. Das für diesen Ablauf notwendige Zeit-

F i g. 1 das Aufbauprinzip einer konventionellen Intervall entspricht dabei der Zugriffszeit zt des Zen-Ein-Befehlsstrom-Rechenanlage, tralspeichers 3.

F i g. 2 das Aufbauprinzip einer gemäß der Erfin- In F i g. 1 sind zwei Quellen für Zugriffswünsche

dung aufgebauten Mehr-Befehlsstrom-Recheniinlage, 15 zum Zentralspeicher 3 vorgesehen und identisch sym-F i g. 3 einfache Ablaufschemata für Befehlsdurch- bolisch dargestellt, die Station a„ des Befehls-Fließsätze, die mit einer Ein-Befehlsstrom-Rechenanlage, bandes und ein Befehls-Nachschieber 4, der die Zumit einer nach der Methode der »unbedingten Strom- lieferung von Befehlen für den Registerkörper 1 umschaltung« arbeitenden Zwei-Befehlsstrom-Re- steuert.

chenanlage und mit einer erfindungsgemäß aufgebau- »o Der Bearbeitungsbeginn (Urstart) der Ein-Befehlsten Zwei-Befehlsstrom-Rechenanlage erreichbar sind, strom-Rechenanlage gemäß F i g. 1 erfolgt auf Grund und eines vom Befehls-Nachschieber 4 initiierten Zentral-

Fig. 4a und 4b ein Ablaufdiagramm für zwei mit speicher-Zugriffs.

einer Zwei-Befehlsstrom-Rechenanlage gemäß der Im folgenden soll auf die mit der Ein-Befehlsstrom-

Erfindung verarbeitete Befehlsströme unter Einbezie- 25 Rechenanlage erzielbare Leistung unter Berücksichhung der Belegungszeiten der Wartepuffer und der tigung bestimmter Verzögerungen bei der Befehlsarithmetisch-logischen Verarbeitungseinheit. bearbeitung eingegangen werden. Dabei wird zunächst An Hand von F i g. 1 wird zunächst das Aufbau- von einer idealisierten Befehlsverteilung innerhalb der prinzip einer konventionellen Ein-Befehlsstrom- Befehlsströme ausgegangen, die dadurch charakteri-Rechenanlage beschrieben, um die Grundlagen zu er- 30 siert ist, daß keine Sprungbefehle auftreten und die läutern. Verarbeitungseinheit je Takt einen Befehl ausführt.

Das Kernstück bildet ein Befehls-Fließband mit In einem ersten, auch dann auftretenden Verzögefünf Stationen a_x.. .a_&, in dem der Verarbeitungs- rungsmoment V₁ fordert der Befehls-Nachschieber 4 prozeß eines einzelnen Befehls in Elemente zerlegt genau dann einen Befehl an, wenn im Registerkörist. Die Durchlaufzeit eines Befehls durch eine Fließ- 35 per 1 kein Befehl enthalten ist.
bandstation erfordert jeweils einen Takt (Maschinen- Bei einer Zugriffszeit zt des Zentralspeichers 3

zyklus). steht der gewünschte Befehl erst nach

Die Stationen a_x.. .a_s des Befehls-Fließbandes

haben z. B. jeweils eine der folgenden funktionellen t (V₁) = 3 + zt Takten

Aufgaben: 40

zur Verfügung. Die additive Größe 3 entspricht der

Bereitstellen eines Befehls aus einem η-stufigen Durchlaufzeit der Befehlsanforderung im Zubringer-Registerkörper 1, der die von einem Zentralspei- Fließband b_t.

eher 3 übernommenen Befehlsströme zwischen- Der Wirkungsgrad g der Rechenanlage, d. h. der

speichert, 45 Durchsatz an Befehlen pro Takt, ist dann:

Befehlsdecodierung,

Bilden der Adressen für eventuelle Speicherzugriffe,

Übergeben einer solchen Speicheradresse an ein
Zugriffswerk (b_}), 5°

Übergeben des Befehls an eine arithmetisch- In dem Spezialfall, daß im Registerkörper 1 jeweils

logische Verarbeitungseinheit 2, die den Befehl ein sogenanntes Befehls-Doppelwort steht, d. h., daß ausführt und dafür gegebenenfalls mehrere Takte jeweils zwei Befehle bereitstehen, läßt sich der ' Wirbenötigt, kungsgrad g theoretisch um den Faktor 2 verbessern:

Versorgt wird das Befehis-Fueßband a_t und damit
letztlich auch die Verarbertimgseinheit 2 mit Speicheroperanden ober das Znbringerwerk b„ das avch
in der Verarbeitungseinheit 2 ermittelte Resultate an
den Zentratspejcher übergibt und ebenfalls als FHeB- 60 Ein zweites Verzögerangsmoment V tritt bei Speiband aufgebaut ist und daher als Zobringer-Fließ- cherzngriffen aar Ansflhrang eines Befehls ant Sui band bessefcteet wild, aber gegebenenfalls auch ah Befehl kann jedoch erst in der Station a, des BefeMsemfacfa: Verzögerangsfime ausgebildet sein könnte. FfieBbandes den Zugti au das Zäbtiöfierto Zubrmger-FfieBband übernehmen die Stationen Fließband b, übergebe«.

fej,^ und ö, folgende Funktionen: 65 Nach Durchlaufen der fünften Station tu 4e& Be-

fenls-Fließbandes muß dann der erste Befehl eines

AtäitÜffljersetzung, z.B. wrioelfc in physikaH- Befehlspaketes fSr die Zßiidaner von 1 + zt Tafctee scöeAAessedesZenttalspelclHas, vor der VerarbefcragsenAeit 2 wartea aod mrnsg

damit einen Rückstau auf dem Befehls-Fließband α,·. Damit läßt sich nur ein Wirkungsgrad g (V_n) erreichen, der auf Grund von Überlappungen jedoch analytisch schwer zu erfassen ist.

Die beiden genannten Verzögerungsmomente V_x und V₂ werden bekanntlich dadurch kompensiert, daß der Befehlsnachschieber 4 immer dann einen Zentralspeicher-Zugriff initiiert, wenn ein Platz im Registerkörper 1 frei geworden ist und daß zwischen der letzten Station a_s des Befehls-Fließbandes und der Verarbeitungseinheit 2 ein m-stufiger Wartepuffer 5 vorgesehen ist, der die Wartezeiten entsprechend dem Verzögerungsmoment V₂ überbrückt.

Mittels der genannten Maßnahmen läßt sich ein Wirkungsgrad

erreichen, und dies, obwohl im Wartepuffer 5 die Linie vom Registerkörper 1 zur Verarbeitungseinheit 2 um einen Takt verlängert wird.

Eine tatsächliche Befehlsverteilung z. B. mit Sprungbefehlen und sogenannten rechenintensiven Befehlen im zu verarbeitenden Befehlsstrom führt zu wesentlich komplexeren Abläufen und weiteren Verzögerungsmomenten.

Ein rechenintensiver Befehl führt beispielsweise zu einem Rückstau vor der Verarbeitungseinheit 2, der von der Wahrscheinlichkeit seines Auftretens und von der Verarbeitungszeit in der Verarbeitungseinheit 2 abhängt. Man kann die rechenintensiven Befehle in mehrere Klassen einteilen, die die spezifischen Eigenschaften der verschiedenden Befehle wiedergeben.

Bedingte und unbedingte Sprungbefehle haben eine relative Häufigkeit von etwa 3O°/o in einem Befehlspaket und bedeuten gegebenenfalls eine Unterbrechung in der kontinuierlichen Befehlsabwicklung.

Die Sprungbefehle werden in der zweiten Station O₂ des Befehls-Fließbandes decodiert. Dies hat für das Befehls-Fließband a, die Folge, daß ein bedingter Sprungbefehl nach dem Verlassen der ersten Station a_x sechs Takte bis zu seiner Ausführung benötigt. Dabei ist eine Verweilzeit des Befehls in der Verarbeitungseinheit 2 von einer Taktzeit angenommen. Nach Ablauf der sechs Takte wird die dem Sprungbefehl zugehörige Zieladresse, die in der vierten Station a₄ des Befehls-Fließbandes abgesplittet worden war, an das Zubringer-Fließband b_t übergeben. Nach Ablauf von (3 -f- zt) Takten steht der gewünschte Befehl zur Übernahme in das Befehls-Fließband üj an. Wenn dieser Befehl die erste Station α, des Befehls-Fließbandes verlassen hat, so ist die durch die Decodierung des Sprungbefehls entstandene Lücke in der kontinuierlichen Befehlsfolge wieder geschlossen.

Aus diesen Betrachtungen erkennt man, daß ein bedingter Sprungbefehl, der ausgeführt wird, zu einer Unterbrechung von 9 + zf Takten führt und daß ein bedingter Sprungbefehl, der nicht aasgeführt wird, zu eiaer Unterbrechung vofl sechs Takten führt. Betrachtet man noch den unbedingten Sprungbefehl, so ergibt sich auf Grand der Gleichzeitigkeit der Befehisbearbeitungsvorgänge eine Unterbrechungsdauer von 6+ ö Takten.

Um diese unbefriedigenden Wirkuagsgrade zu erhöhen, wird vielfach der Zentrafepeicher 3 hierarchisch gegliedert, d. h. SchneflzHgriffsspeicher als oberste Hierarchiestufe verwendet. Diese dienen zur

Zwischenspeicherung von nach bestimmten Auswahl und Alterungsregeln ausgewählten Datenmengen de: Zentralspeichers 3. Dabei kann z. B. je ein Schnell Zugriffsspeicher für Operanden und für Befehle vor gesehen sein. In diesem Fall muß die aus Zeitgründer am günstigsten liegende Station b₂ des Zubringer-Fließbandes bi prüfen, ob ein mit einem Zugriffswunsch angeforderter Speicheroperand im entsprechenden Schnellzugriffsspeicher vorhanden ist.

ίο Quantitativ wird der durch die Schnell-Zugriffsspeicher erzielbare Zeitgewinn durch die Wahrscheinlichkeit bestimmt, mit der ein angeforderter Speicheroperand im Schnell-Zugriffsspeicher vorhanden ist. Wenn der Zeitaufwand für einen Zugriff zu einem Schnellzugriffsspeicher eine Taktzeit beträgt, so bedeutet das einen Zeitgewinn von (1 4- zt) Takten im Vergleich zu obigen Verhältnissen.

Nach dieser einleitenden, die allgemeinen Grundlagen erläuternden Beschreibung einer konventionel-

»0 len, in Fig. 1 schematisch dargestellten Rechenanlage, soll im folgenden an Hand der F i g. 2 die Struktur einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Rechenanlage im einzelnen erläutert werden.
Dafür sollen folgende Ausnahmen gelten:

1. Ein Befehlspaket als Teil eines Befehlsstromes besteht aus / Einzelbefehlen.

2. Der erste Einzelbefehl benötigt einen Speicheroperanden aus dem Zentralspeicher 3.

3. Das Befehlspaket wird von einem bedingten Sprungbefehl abgeschlossen, der ausgeführt werden soll.

Die in F i g. 2 schematisch dargestellte Struktur einer Zwei-Befehlsstrom-Rechenanlage unterscheidet sich von der an Hand Fig. 1 erläuterten Ein-Befehlsstrom-Rechenanlage zunächst in offenkundiger Weise dadurch, daß entsprechend den zwei Befehlsströmen zwei η-stufige Registerkörper 11, 12 und zwei m-stufige Wartepuffer 51, 52 und zwei Befehlsnachschieber 41, 42 vorgesehen sind. Die Stufenzahlen η und m der Registerkörper 11, 12 und Wartepuffer 51, 52 sind entsprechend der Zahl der erfahrungsgemäß in einem Befehlspaket vorhandenen Einzelbefehle gewählt.

Die in F i g. 2 schematisch dargestellte Struktur einer Zwei-Befehlsstrom-Rechenanlage läßt sich auf mehrere Befehlsströme ausdehnen. In diesem Fall ist gegebenenfalls vor den Registerkörpern 11, 12 eine Vorrangschaltung vorzusehen, die die zur Bearbeitung anstehenden Befehlsströme ihrer Dringlichkeit entsprechend auf die Registerkörper verteilt.

Basierend auf der Erkenntnis, daß die bedingten Sprungbefehle die zeitaufwendigsten Verzögerungsmomente darstellen, wurde ein Konzept entwickelt, wie die durch einen Sprungbefehl bedingte Totzeit effektiv genutzt werden kann. Dies wird durch den Ansatz ermöglicht, daß zwei (bzw. mehr) unabhängige Befehlsströme quasi »gleichzeitig« in Bearbeitung genommen werden. Diese Gleichzeitigkeit ist derart charakterisiert, daß stets ein BefeMsstrom so lauge bearbeitet wird, wie es ohne Totzeiten möglich ist, und dann der zweite Befehfestrom in Bearbeiteig genommen wird, wobei jedoch a priori nicht festgelegt sein soll, weicher Befehlsstrom zuerst ie das BeSeMs-Fließband eingeschleust wirf.

Zur Realisierung der Konzeption ist die erste Station a_% des BefeWs-FüeSbandes aber einen Sc&after S₁ mit den Registerkörpem Il bzw. 12 verbJadbar,

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und auf diese Weise wird jeweils ein Befehlspaket ein und desselben Befehlsstroms in das Befehls-Fließband eingeschleust. Wird ein Sprungbefehl decodiert, so wird dieser Schalter S₁ umgeschaltet, und ein zur Bearbeitung anstehendes Befehlspaket eines alternativen Befehlsstroms wird von der ersten Station O₁ des Befehls-Fließbandes aus dem angeschalteten Registerkörper 11 bzw. 12 extrahiert.

Hinsichtlich der Stationen des Befehls-Fließbandes ö/ und des Zubringer-Fließbandes b_t muß Sorge dafür getragen werden, daß sie bestimmte, von den Befehlen mitgeführte Kennungs-Bits verarbeiten können.

Wie schon erwähnt, soll die Umschaltung von einem auf einen anderen Befehlsstrom dann erfolgen, wenn in der zweiten Station a., des Befehls-Fließbandes ein Sprungbefehl entschlüsselt wurde. Damit wird auch eine Umschaltung des Schalters S₁ und eine Löschung des Inhalts der ersten Station O₁ des Befehls-Fließbandes initiiert. Die in den weiteren Stationen des Befehls-Fließbandes a_t anstehenden Befehle werden zum Wartepuffer 51 bzw. 52 und zur Verarbeitungseinheit 2 weitergeschoben. Der Ausgang der letzten Station a_s des Befehls-Fließbandes ist ebenfalls über einen Schalter S₂ mit den Wartepuffem 51, 52 verbindbar, wobei der Schalter S₂ vier Takte nach der Umschaltung des Schalters S₁ betätigt wird. Damit ist die Entflechtung der Befehlsströme vor der Verarbeitungseinheit 2 gewährleistet. Ansonsten arbeitet die Zwei-Befehlsstrom-Rechenanlage gemäß Fig. 2 für jeweils ein und denselben Befehlsstrom analog wie die Ein-Befehlsstrom-Rechenanlage nach Fig. 1.

Die Unterschiede in der Effektivität der Rechenanlagen gemäß Fig. 1 und 2 sollen an Hand eines einfachen Abarbeitungsschemas zweier Befehlsströme gezeigt werden, wobei als Exclusivbefehle bedingte Sprungbefehle angenommen werden. Die zu vergleichenden Schemata sind in F i g. 3 dargestellt und zeigen die Befehlsdurchsätze für

a) eine Ein-Befehlsstrom-Rechenanlage,

b) eine Zwei-Befehlsstrom-Rechenanlage mit »unbedingter Stromumschaltung« und einem Wartepuffer für jeden Befehlsstrom,

c) eine Zwei-Befehlsstrom-Rechenanlage mit alternierender Verarbeitung von Befehlspaketen zweier Befehlsströme.

Als allgemeine Annahme wird zugrunde gelegt, daß zwei Befehlsströme A und B zu verarbeiten sind und die zu überbrückenden Wartezeiten zwischen zwei Befehlsfolgen eines Befehlsstromes sechs Taktzeiten entsprechen soli. Die beiden Befehlsströme umfassen nur zwei Befehlstypen, die Normalbefehle

A'. A

₁,

B: B₁,B₂,B_vB_i,B_s,

Insgesamt ist eine Folge von 50 Takten aufgezeichnet, und es läßt sich für den Fall a) durch Auszählen der ausgeführten Einzelbefehle und der Wartezeiten W ermitteln, daß β = 24 Befehle ausgeführt werden und der Rest von & = 26 Taktzeiten als Totzeit verstreicht.

Gemäß dem Abarbeitungsschema b) läßt sich die prinzipielle Funktion der Zwei-Befehlsstrom-Rechenanlage mit unbedingter Stromumschaltung erkennen.

ίο Starr alternierend werden takt- und befehlsweise die Befehlsströme A und B in das Befehls-Fließband eingeschleust. Mit dem siebenten Takt wird ein Sprungbefehl S_A angenommen, und in den folgenden Wartezeiten W des Befehlsstromes A werden mit jedem

zweiten Takt Befehle des Befehlsstroms B bearbeitet. Durch Auszählen der ausgeführten Befehle erhält man gegenüber der Ein-Befehlsstrom-Rechenanlage eine wesentliche Verbesserung. Im Verlaufe der 50 Takte werden fi = 34 Befehle ausgeführt. Die ver-

bleibenden 16 Takte charakterisieren die Totzeit der Rechenanlage.

Eine in der Größenordnung überraschende Verbesserung des Wirkungsgrades einer Zwei-Befehlsstrom-Kecnenanlage wird durch die alternierende Verarbeitung von Befehlspaketen beider Befehlsströme erreicht Hiernach wird zunächst ein Befehlspaket aus dem Befehlsstrom A abgearbeitet, und während der auf einen Sprungbefehl S_A folgenden Wartezyklen W wird ein Befehlspaket aus dem Befehlsstrom B in das

Befehls-Fließband extrahiert. Beim Auszählen der wahrend der 50 Takte ausgeführten Befehle erhält man einen numerischen Wert von β = 44 Befehlen. Nur sechs Taktzeiten sind hinsichtlich der Zeitausnutzung als Totzeit zu betrachten.

α ^A%^H,^{and der Fi}8·⁴' ^{die au}* dem sich ergänzen-

lⁿ it? ^{Und 4b besteht}' ^{sollen etwas realisti}scnere Ablauf-Diagramme für zwei in Befehlspaketen

zu bearbeitende Befehlsströme A und B erläutert werden Dabei soll insbesondere auf die Zeitabläufe und Belegungszeiten der Wartepuffer 51 bzw. 52 und der Verarbeitungseinheit 2 hingewiesen werden. Der Befehlsstrom A soll fünf Normalbefehle und einen abschließenden Sprungbefehl umfassen (I = 6); der Befehlsstrom B soll zwei Normalbefehle und einen

Sprungbefehl (Z = 3) aufweisen (dieses Beispiel ist also anders als das an Hand von F i g. 3 beschriebene). Bezüglich allgemeiner Randbedingungen soll folgendes gelten: ⁵

1) Zugriffszeit zt = 5 Takte,

2) Verweilzeit eines Befehls in der Verarbeitungseinheit ν = 2 Takte,

3) alle angeforderten Befehle mögen in einem Schnellzugnffsspeicher vorrätig sein.

die jeweils während einer Taktzeit eine Station des Befehls-Fließbandes a, belegen, und die bedingten «o Sprangbefehle S_A bzw. S_B, die die Folge der Normalbefehle unterbrechen und hinter der zweiten Station des BefehJs-FBeßbandes eine Lodge von jeweils sechs TaKtzerten erzeugen, ea sie nn allgemeinen auf die Abarbeitung äfterer Befehle vmten müssen. Es wird s$ werter anen, daß die bedingten Sprungbefehle Sx bzw. Sß stets auf den Anfang einer Folge von zeigen die Belegung der fünf Stationen des Befehls-Fließbandes;
bedeutet ZugriSe zum Zentodspeidier3, and zwar OP vm eines Opeeaades s® holen bzw. Bf am einen IBeMiI m toten {der verembarungsgemäß im Sehne1ten> Eiffisspeicfaer vorrätig ist);
Φ bedenkt den Zx&m zum eisten
raaden eines Betehlspdietes;

3

/ bedeutet den Zugriff zum ersten Befehl nach dem Auftreten eines Sprungbefehls;

WP1 charakterisiert die Belegung der Wartebzw. WPl puffer 51 bzw. 52 für die alternierenden Befehlspakete der Befehlsströme A undß;

VE bedeutet die Belegung der Verarbeitungseinheit 2 zur Befehlsausführung.

Taktweise nacheinander warden zunächst die Befehle des ersten Befehlspakets des Befehlsstroms A in das Befehls-Fließband a,- eingeschleust. Mit dem fünften Takt sind alle Stationen des Befehls-Fließbandes (X₁ durch die fünf Normalbefehle des Befehlsstroms A belegt. Gleichzeitig wird das Zubringer-Fließband mit der Aufgabe betraut, einen zur Ausführung des Befehls A₁ notwendigen Operanden herbeizuschaffen. Diese Aktivität erfordert, wie durch die Symbolik A Φ angedeutet, insgesamt acht Takte O + zt = 8).

Mit dem sechsten Takt wird der Sprungbefehl SA in die erste Station des Befehls;-Fließbandes und der Befehl A₁ in den Wartepuffer 51 übertragen. Nach der Decodierung des Sprungbefehls SA in der Station a₂ des Befehls-Fließbandes, a,· mit dem siebenten Takt wird der Inhalt der Station a, gelöscht, und es entsteht eine Lücke zwischen den Befehlsströmen A und B. Mit dem achten Takt wird sodann der erste Befehl B₁ aus dem anstehenden Befehlspaket des Befehlsstroms B in das Befehls-Fließband a, übernommen. Mit dem elften Takt steht nun der Befehl A₁ zur Übergabe an die Verarbeitungseinheit 2 bereit. Da jedoch der angeforderte Operand erst mit dem zwölften Takt geliefert wird, bleibt der Befehl A_x noch für einen Takt im Wartepuffer 51. Mit dem 13. Takt wird der Befehl A₁ in die Verarbeitungseinheit 2 übernommen und während der folgenden zwei Takte

mit dem inzwischen herbeigeschafften Operanden verarbeitet. Inzwischen ist mit dem zwölften Takt auch ein Zugriff auf den Zentralspeicher 3 zur Herbeischaffung eines Operanden für den Befehl B₁ gestartet worden.

Die Verarbeitungseinheit 2 ist während insgesamt zwölf Takten vom Befehlspaket des Befehlsstroms A belegt, bis der letzte Befehl S_A aus dem Wartepuffer 51 ausgelesen und in den folgenden zwei Takten

ίο auch verarbeitet ist. Der Wartepuffer 52 des Befehlsstroms B bleibt so lange mit den Befehlen des Befehlspakets des Befehlsstroms B gefüllt, bis die Verarbeitungseinheit 2 frei ist. Dann wird der Wartepuffer 52 sukzessive ausgelesen und die Befehle B₁, B₂

und SB abgearbeitet.

Nach Abarbeitung des Sprungbefehls SA des ersten Befehlspakets des Befehlsstroms A kann auch ein neuer Befehl vom Zentralspeicher 3 angefordert werden. Diese Befehls-Holphase ist symbolisch mit AI

ao dargestellt und dauert, auf Grund der Vereinbarung, daß jeder angeforderte Befehl im Schnellzugriffsspeicher zur Verfügung steht, drei Takte. Somit kann mit dem 28. Takt wieder ein Befehlsstrom A in das Befehls-Fließband eingeschleust werden.

as In F i g. 4 ist ein Ablaufschema für insgesamt 60 Takte dargestellt. In Analogie zu Fig. 3 ließe sich ein Ablaufschema auch für den Fall der »Unbedingten Stromumschaltung« aufzeichnen. Dabei würden sich ebenfalls die an Hand der F i g. 3 ermittelten

und erläuterten Unterschiede bezüglich der Wirkungsgrade ergeben.

Simulationsergebnisse mit technisch-wissenschaftlichen Programmen bestätigen die etwa 30%ige Verbesserung des Befehlsdurchsatzes der erfindungs-

gemäßen Struktur gegenüber der Zwei-Befehlsstrom-Rechenanlage mit »Unbedingter Stromumschaltung«. Gegenüber einer Ein-Befehlsstrom-Rechenanlage erhöht sich der Befehlsdurchsatz um etwa 85°/o.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. ι 2

   An dieses Befehls-Fließband schließt sich ein

   Patentanspruch: Rechenwerk bzw. Ausführungswerk an, das ebenfalls aus einzelnen autonomen Unterwerken oder

   Nach dem Fließbandprinzip arbeitende, min- Bearbeitungsstationen bestehen kann. Der Verkehr destcns aus einem zentralen Prozessor und einen 5 mit dem Zentralspeicher wird über ein autonomes Zentralspeicher bestehende elektronische Mehr- Speicherzugriffswerk, d. h. eiii sogenanntes Zubringer-Befehlsstrom-Rechenanlage, deren zentraler Pro- werk, abgewickelt.

   zessor ein zwischen mehrstufigen, als Wartepuffer Ein Prozessor mit den genannten Strukrurmerk-

   vorgesehenen Registerkörpern zum Zwischen- malen kann im Prinzip mit jedem Fließbandtakt die

   speichern von Befehlen angeordnetes Befehls- to Bearbeitung eines Befehls beginnen bzw. beenden.

   Fließband, ein Zubringerwerk und eine arith- Die maximale Leistung ist deshalb ein Befehl je Takt,

   metisch-logische Verarbeitungseinheit umfaßt und Hemmende Ereignisse verursachen jedoch Belegungs-

   wobei ein Befehlsstrom aus einer Mehrzahl von lücken oder einen Rückstau in dem Befehls-Fließ-

   BefehJspaketen besteht, dadurch gekenn- band, so daß sich eine wesentlich geringere reale

   zeichnet, daß der zentrale Prozessor eine der 15 Leistung einstellt. Solche hemmende Ereignisse sind

   Anzahl s der Befehlsströme entsprechende Anzahl z. B.: von mehrstufigen Registerkörpern (1ί, 12) zum

   Zwischenspeichern von aufeinanderfolgenden Be- a) Sprungbefehle (der Folgebefehl nach einem fehlen je eines der zur Verarbeitung anstehenden Sprungbefehl ist nicht immer hinreichend zeitig Befehlsströme (A, B) aufweist, daß die erste Sta- ao verfügbar; es entsteht eine Belegungslücke), tion (O₁) des Befehls-Fließbandes in Abhängigkeit 5) Befehle mit mehrfachem Speicherzugriff, von einem ein Befehlspaket (A_h B₁) in einem Be- _c) Zentralspeicherzugriffe, falls sogenannte Schnellfehlsstrom abschließenden vorbestimmte Warte- _ZUgnffsspeicher eine gewünschte Größe nicht zeiten verursachenden Exclusivbefehl (S_A, S₈) auf enthalten

   einen anderen Registerkörper (11, 12) umschalt- as ' ._ . _ . . ,

   bar ist und somit ein BefeMspaket (A, B₁) eines ^d) verlängerte Zugnftsze.ten zum Zentralspeicher

   anderen Befehlsstromes (A, BY) zur weiteren ^weg^en Verkehrshemmung vor dem Speicher,

   Abarbeitung übernimmt und daß zwecks Ent- e) Rückstau vor dem Rechenwerk wegen langer

   flechtung der Befehlsströme vor der Verarbei- Ausfuhrungszeiten bestimmter Befehle, tungseinheit (2) zwischen dieser und der letzten 30

   Station (a_s) des Befehls-Fließbandes eine eben- Die Auswirkung der hemmenden Ereignisse läßt falls der Anzahl der Befehlsströme entsprechende sich auf unterschiedliche Weise mildern. Eine beAnzahl von mehrstufigen Wartepuffern (51, 52) kannte Möglichkeit besteht darin, die Belegungsvorgesehen ist, die die zwischen den Befehls- lücken durch lokale Speicher mit kurzer Zugriffszeit paketen ein und desselben Befehlsstromes (A 35 (Schnellzugriffsspeicher, Cache) für aktuelle Befehle bzw. B) auftretenden Wartezeiten überbrücken, und Operanden möglichst zu verkleinern, und den wodurch die Verarbeitungseinheit (2) in der Zwi- Rückstau vor dem Rechenwerk durch sehr schnelle schenzeit ein Befehlspaket einer, anderen Befehls- Funktionseinheiten zu vermindern. Diese Möglichstromes abzuarbeiten vermag. keiten sind in der Zeitschrift »Elektronische Rechen-

   40 anlagen«, 1968, S. 135 bis 140, an Hand der Be-

   Schreibung des IBM-Systems/360, Modell 85, von

   A. KoIlmar beschrieben.

   Eine andere Möglichkeit besteht darin, Belegungs-

   Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine lücken und Aufstau für einen Befehlsstrom zuzulas-

   nach dem Fließbandprinzip arbeitende, mindestens 45 sen, und das Befehls-Fließband für einen zweiten

   aus einem zentralen Prozessor und einem Zentral- Befehlsstrom und eventuell für weitere Befehlsströme