Архитектура ЭВМ Лекция 6: Устройство управления многотактного процессора. Конвейерный тракт данных. 

Первым применил конвейер для сборки авто Рэнсом Эли Олдс.

Попробую ответить на последний вопрос, у нас однотактный проц выполняет 1 инструкцию за огромное время. А тут мы можем это огромное время поделить, и пока он закончит одну инструкцию за неск тактов, у нас будет готова часть работы ко второй инструкции. Или может даже к третьей или 4, если правильно настроить блок управления. Без этого придется ждать полной обработки инструкции. И различная архитектура не влияет на саму возможность делить на такты.

1. Проблема однотактного процессора не столько в нерациональном использовании функциональных узлов, сколько в том, что тактовая частота ограничена временем выполнения самой долгой инструкции. А это значит, что быстрые команды будут выполняться неэффективно - они могли бы выполниться очень быстро, но из-за необходимости подгонять такт под самую долгую инструкцию, они простаивают. Это сильно замедляет процессор. 2. Многотактный процессор пытается с этим бороться, но в реальности, никакой реальной эффективности это не дает, кроме как выигрыша в дешевизне из-за переиспользования ФУ. Многотактный процессор накладывает дополнительные ограничения на время тактов из-за регистров, которые тормозят выполнение инструкции(ибо увеличивается время распространения сигнала). Из-за этого такие процессоры, в среднем, работают даже медленнее, чем однотактные процессоры. 3. Конвейрный процессор - это способ ускорить выполнение программ в огромное количество раз. Принцип здесь в том, что все этапы выполнения делятся на шаги(как в многотактном), что позволяет повысить тактовую частоту, с другой стороны, все ФУ пытаются нагружать по максимуму, загружая последующие команды еще до того, как выполнилась первая. Это увеличивает количество выполенных инструкций за единицу времени, тактовая частота тоже не проседает. В общем говоря, не смотря на то, что там приходится сделать схему чуть сложнее (из-за разрешения конфликтов), все равно выигрыш достаточно огромный. Единственная реальная проблема конвейерных процессоров - это инструкции условного перехода. Они могут сильно тормозить процессор, если часто промахиваться с предсказанием. Но для этого делаются супер сложные предсказатели переходов, которые компенсируют потерю производительности. Таким образом, на практике все равно конвейрные процессоры работают сильно быстрее.