Superscalar Processor: Αρχιτεκτονική, Σωληνώσεις, Τύποι & Εφαρμογές του

Σε αυτόν τον κόσμο όλοι θέλουν να κάνουν γρήγορα τα πράγματα/τις εργασίες τους. Δεν είναι; Από αυτοκίνητα μέχρι βιομηχανικά και οικιακά μηχανήματα, όλοι θέλουν να λειτουργούν πιο γρήγορα. Ξέρετε τι υπάρχει μέσα σε αυτά τα μηχανήματα και τα κάνει να λειτουργούν; Αυτοί είναι επεξεργαστές . Μπορεί να είναι μικροεπεξεργαστές ή macro, ανάλογα με τη λειτουργικότητα. Ο βασικός επεξεργαστής γενικά εκτελεί μία εντολή ανά κύκλο ρολογιού. Ο τρόπος να βελτιωθεί η ταχύτητα επεξεργασίας τους, ώστε οι μηχανές να μπορούν να βελτιώσουν την ταχύτητά τους, δημιουργήθηκε είναι, το υπερβαθμωτός επεξεργαστής που διαθέτει αλγόριθμο διοχέτευσης για να του επιτρέπει να εκτελεί δύο εντολές ανά κύκλο ρολογιού. Εφευρέθηκε για πρώτη φορά από το CDC 6600 του Seymour Cray που εφευρέθηκε το 1964 και αργότερα βελτιώθηκε από τους Tjaden & Flynn το 1970.

Ο πρώτος εμπορικός μικροεπεξεργαστής MC88100 με ένα μόνο chip αναπτύχθηκε από τη Motorola το 1988, αργότερα η Intel παρουσίασε την έκδοση I960CA το 1989 και την AMD 29000-series 29050 το 1990.  Προς το παρόν, ο τυπικός επεξεργαστής superscalar i7 που χρησιμοποιείται είναι ο επεξεργαστής Intele. τη μικροαρχιτεκτονική του Nehalem.

Παρόλο που, οι υλοποιήσεις του superscalar οδεύουν προς την ενίσχυση της πολυπλοκότητας. Ο σχεδιασμός αυτών των επεξεργαστών συνήθως αναφέρεται σε ένα σύνολο μεθόδων που επιτρέπουν στην CPU ενός υπολογιστή να επιτύχει απόδοση μεγαλύτερη από μία εντολή για κάθε κύκλο κατά την εκτέλεση ενός μεμονωμένου διαδοχικού προγράμματος. Ας δούμε περαιτέρω σε αυτό το άρθρο την αρχιτεκτονική SuperScalarprocessor που μειώνει τον χρόνο εκτέλεσής του και τις εφαρμογές του.

Τι είναι ο Superscalar Processor;

Ένας τύπος μικροεπεξεργαστή που χρησιμοποιείται για την υλοποίηση ενός τύπου παραλληλισμού που είναι γνωστός ως παραλληλισμός επιπέδου εντολών σε έναν μόνο επεξεργαστή για την εκτέλεση  περισσότερων από μία εντολών κατά τη διάρκεια ενός κύκλου CLK, αποστέλλοντας ταυτόχρονα διάφορες εντολές σε ειδικές μονάδες εκτέλεσης στον επεξεργαστή. ΕΝΑ βαθμωτός επεξεργαστής εκτελεί μία εντολή για κάθε κύκλο ρολογιού. ένας υπερβαθμωτικός επεξεργαστής μπορεί να εκτελέσει περισσότερες από μία εντολές κατά τη διάρκεια ενός κύκλου ρολογιού.

Οι τεχνικές σχεδιασμού του superscalar συνήθως περιλαμβάνουν παράλληλη μετονομασία καταχωρητή, παράλληλη αποκωδικοποίηση εντολών, εκτελέσεις εκτός σειράς και κερδοσκοπική εκτέλεση. Επομένως, αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούνται συνήθως με συμπληρωματικές μεθόδους σχεδίασης, όπως η διοχέτευση, η πρόβλεψη διακλάδωσης, η προσωρινή αποθήκευση και ο πολλαπλός πυρήνας στα τρέχοντα σχέδια μικροεπεξεργαστών.

Χαρακτηριστικά

Τα χαρακτηριστικά των υπερβαθμωτών επεξεργαστών περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Η αρχιτεκτονική Superscalar είναι μια τεχνική παράλληλων υπολογιστών που χρησιμοποιείται σε διάφορους επεξεργαστές.
• Σε έναν υπερκλιμακωτό υπολογιστή, η CPU διαχειρίζεται πολλές σωληνώσεις εντολών για την εκτέλεση πολλών εντολών ταυτόχρονα κατά τη διάρκεια ενός κύκλου ρολογιού.
• Οι υπερκλιμακωτές αρχιτεκτονικές περιλαμβάνουν όλα σωληνώσεις χαρακτηριστικά αν και υπάρχουν πολλές εντολές που εκτελούνται ταυτόχρονα εντός του ίδιου αγωγού.
• Οι μέθοδοι σχεδίασης υπερκλιμακωτών συνήθως περιλαμβάνουν παράλληλη μετονομασία καταχωρητή, παράλληλη αποκωδικοποίηση εντολών, κερδοσκοπική εκτέλεση και εκτέλεση εκτός σειράς. Έτσι, αυτές οι μέθοδοι χρησιμοποιούνται συνήθως με συμπληρωματικές μεθόδους σχεδίασης όπως η προσωρινή αποθήκευση, η διοχέτευση, η πρόβλεψη διακλάδωσης και ο πολλαπλός πυρήνας σε πρόσφατα σχέδια μικροεπεξεργαστών.

Superscalar Processor Architecture

Γνωρίζουμε ότι ένας υπερκλιμακωτός επεξεργαστής είναι μια CPU που εκτελεί πάνω από μία εντολή για κάθε κύκλο CLK, επειδή οι ταχύτητες επεξεργασίας απλά μετρώνται σε κύκλους CLK για κάθε δευτερόλεπτο. Σε σύγκριση με έναν βαθμωτό επεξεργαστή, αυτός ο επεξεργαστής είναι πολύ πιο γρήγορος.

Η αρχιτεκτονική του επεξεργαστή Superscalar περιλαμβάνει κυρίως παράλληλες μονάδες εκτέλεσης όπου αυτές οι μονάδες μπορούν να υλοποιήσουν εντολές ταυτόχρονα. Πρώτα λοιπόν, αυτή η παράλληλη αρχιτεκτονική υλοποιήθηκε σε έναν επεξεργαστή RISC που χρησιμοποιεί απλές και σύντομες οδηγίες για την εκτέλεση υπολογισμών. Άρα λόγω των υπερκλιμακωτών ικανοτήτων τους, κανονικά ΚΙΝΔΥΝΟΣ Οι επεξεργαστές έχουν καλύτερη απόδοση σε σύγκριση με τους επεξεργαστές CISC που λειτουργούν στα ίδια megahertz. Αλλά κυρίως CISC Οι επεξεργαστές τώρα, όπως ο Intel Pentium, περιλαμβάνουν επίσης κάποια αρχιτεκτονική RISC, η οποία τους επιτρέπει να εκτελούν εντολές παράλληλα.

Ο superscalar επεξεργαστής είναι εξοπλισμένος με πολλές μονάδες επεξεργασίας για τον παράλληλο χειρισμό διαφόρων εντολών σε κάθε στάδιο επεξεργασίας. Χρησιμοποιώντας την παραπάνω αρχιτεκτονική, ένας αριθμός εντολών ξεκινά την εκτέλεση εντός ενός παρόμοιου κύκλου ρολογιού. Αυτοί οι επεξεργαστές είναι ικανοί να λάβουν μια έξοδο εκτέλεσης εντολών της παραπάνω μίας εντολής για κάθε κύκλο.

Στο παραπάνω διάγραμμα αρχιτεκτονικής, χρησιμοποιείται ένας επεξεργαστής με δύο μονάδες εκτέλεσης όπου η μία χρησιμοποιείται για ακέραιος αριθμός και η άλλη για τις πράξεις κινητής υποδιαστολής. Η μονάδα ανάκτησης εντολών (IFU) είναι ικανή να διαβάζει οδηγίες κάθε φορά και να τις αποθηκεύει στην ουρά εντολών. Σε κάθε κύκλο, η μονάδα αποστολής λαμβάνει και αποκωδικοποιεί έως και 2 οδηγίες από το μπροστινό μέρος της ουράς. Εάν υπάρχει ένας μόνο ακέραιος, μια εντολή κινητής υποδιαστολής & δεν υπάρχουν κίνδυνοι, τότε και οι δύο εντολές αποστέλλονται εντός ενός παρόμοιου κύκλου ρολογιού.

Σωληνώσεις

Η διοχέτευση είναι η διαδικασία διαχωρισμού των εργασιών σε υποστάδια και εκτέλεσής τους σε διαφορετικά μέρη του επεξεργαστή. Στην ακόλουθη υπερκλιμακωτή διοχέτευση, δύο εντολές μπορούν να ληφθούν και να αποσταλούν κάθε φορά για να ολοκληρωθούν το πολύ 2 εντολές ανά κύκλο. Η αρχιτεκτονική διοχέτευσης στον βαθμωτό επεξεργαστή και τον υπερκλιμακωτό επεξεργαστή φαίνεται παρακάτω.

Οι οδηγίες σε έναν υπερκλιμακωτό επεξεργαστή εκδίδονται από μια διαδοχική ροή εντολών. Πρέπει να επιτρέπει πολλαπλές οδηγίες για κάθε κύκλο ρολογιού και η CPU πρέπει να ελέγχει δυναμικά για εξαρτήσεις δεδομένων μεταξύ των εντολών.

Στην παρακάτω αρχιτεκτονική σωλήνωσης, το F ανακτάται, το D αποκωδικοποιείται, το E εκτελείται και το W είναι η επιστροφή καταχωρητή,. Σε αυτήν την αρχιτεκτονική αγωγών, τα I1, I2, I3 & I4 είναι οδηγίες.

Η βαθμιδωτή αρχιτεκτονική σωλήνωσης επεξεργαστή περιλαμβάνει μια ενιαία διοχέτευση και τέσσερα στάδια ανάκτηση, αποκωδικοποίηση, εκτέλεση και εγγραφή αποτελεσμάτων. Στον βαθμωτό επεξεργαστή single pipeline, η διοχέτευση στην οδηγία1 (I1) λειτουργεί ως. στην πρώτη περίοδο ρολογιού I1 θα ανακτήσει, στη δεύτερη περίοδο ρολογιού θα αποκωδικοποιήσει και στη δεύτερη εντολή θα πάρει το I2. Η τρίτη εντολή I3 στην τρίτη περίοδο ρολογιού θα ανακτηθεί, η I2 θα αποκωδικοποιήσει και η I1 θα εκτελεστεί. Στην τέταρτη περίοδο ρολογιού, το I4 θα ανακτήσει, το I3 θα αποκωδικοποιήσει, το I2 θα εκτελέσει και το I1 θα γράψει στη μνήμη. Έτσι, σε επτά χρονικές περιόδους, θα εκτελέσει 4 εντολές σε ένα μόνο αγωγό.

Η αρχιτεκτονική σωλήνωσης υπερβαθμωτών επεξεργαστών περιλαμβάνει δύο αγωγούς και τέσσερα στάδια ανάκτηση, αποκωδικοποίηση, εκτέλεση και εγγραφή αποτελεσμάτων. Είναι ένας υπερβαθμωτός επεξεργαστής 2 εκδόσεων που σημαίνει ότι δύο εντολές θα ανακτούν, θα αποκωδικοποιούν, θα εκτελούν και θα γράφουν τα αποτελέσματα κάθε φορά. Οι δύο εντολές I1 & I2 θα ανακτούν, θα αποκωδικοποιούν, θα εκτελούν και θα γράφουν κάθε φορά σε κάθε περίοδο ρολογιού. Ταυτόχρονα στην επόμενη περίοδο ρολογιού, οι υπόλοιπες δύο εντολές I3 & I4 θα ανακτήσουν, θα αποκωδικοποιήσουν, θα εκτελεστούν και θα ξαναγράψουν κάθε φορά. Έτσι, σε πέντε χρονικές περιόδους, θα εκτελέσει 4 εντολές σε έναν ενιαίο αγωγό.

Έτσι, ένας βαθμωτός επεξεργαστής εκδίδει μία εντολή ανά κύκλο ρολογιού και εκτελεί ένα μόνο στάδιο διοχέτευσης ανά κύκλο ρολογιού, ενώ ένας υπερβαθμωτός επεξεργαστής, εκδίδει δύο εντολές ανά κύκλο ρολογιού και εκτελεί δύο περιπτώσεις από κάθε στάδιο παράλληλα. Έτσι, η εκτέλεση εντολών σε έναν βαθμωτό επεξεργαστή χρειάζεται περισσότερο χρόνο ενώ σε έναν υπερκλιμακωτό απαιτείται λιγότερος χρόνος για την εκτέλεση εντολών .

Τύποι Υπερβαθμωτών Επεξεργαστών

Αυτοί είναι διαφορετικοί τύποι υπερβαθμωτών επεξεργαστών που διατίθενται στην αγορά, οι οποίοι αναλύονται παρακάτω.

Επεξεργαστής Intel Core i7

Ο Intel core i7 είναι ένας υπερβαθμωτός επεξεργαστής που βασίζεται στη μικροαρχιτεκτονική Nehalem. Σε ένα σχέδιο Core i7, υπάρχουν διάφοροι πυρήνες επεξεργαστή όπου κάθε πυρήνας επεξεργαστή είναι ένας υπερβαθμωτός επεξεργαστής. Αυτή είναι η ταχύτερη έκδοση του επεξεργαστή Intel που χρησιμοποιείται σε υπολογιστές και συσκευές καταναλωτών. Παρόμοια με τον Intel Corei5, αυτός ο επεξεργαστής είναι ενσωματωμένος στην τεχνολογία Intel Turbo Boost. Αυτός ο επεξεργαστής είναι προσβάσιμος σε 2 έως 6 ποικιλίες που υποστηρίζουν έως και 12 διαφορετικά νήματα ταυτόχρονα.

Επεξεργαστής Intel Pentium

Η υπερκλιμακωτή αρχιτεκτονική διοχέτευσης του επεξεργαστή Intel Pentium σημαίνει ότι η CPU εκτελεί τουλάχιστον δύο ή παραπάνω εντολές για κάθε κύκλο. Αυτός ο επεξεργαστής χρησιμοποιείται ευρέως σε προσωπικούς υπολογιστές. Οι συσκευές επεξεργαστή Intel Pentium κατασκευάζονται συνήθως για διαδικτυακή χρήση, υπολογιστικό νέφος και συνεργασία. Έτσι, αυτός ο επεξεργαστής λειτουργεί τέλεια για tablet και Chromebook για να παρέχει ισχυρή τοπική απόδοση και αποτελεσματικές διαδικτυακές αλληλεπιδράσεις.

IBM Power PC601

Ο superscalar επεξεργαστής όπως το IBM power PC601 είναι από την οικογένεια των μικροεπεξεργαστών PowerPC RISC. Αυτός ο επεξεργαστής είναι ικανός να εκδίδει αλλά και να αποσύρει τρεις εντολές για κάθε ρολόι και μία για κάθε μία από τις 3 μονάδες εκτέλεσης. Οι οδηγίες είναι εντελώς εκτός λειτουργίας για βελτιωμένη απόδοση. αλλά, το PC601 θα κάνει την εκτέλεση να εμφανιστεί με τη σειρά.

Ο ισχύς επεξεργαστής PC601 παρέχει λογικές διευθύνσεις 32 bit, ακέραιους τύπους δεδομένων 8, 16 και 32 bit και τύπους δεδομένων κινητής υποδιαστολής 32 & 64 bit. Για την υλοποίηση του PowerPC 64 bit, η αρχιτεκτονική αυτού του επεξεργαστή παρέχει τύπους δεδομένων ακέραιων αριθμών που βασίζονται σε 64 bit, διευθύνσεις και άλλα χαρακτηριστικά που είναι απαραίτητα για την ολοκλήρωση της αρχιτεκτονικής που βασίζεται στα 64 bit.

MC 88110

Ο MC 88110 είναι ένας μικροεπεξεργαστής RISC δεύτερης γενιάς ενός chip που χρησιμοποιεί προηγμένες μεθόδους για την εκμετάλλευση του παραλληλισμού σε επίπεδο εντολών. Αυτός ο επεξεργαστής χρησιμοποιεί πολλαπλές κρυφές μνήμες στο τσιπ, ζητήματα υπερκλιμακωμένων εντολών, καταγραφή περιορισμένων δυναμικών εντολών και κερδοσκοπική εκτέλεση, για την επίτευξη μέγιστης απόδοσης, επομένως χρησιμοποιείται ιδανικά ως κεντρικός επεξεργαστής σε υπολογιστές και σταθμούς εργασίας χαμηλού κόστους.

Intel i960

Ο Intel i960 είναι ένας υπερβαθμωτός επεξεργαστής που είναι ικανός να εκτελεί και να αποστέλλει διάφορες ανεξάρτητες εντολές κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου ρολογιού του επεξεργαστή. Αυτός είναι ένας μικροεπεξεργαστής βασισμένος σε RISC που έγινε πολύ γνωστός ως ενσωματωμένος μικροελεγκτής στις αρχές της δεκαετίας του 1990. Αυτός ο επεξεργαστής χρησιμοποιείται συνεχώς σε μερικές στρατιωτικές εφαρμογές.

MIPS R

Ο MIPS R είναι ένας δυναμικός και υπερκλιμακωτός μικροεπεξεργαστής που χρησιμοποιείται για την εκτέλεση της αρχιτεκτονικής συνόλου εντολών 64-bit MIPS 4. Αυτός ο επεξεργαστής ανακτά και αποκωδικοποιεί 4 εντολές για κάθε κύκλο και τις εκδίδει σε πέντε πλήρως διοχετευμένες και χαμηλής καθυστέρησης μονάδες εκτέλεσης. Αυτός ο επεξεργαστής είναι ιδιαίτερα σχεδιασμένος για εφαρμογές υψηλής απόδοσης, μεγάλες και πραγματικές εφαρμογές με κακή τοποθεσία μνήμης. Με κατά προσέγγιση εκτέλεση, υπολογίζει απλώς τις διευθύνσεις μνήμης. Οι επεξεργαστές MIPS χρησιμοποιούνται κυρίως σε διάφορες συσκευές όπως το Nintendo Gamecube, η σειρά προϊόντων της SGI, το Sony Playstation 2, οι δρομολογητές PSP και Cisco.

Διαφορά B/W Superscalar vs Pipelining

Η διαφορά μεταξύ superscalar και pipelining συζητείται παρακάτω.

Χαρακτηριστικά

ο υπερκλιμακωτά χαρακτηριστικά επεξεργαστή περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Ένας υπερβαθμωτικός επεξεργαστής είναι ένα υπερ-σωληνωμένο μοντέλο όπου απλώς οι ανεξάρτητες οδηγίες εκτελούνται σειριακά χωρίς καμία κατάσταση αναμονής.
• Ένας υπερκλιμακωτός επεξεργαστής ανακτά και αποκωδικοποιεί ταυτόχρονα πολλές οδηγίες της εισερχόμενης ροής εντολών.
• Η αρχιτεκτονική των υπερβαθμωτών επεξεργαστών εκμεταλλεύεται τις δυνατότητες του παραλληλισμού σε επίπεδο εντολών.
• Οι Superscalar επεξεργαστές εκδίδουν κυρίως την παραπάνω απλή εντολή για κάθε κύκλο.
• Το όχι. των οδηγιών που εκδίδονται εξαρτώνται κυρίως από τις οδηγίες εντός του ρεύματος εντολών.
• Οι οδηγίες αναδιατάσσονται συχνά για να ταιριάζουν καλύτερα στην αρχιτεκτονική του επεξεργαστή.
• Η υπερκλιμακωτή μέθοδος συνήθως συνδέεται με ορισμένα χαρακτηριστικά ταυτοποίησης. Οι οδηγίες εκδίδονται συνήθως από μια διαδοχική ροή εντολών.
• Η CPU ελέγχει δυναμικά για εξαρτήσεις δεδομένων μεταξύ των εντολών κατά το χρόνο εκτέλεσης.
• Η CPU εκτελεί πολλαπλές εντολές για κάθε κύκλο ρολογιού.

Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

ο πλεονεκτήματα του υπερκλιμακωτή επεξεργαστή περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Ένας υπερκλιμακωτός επεξεργαστής υλοποιεί παραλληλισμό σε επίπεδο εντολών σε έναν μόνο επεξεργαστή.
• Αυτοί οι επεξεργαστές είναι απλά κατασκευασμένοι για να εκτελούν οποιοδήποτε σύνολο εντολών.
• Ο υπερβαθμωτός επεξεργαστής, συμπεριλαμβανομένης της πρόβλεψης κλάδου εκτέλεσης εκτός σειράς και της κερδοσκοπικής εκτέλεσης, μπορεί απλώς να βρει παραλληλισμό πάνω από πολλά βασικά μπλοκ και επαναλήψεις βρόχου.

ο μειονεκτήματα του υπερκλιμακωτή επεξεργαστή περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Οι Superscalar επεξεργαστές δεν χρησιμοποιούνται πολύ σε μικρά ενσωματωμένα συστήματα λόγω χρήσης ενέργειας.
• Το πρόβλημα με τον προγραμματισμό μπορεί να συμβεί σε αυτήν την αρχιτεκτονική.
• Ο Superscalar επεξεργαστής ενισχύει το επίπεδο πολυπλοκότητας στη σχεδίαση του υλικού.
• Οι οδηγίες σε αυτόν τον επεξεργαστή απλώς λαμβάνονται με βάση τη διαδοχική σειρά του προγράμματος, αλλά αυτή δεν είναι η καλύτερη σειρά εκτέλεσης.

Εφαρμογές Superscalar Processor

Οι εφαρμογές ενός υπερκλιμακωτή επεξεργαστή περιλαμβάνουν τα ακόλουθα.

• Η υπερκλιμακωτή εκτέλεση χρησιμοποιείται συχνά από φορητό υπολογιστή ή επιτραπέζιο υπολογιστή. Αυτός ο επεξεργαστής απλώς σαρώνει το πρόγραμμα σε εκτέλεση για να ανακαλύψει σύνολα εντολών που μπορούν να εκτελεστούν ως ένα.
• Ένας υπερβαθμωτός επεξεργαστής περιλαμβάνει διάφορα αντίγραφα υλικού διαδρομής δεδομένων που εκτελούν διάφορες εντολές ταυτόχρονα.
• Αυτός ο επεξεργαστής έχει σχεδιαστεί κυρίως για να δημιουργεί ταχύτητα υλοποίησης πάνω από μία εντολή για κάθε κύκλο ρολογιού για ένα μεμονωμένο διαδοχικό πρόγραμμα.

Επομένως, πρόκειται για όλα μια επισκόπηση του υπερκλιμακωτή επεξεργαστή – αρχιτεκτονική, τύποι και εφαρμογές. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, τι είναι ο βαθμωτός επεξεργαστής;