Superskalarni procesor: arhitektura, cjevovod, vrste i njegove primjene

U ovom svijetu svi žele svoje stvari/poslove obaviti brzo. nije li Od automobila do industrijskih i kućanskih strojeva svi žele da rade brže. Znate li što se nalazi unutar ovih strojeva i tjera ih da rade? Oni su procesori . Mogu biti mikro ili makro procesori, ovisno o funkcionalnosti. Osnovni procesor općenito izvršava jednu instrukciju po taktu. Način da se poboljša njihova brzina obrade tako da strojevi mogu poboljšati svoju brzinu je nastao superskalarnog procesora koji ima cjevovodni algoritam koji mu omogućuje izvršavanje dvije instrukcije po taktu. Prvi ga je izumio CDC 6600 Seymoura Craya izumljen 1964. godine, a kasnije ga je poboljšao Tjaden & Flynn 1970. godine.

Prvi komercijalni superskalarni mikroprocesor s jednim čipom MC88100 razvila je Motorola 1988., kasnije je Intel predstavio svoju verziju I960CA 1989. i AMD 29000-seriju 29050 1990. Trenutno je tipični superskalarni procesor koji se koristi Intel Core i7 procesor ovisno o mikroarhitektura Nehalem.

Usprkos tome, implementacije superskalarnosti idu prema povećanju složenosti. Dizajn ovih procesora obično se odnosi na skup metoda koje dopuštaju CPU-u računala da postigne protok veći od jedne instrukcije za svaki ciklus dok izvršava jedan sekvencijalni program. Pogledajmo dalje u ovom članku arhitekturu SuperScalarprocessora koja smanjuje vrijeme izvršenja i njegove aplikacije.

Što je Superskalarni procesor?

Vrsta mikroprocesora koji se koristi za implementaciju vrste paralelizma poznatog kao paralelizam na razini instrukcija u jednom procesoru za izvršavanje više od jedne instrukcije tijekom CLK ciklusa slanjem različitih instrukcija u isto vrijeme posebnim jedinicama za izvršavanje na procesoru. A skalarni procesor izvršava jednu instrukciju za svaki ciklus takta; superskalarni procesor može izvršiti više od jedne instrukcije tijekom takta.

Tehnike dizajna superskalarnog obično obuhvaćaju paralelno preimenovanje registara, paralelno dekodiranje instrukcija, izvršavanja izvan reda i spekulativno izvršavanje. Stoga se ove metode obično koriste s nadopunjujućim metodama dizajna kao što su cjevovod, predviđanje grananja, predmemorija i višejezgreni unutar trenutnih dizajna mikroprocesora.

Značajke

Značajke superskalarnih procesora uključuju sljedeće.

• Superskalarna arhitektura je tehnika paralelnog računanja koja se koristi u različitim procesorima.
• U superskalarnom računalu, CPU upravlja s nekoliko cjevovoda instrukcija za izvođenje brojnih instrukcija istovremeno tijekom ciklusa takta.
• Superskalarne arhitekture uključuju sve cjevovod značajke iako postoji nekoliko instrukcija koje se izvode istovremeno unutar istog cjevovoda.
• Metode superskalarnog dizajna obično uključuju paralelno preimenovanje registara, paralelno dekodiranje instrukcija, spekulativno izvršavanje i izvršavanje izvan reda. Dakle, ove se metode obično koriste s nadopunjujućim metodama dizajna kao što su predmemorija, cjevovod, predviđanje grananja i višejezgreni procesori u novijim dizajnima mikroprocesora.

Superskalarna procesorska arhitektura

Znamo da je superskalarni procesor CPU koji izvršava više od jedne instrukcije za svaki CLK ciklus jer se brzine obrade jednostavno mjere u CLK ciklusima za svaku sekundu. U usporedbi sa skalarnim procesorom, ovaj procesor je vrlo brži.

Arhitektura superskalarnog procesora uglavnom uključuje paralelne izvršne jedinice gdje te jedinice mogu simultano implementirati instrukcije. Prvo je ova paralelna arhitektura implementirana unutar RISC procesora koji koristi jednostavne i kratke upute za izvođenje izračuna. Dakle, zbog njihovih superskalarnih sposobnosti, normalno RIZIK procesori imaju bolje rezultate u usporedbi s CISC procesorima koji rade na istom megahercu. Ali, većina CISC procesori sada poput Intel Pentiuma također sadrže neke RISC arhitekture, što im omogućuje paralelno izvođenje instrukcija.

Superskalarni procesor opremljen je s nekoliko procesorskih jedinica za paralelno rukovanje raznim instrukcijama u svakoj fazi obrade. Korištenjem gornje arhitekture, brojne instrukcije počinju se izvršavati unutar sličnog takta. Ovi procesori su sposobni dobiti izlaz za izvršenje instrukcije jedne gornje instrukcije za svaki ciklus.

U gornjem dijagramu arhitekture, procesor se koristi s dvije izvršne jedinice od kojih se jedna koristi za cijeli broj, a druga za operacije s pomičnim zarezom. Jedinica za dohvaćanje instrukcija (IFU) sposobna je čitati instrukcije odjednom i pohranjuje ih unutar reda instrukcija. U svakom ciklusu, otpremna jedinica dohvaća i dekodira do 2 instrukcije s prednje strane čekanja. Ako postoji jedan cijeli broj, jedna instrukcija s pomičnim zarezom i nema opasnosti, tada se obje instrukcije šalju unutar sličnog ciklusa sata.

Cjevovod

Cjevovod je postupak rastavljanja zadataka u pod-korake i njihovog izvršavanja unutar različitih dijelova procesora. U sljedećem superskalarnom cjevovodu, dvije instrukcije se mogu dohvatiti i poslati istovremeno kako bi se dovršile najviše 2 instrukcije po ciklusu. Cjevovodna arhitektura u skalarnom procesoru i superskalarnom procesoru prikazana je u nastavku.

Instrukcije u superskalarnom procesoru izdaju se iz sekvencijalnog toka instrukcija. Mora omogućiti višestruke instrukcije za svaki ciklus takta i CPU mora dinamički provjeravati ovisnosti podataka između instrukcija.

U donjoj arhitekturi cjevovoda, F se dohvaća, D se dekodira, E se izvršava, a W je upisivanje u registar. U ovoj arhitekturi cjevovoda, I1, I2, I3 & I4 su instrukcije.

Arhitektura cjevovoda skalarnog procesora uključuje jedan cjevovod i četiri stupnja dohvaćanja, dekodiranja, izvršavanja i pisanja rezultata. U skalarnom procesoru s jednim cjevovodom, cjevovod u instrukciji1 (I1) radi kao; u prvom taktu I1 će dohvatiti, u drugom taktu će dekodirati, au drugoj instrukciji, I2 će dohvatiti. Treća instrukcija I3 u trećem taktu će biti dohvaćena, I2 će dekodirati, a I1 će se izvršiti. U četvrtom taktu, I4 će dohvaćati, I3 će dekodirati, I2 će izvršiti, a I1 će pisati u memoriju. Dakle, u sedam taktnih perioda, izvršit će 4 instrukcije u jednom cjevovodu.

Arhitektura cjevovoda superskalarnog procesora uključuje dva cjevovoda i četiri stupnja dohvaćanja, dekodiranja, izvršavanja i pisanja rezultata. To je superskalarni procesor s dva izdanja, što znači da će istodobno dvije instrukcije dohvatiti, dekodirati, izvršiti i rezultirati upisom. Dvije instrukcije I1 i I2 će istovremeno dohvatiti, dekodirati, izvršiti i pisati natrag u svakom vremenskom periodu. Istovremeno u sljedećem vremenskom periodu, preostale dvije instrukcije I3 i I4 će istovremeno dohvatiti, dekodirati, izvršiti i pisati natrag. Dakle, u pet taktnih perioda, izvršit će 4 instrukcije u jednom cjevovodu.

Dakle, skalarni procesor izdaje jednu instrukciju po ciklusu takta i izvodi jednu fazu cjevovoda po ciklusu takta, dok superskalarni procesor izdaje dvije instrukcije po ciklusu takta i izvodi dvije instance svakog stupnja paralelno. Dakle, izvršenje instrukcija u skalarnom procesoru traje više vremena, dok je u superskalarnom potrebno manje vremena za izvršavanje instrukcija .

Vrste superskalarnih procesora

Ovo su različite vrste superskalarnih procesora dostupnih na tržištu o kojima se govori u nastavku.

Intel Core i7 procesor

Intel core i7 je superskalarni procesor koji se temelji na mikroarhitekturi Nehalem. U dizajnu Core i7 postoje različite procesorske jezgre gdje je svaka procesorska jezgra superskalarni procesor. Ovo je najbrža verzija Intelovog procesora koja se koristi u potrošačkim računalima i uređajima. Slično Intel Corei5, ovaj procesor je ugrađen u tehnologiju Intel Turbo Boost. Ovaj procesor je dostupan u 2 do 6 varijanti koje podržavaju do 12 različitih niti odjednom.

Intel Pentium procesor

Superskalarna cjevovodna arhitektura Intel Pentium procesora znači da CPU izvršava najmanje dvije ili više instrukcija za svaki ciklus. Ovaj procesor se široko koristi u osobnim računalima. Uređaji s procesorom Intel Pentium obično su napravljeni za online korištenje, računalstvo u oblaku i suradnju. Dakle, ovaj procesor savršeno radi za tablete i Chromebookove kako bi pružio snažnu lokalnu izvedbu i učinkovitu mrežnu interakciju.

IBM Power PC601

Superskalarni procesor poput IBM power PC601 je iz obitelji PowerPC RISC mikroprocesora. Ovaj procesor može izdati, kao i povući tri instrukcije za svaki takt i jednu za svaku od 3 izvršne jedinice. Upute su potpuno neprikladne za poboljšane performanse; ali, PC601 će izvršiti izvršenje po redu.

Snažni procesor PC601 pruža 32-bitne logičke adrese, 8, 16 i 32-bitne tipove podataka cijelog broja i 32-bitne i 64-bitne tipove podataka s pokretnim zarezom. Za implementaciju 64-bitnog PowerPC-a, arhitektura ovog procesora pruža 64-bitne tipove cjelobrojnih podataka, adresiranje i druge značajke potrebne za dovršetak 64-bitne arhitekture.

MC 88110

MC 88110 je RISC mikroprocesor druge generacije s jednim čipom koji koristi napredne metode za iskorištavanje paralelizma na razini instrukcija. Ovaj procesor koristi višestruke predmemorije na čipu, probleme sa superskalarnim uputama, snimanje ograničenih dinamičkih uputa i spekulativno izvršenje, za postizanje maksimalnih performansi pa se idealno koristi kao središnji procesor unutar jeftinih računala i radnih stanica.

Intel i960

Intel i960 je superskalarni procesor koji je sposoban izvršavati i slati različite neovisne instrukcije tijekom svakog ciklusa takta procesora. Ovo je mikroprocesor temeljen na RISC-u koji je postao vrlo poznat kao ugrađeni mikrokontroler tijekom ranih 1990-ih. Ovaj se procesor kontinuirano koristi u nekoliko vojnih aplikacija.

MIPS R

MIPS R je dinamički i superskalarni mikroprocesor koji se koristi za izvršavanje 64-bitne arhitekture MIPS 4 skupa instrukcija. Ovaj procesor dohvaća i dekodira 4 instrukcije za svaki ciklus i izdaje ih pet potpuno cjevovodnih izvršnih jedinica niske latencije. Ovaj procesor posebno je dizajniran za velike performanse i stvarne aplikacije sa slabom lokacijom memorije. Uz približno izvršenje, jednostavno izračunava memorijske adrese. MIPS procesori uglavnom se koriste u raznim uređajima kao što su Nintendo Gamecube, SGI linija proizvoda, Sony Playstation 2, PSP i Cisco usmjerivači.

Razlika C/W Superskalarno u odnosu na cjevovod

Razlika između superskalarnog i cjevovodnog povezivanja raspravlja se u nastavku.

Karakteristike

The karakteristike superskalarnog procesora uključuju sljedeće.

• Superskalarni procesor je super-cijevni model gdje se samo neovisne instrukcije izvode serijski bez ikakve situacije čekanja.
• Superskalarni procesor dohvaća i dekodira istovremeno nekoliko instrukcija dolaznog toka instrukcija.
• Arhitektura superskalarnih procesora iskorištava potencijal paralelizma na razini instrukcija.
• Superskalarni procesori uglavnom izdaju gornju jednu instrukciju za svaki ciklus.
• Broj izdanih uputa uglavnom ovisi o uputama unutar toka uputa.
• Instrukcije se često mijenjaju kako bi bolje odgovarale arhitekturi procesora.
• Superskalarna metoda obično je povezana s nekim identifikacijskim karakteristikama. Instrukcije se obično izdaju iz sekvencijalnog toka instrukcija.
• CPU dinamički provjerava ovisnosti podataka između instrukcija tijekom izvođenja.
• CPU izvršava više instrukcija za svaki takt.

Prednosti i nedostatci

The prednosti superskalarnog procesora uključuju sljedeće.

• Superskalarni procesor implementira paralelizam na razini instrukcija u jednom procesoru.
• Ovi procesori jednostavno su napravljeni za izvođenje bilo kojeg skupa instrukcija.
• Superskalarni procesor uključujući predviđanje grananja izvršavanja izvan reda i spekulativno izvođenje može jednostavno pronaći paralelizam iznad nekoliko osnovnih blokova i ponavljanja petlje.

The nedostaci superskalarnog procesora uključuju sljedeće.

• Superskalarni procesori se ne koriste mnogo u malim ugrađenim sustavima zbog potrošnje energije.
• Problem s raspoređivanjem može se dogoditi u ovoj arhitekturi.
• Superskalarni procesor povećava razinu složenosti u projektiranju hardvera.
• Instrukcije u ovom procesoru jednostavno se dohvaćaju na temelju njihovog sekvencijalnog redoslijeda programa, ali to nije najbolji redoslijed izvršenja.

Aplikacije superskalarnog procesora

Primjene superskalarnog procesora uključuju sljedeće.

• Superskalarno izvođenje često se koristi na prijenosnom ili stolnom računalu. Ovaj procesor jednostavno skenira program u izvođenju kako bi otkrio skupove instrukcija koje se mogu izvršiti kao jedna.
• Superskalarni procesor uključuje različite hardverske kopije putova podataka koje izvršavaju različite instrukcije odjednom.
• Ovaj procesor je uglavnom dizajniran za generiranje brzine implementacije iznad jedne instrukcije za svaki ciklus takta za jedan sekvencijalni program.

Dakle, ovo je sve o tome pregled superskalarnog procesora – arhitekturu, vrste i primjene. Evo pitanja za vas, što je skalarni procesor?