Superskalarni procesor: arhitektura, cevovod, vrste in njegove aplikacije

V tem svetu si vsak želi svoje stvari/dela ​​opraviti hitro. kajne? Od avtomobilov do industrijskih in gospodinjskih strojev si vsi želijo, da bi delovali hitreje. Ali veste, kaj se skriva v teh strojih, zaradi česar delujejo? So procesorji . Lahko so mikro ali makro procesorji, odvisno od funkcionalnosti. Osnovni procesor na splošno izvede en ukaz na takt. Način za izboljšanje njihove hitrosti obdelave, tako da lahko stroji izboljšajo svojo hitrost, je nastal superskalarnega procesorja ki ima cevovodni algoritem, ki mu omogoča izvajanje dveh ukazov na takt. Prvič ga je izumil CDC 6600 Seymour Cray, izumljen leta 1964, kasneje pa sta ga leta 1970 izboljšala Tjaden & Flynn.

Prvi komercialni superskalarni mikroprocesor z enim čipom MC88100 je razvila Motorola leta 1988, pozneje je Intel predstavil svojo različico I960CA leta 1989 in AMD 29000 serije 29050 leta 1990. Trenutno je tipičen superskalarni procesor, ki se uporablja, procesor Intel Core i7, odvisno od mikroarhitektura Nehalem.

Kljub temu se implementacije superskalarja usmerjajo proti povečevanju kompleksnosti. Zasnova teh procesorjev se običajno nanaša na nabor metod, ki omogočajo CPU računalnika, da doseže prepustnost nad eno navodilo za vsak cikel med izvajanjem enega samega zaporednega programa. Oglejmo si v tem članku nadalje arhitekturo procesorja SuperScalar, ki skrajša čas njegovega izvajanja in njegove aplikacije.

Kaj je Superskalarni procesor?

Vrsta mikroprocesorja, ki se uporablja za izvajanje vrste paralelizma, znanega kot paralelizem na ravni navodil, v enem procesorju za izvajanje več kot enega ukaza med ciklom CLK s hkratnim pošiljanjem različnih navodil posebnim izvršilnim enotam na procesorju. A skalarni procesor izvede en sam ukaz za vsak takt; superskalarni procesor lahko izvede več kot en ukaz med taktom.

Tehnike načrtovanja superskalarja običajno vključujejo vzporedno preimenovanje registrov, vzporedno dekodiranje ukazov, izvajanja brez vrstnega reda in špekulativno izvajanje. Zato se te metode običajno uporabljajo z dopolnilnimi metodami načrtovanja, kot so cevovod, napovedovanje razvejanja, predpomnjenje in večjedrnost znotraj trenutnih zasnov mikroprocesorjev.

Lastnosti

Značilnosti superskalarnih procesorjev vključujejo naslednje.

• Superskalarna arhitektura je vzporedna računalniška tehnika, ki se uporablja v različnih procesorjih.
• V superskalarnem računalniku CPE upravlja več cevovodov ukazov za istočasno izvajanje številnih navodil med taktom.
• Superskalarne arhitekture vključujejo vse cevovod funkcije, čeprav obstaja več ukazov, ki se izvajajo hkrati v istem cevovodu.
• Metode superskalarnega načrtovanja običajno vključujejo vzporedno preimenovanje registra, vzporedno dekodiranje ukazov, špekulativno izvajanje in izvajanje izven vrstnega reda. Torej se te metode običajno uporabljajo z dopolnilnimi metodami načrtovanja, kot so predpomnjenje, cevovod, predvidevanje razvejanja in večjedrni procesorji v zadnjih modelih mikroprocesorjev.

Superskalarna procesorska arhitektura

Vemo, da je superskalarni procesor CPE, ki izvede več kot eno navodilo za vsak cikel CLK, ker se hitrosti obdelave preprosto merijo v ciklih CLK za vsako sekundo. V primerjavi s skalarnim procesorjem je ta procesor zelo hitrejši.

Arhitektura superskalarnega procesorja vključuje predvsem vzporedne izvedbene enote, kjer lahko te enote izvajajo navodila hkrati. Najprej je bila ta vzporedna arhitektura implementirana znotraj procesorja RISC, ki uporablja preprosta in kratka navodila za izvajanje izračunov. Torej zaradi njihovih superskalarnih sposobnosti, običajno TVEGANJE procesorji delujejo bolje v primerjavi s procesorji CISC, ki delujejo pri enakih megahercih. Ampak večina CISC procesorji, kot je Intel Pentium, vključujejo tudi nekaj arhitekture RISC, ki jim omogoča vzporedno izvajanje ukazov.

Superskalarni procesor je opremljen z več procesnimi enotami za vzporedno obdelavo različnih navodil v vsaki fazi obdelave. Z uporabo zgornje arhitekture se številna navodila začnejo izvajati znotraj podobnega takta. Ti procesorji so zmožni pridobiti izhodne podatke o izvedbi enega zgornjega ukaza za vsak cikel.

V zgornjem diagramu arhitekture se procesor uporablja z dvema izvršilnima enotama, pri čemer se ena uporablja za celo število, druga pa za operacije s plavajočo vejico. Enota za pridobivanje navodil (IFU) je sposobna branja navodil hkrati in jih shrani v čakalno vrsto navodil. V vsakem ciklu dispečerska enota pridobi in dekodira do 2 navodili s sprednje strani čakalne vrste. Če obstaja eno samo celo število, eno samo navodilo s plavajočo vejico in ni nevarnosti, potem sta obe navodili odposlani v podobnem taktu.

Cevovod

Cevovod je postopek razčlenitve nalog na pod-korake in njihovega izvajanja znotraj različnih delov procesorja. V naslednjem superskalarnem cevovodu je mogoče pridobiti in odposlati dve navodili naenkrat za dokončanje največ 2 navodil na cikel. Cevovodna arhitektura v skalarnem procesorju in superskalarnem procesorju je prikazana spodaj.

Navodila v superskalarnem procesorju so izdana iz zaporednega toka ukazov. Omogočati mora več navodil za vsak takt, CPE pa mora dinamično preverjati podatkovne odvisnosti med navodili.

V spodnji arhitekturi cevovoda se F pridobi, D dekodira, E izvede in W je povratni zapis v register. V tej arhitekturi cevovoda so I1, I2, I3 in I4 navodila.

Arhitektura cevovoda skalarnega procesorja vključuje en sam cevovod in štiri stopnje pridobivanja, dekodiranja, izvajanja in zapisovanja rezultatov. V skalarnem procesorju z enim cevovodom cevovod v navodilu1 (I1) deluje kot; v prvem taktu bo I1 pridobil, v drugem taktu bo dekodiral in v drugem ukazu bo pridobil I2. Tretje navodilo I3 v tretjem časovnem obdobju bo pridobilo, I2 bo dekodiral in I1 bo izvedel. V četrtem časovnem obdobju bo I4 pridobil, I3 bo dekodiral, I2 bo izvedel in I1 bo pisal v pomnilnik. Torej bo v sedmih časovnih obdobjih izvedel 4 navodila v enem cevovodu.

Arhitektura cevovoda superskalarnega procesorja vključuje dva cevovoda in štiri stopnje pridobivanja, dekodiranja, izvajanja in zapisovanja rezultatov. To je superskalarni procesor z dvema izdajama, kar pomeni, da bosta dve navodili hkrati pridobili, dekodirali, izvršili in povzročili povratni zapis. Dve navodili I1 in I2 bosta naenkrat pridobili, dekodirali, izvršili in zapisali nazaj v vsakem taktu. Hkrati v naslednjem časovnem obdobju bosta preostali dve navodili I3 in I4 naenkrat pridobili, dekodirali, izvršili in zapisali nazaj. Torej bo v petih časovnih obdobjih izvedel 4 navodila v enem cevovodu.

Tako skalarni procesor izda eno navodilo na urni cikel in izvede eno stopnjo cevovoda na urni cikel, medtem ko superskalarni procesor izda dve navodili na urni cikel in izvede dva primerka vsake stopnje vzporedno. Torej izvajanje navodil v skalarnem procesorju traja več časa, medtem ko v superskalarnem procesorju traja manj časa za izvajanje navodil. .

Vrste superskalarnih procesorjev

To so različne vrste superskalarnih procesorjev, ki so na voljo na trgu in so obravnavani spodaj.

Intel Core i7 procesor

Intel core i7 je superskalarni procesor, ki temelji na mikroarhitekturi Nehalem. V zasnovi Core i7 so različna procesorska jedra, pri čemer je vsako procesorsko jedro superskalarni procesor. To je najhitrejša različica procesorja Intel, ki se uporablja v potrošniških računalnikih in napravah. Podobno kot Intel Corei5 je tudi ta procesor vgrajen v tehnologijo Intel Turbo Boost. Ta procesor je na voljo v 2 do 6 različicah, ki podpirajo do 12 različnih niti hkrati.

Procesor Intel Pentium

Superskalarna cevovodna arhitektura procesorja Intel Pentium pomeni, da CPE izvede najmanj dva ali več ukazov za vsak cikel. Ta procesor se pogosto uporablja v osebnih računalnikih. Procesorske naprave Intel Pentium so običajno izdelane za spletno uporabo, računalništvo v oblaku in sodelovanje. Tako ta procesor popolnoma deluje za tablične računalnike in Chromebooke ter zagotavlja visoko lokalno zmogljivost in učinkovito spletno interakcijo.

IBM Power PC601

Superskalarni procesor, kot je IBM power PC601, je iz družine PowerPC mikroprocesorjev RISC. Ta procesor je sposoben izdati in umakniti tri navodila za vsako uro in eno za vsako od 3 izvršilnih enot. Navodila so popolnoma neustrezna za izboljšano delovanje; vendar bo PC601 poskrbel, da bo izvedba potekala v redu.

Zmogljivi procesor PC601 zagotavlja 32-bitne logične naslove, 8-, 16- in 32-bitne vrste celih podatkov ter 32- in 64-bitne vrste podatkov s plavajočo vejico. Za izvedbo 64-bitnega PowerPC-ja arhitektura tega procesorja zagotavlja 64-bitne tipe celih podatkov, naslavljanje in druge funkcije, potrebne za dokončanje 64-bitne arhitekture.

MC 88110

MC 88110 je mikroprocesor RISC druge generacije z enim čipom, ki uporablja napredne metode za izkoriščanje paralelizma na ravni navodil. Ta procesor uporablja več predpomnilnikov na čipu, težave s superskalarnimi navodili, snemanje omejenih dinamičnih navodil in špekulativno izvajanje za doseganje največje zmogljivosti, zato se idealno uporablja kot osrednji procesor v nizkocenovnih osebnih računalnikih in delovnih postajah.

Intel i960

Intel i960 je superskalarni procesor, ki je sposoben izvajati in pošiljati različna neodvisna navodila med vsakim taktom procesorja. To je mikroprocesor na osnovi RISC, ki je postal zelo znan kot vgrajeni mikrokrmilnik v zgodnjih devetdesetih letih. Ta procesor se stalno uporablja v nekaj vojaških aplikacijah.

MIPS R

MIPS R je dinamičen in superskalarni mikroprocesor, ki se uporablja za izvajanje 64-bitne arhitekture nabora ukazov MIPS 4. Ta procesor pridobi in dekodira 4 navodila za vsak cikel in jih izda petim popolnoma cevovodnim izvršilnim enotam z nizko zakasnitvijo. Ta procesor je posebej zasnovan za visoko zmogljive, velike in realne aplikacije s slabo lokalnostjo pomnilnika. S približno izvedbo preprosto izračuna pomnilniške naslove. Procesorji MIPS se večinoma uporabljajo v različnih napravah, kot so Nintendo Gamecube, linija izdelkov SGI, Sony Playstation 2, usmerjevalniki PSP in Cisco.

Razlika Č/B Superskalar proti cevovodu

Razlika med superskalarno in cevovodno obdelavo je obravnavana spodaj.

Značilnosti

The značilnosti superskalarnega procesorja vključujejo naslednje.

• Superskalarni procesor je super cevovodni model, pri katerem se samo neodvisna navodila izvajajo zaporedno brez čakanja.
• Superskalarni procesor pridobi in dekodira več navodil dohodnega toka navodil hkrati.
• Arhitektura superskalarnih procesorjev izkorišča potencial paralelizma na ravni ukazov.
• Superskalarni procesorji večinoma izdajo zgornje eno navodilo za vsak cikel.
• Št. izdanih navodil je v glavnem odvisno od navodil znotraj toka navodil.
• Navodila se pogosto preurejajo, da se bolje prilegajo arhitekturi procesorja.
• Superskalarna metoda je običajno povezana z nekaterimi identifikacijskimi značilnostmi. Navodila se običajno izdajo iz zaporednega toka navodil.
• CPE dinamično preverja odvisnosti podatkov med navodili med izvajanjem.
• CPU izvede več navodil za vsak takt.

Prednosti in slabosti

The prednosti superskalarnega procesorja vključujejo naslednje.

• Superskalarni procesor izvaja paralelizem na ravni ukazov v enem samem procesorju.
• Ti procesorji so preprosto narejeni za izvajanje katerega koli niza ukazov.
• Superskalarni procesor, vključno s predvidevanjem veje izvajanja zunaj vrstnega reda in špekulativnim izvajanjem, lahko preprosto najde vzporednost nad več osnovnimi bloki in ponovitvami zanke.

The slabosti superskalarnega procesorja vključujejo naslednje.

• Superskalarni procesorji se zaradi porabe energije ne uporabljajo veliko v majhnih vgrajenih sistemih.
• Težava z razporejanjem se lahko zgodi v tej arhitekturi.
• Superskalarni procesor poveča stopnjo kompleksnosti pri načrtovanju strojne opreme.
• Navodila v tem procesorju so preprosto pridobljena glede na njihov zaporedni programski vrstni red, vendar to ni najboljši izvršilni vrstni red.

Aplikacije superskalarnega procesorja

Aplikacije superskalarnega procesorja vključujejo naslednje.

• Superskalarno izvedbo pogosto uporabljajo prenosni ali namizni računalniki. Ta procesor preprosto skenira program med izvajanjem, da odkrije nize navodil, ki jih je mogoče izvesti kot eno.
• Superskalarni procesor vključuje različne kopije strojne opreme podatkovne poti, ki hkrati izvajajo različna navodila.
• Ta procesor je v glavnem zasnovan za ustvarjanje hitrosti izvedbe nad eno instrukcijo za vsak takt za en sam zaporedni program.

Torej gre za vse pregled superskalarnega procesorja – arhitektura, tipi in aplikacije. Tukaj je vprašanje za vas, kaj je skalarni procesor?