Szuperskaláris processzor: architektúra, csővezetékek, típusok és alkalmazásai

Ebben a világban mindenki gyorsan akarja elvégezni a dolgait/munkáit. nem igaz? Az autóktól az ipari gépeken át a háztartási gépekig mindenki azt szeretné, ha gyorsabban dolgoznának. Tudja, hogy mi rejlik ezekben a gépekben, amelyek működésre késztetik őket? Ők processzorok . Funkciótól függően lehetnek mikro- vagy makroprocesszorok. Az alapprocesszor általában egy utasítást hajt végre órajelenként. Annak érdekében, hogy javítsák a feldolgozási sebességüket, hogy a gépek javíthassák sebességüket, létrejött a szuperskaláris processzor amelynek van egy csővezetékes algoritmusa, amely lehetővé teszi, hogy órajelenként két utasítást hajtson végre. Először Seymour Cray 1964-ben feltalált CDC 6600-a találta fel, majd Tjaden & Flynn fejlesztette tovább 1970-ben.

Az első kereskedelmi forgalomban kapható egylapkás szuperskalár mikroprocesszort, az MC88100-at a Motorola fejlesztette ki 1988-ban, később az Intel bemutatta az I960CA verzióját 1989-ben, az AMD 29000-es sorozatú 29050-es verzióját pedig 1990-ben.  Jelenleg az Intel Core i-től függően a tipikus szuperskaláris processzort használják. a Nehalem mikroarchitektúra.

Annak ellenére, hogy a szuperskalár megvalósítása egyre bonyolultabbá válik. Ezeknek a processzoroknak a kialakítása általában olyan módszerek halmazára vonatkozik, amelyek lehetővé teszik a számítógép CPU-ja számára, hogy minden ciklusban egy utasítás feletti teljesítményt érjen el, miközben egyetlen szekvenciális programot hajt végre. Nézzük tovább ebben a cikkben a SuperScalarprocesszor architektúrát, amely csökkenti a végrehajtási idejét és az alkalmazásait.

Mi az a Superscalar processzor?

Olyan típusú mikroprocesszor, amelyet az utasításszintű párhuzamosságnak nevezett párhuzamosság megvalósítására használnak egyetlen processzorban, hogy egynél több utasítást hajtsanak végre a CLK-ciklus során úgy, hogy különböző utasításokat küldenek egyidejűleg a processzor speciális végrehajtási egységeihez. A skalár processzor egyetlen utasítást hajt végre minden óraciklushoz; egy szuperskaláris processzor egynél több utasítást tud végrehajtani egy órajel alatt.

A szuperskaláris tervezési technikák általában párhuzamos regiszter átnevezést, párhuzamos utasítás-dekódolást, rendhagyó végrehajtásokat és spekulatív végrehajtást tartalmaznak. Tehát ezeket a módszereket általában olyan kiegészítő tervezési módszerekkel használják, mint a csővezetékek, az elágazások előrejelzése, a gyorsítótár és a többmagos mikroprocesszorok jelenlegi kialakítása.

Jellemzők

A szuperskaláris processzorok jellemzői a következők.

• A szuperskaláris architektúra egy párhuzamos számítási technika, amelyet különféle processzorokban használnak.
• Egy szuperskaláris számítógépben a CPU több utasításfolyamot kezel, hogy egy órajel ciklusa alatt számos utasítást hajtson végre egyszerre.
• A szuperskaláris architektúrák az összeset tartalmazzák csővezetékezés funkciókat, bár több utasítás fut egyszerre ugyanazon a folyamaton belül.
• A szuperskaláris tervezési módszerek általában párhuzamos regiszter-átnevezést, párhuzamos utasítás-dekódolást, spekulatív végrehajtást és renden kívüli végrehajtást tartalmaznak. Tehát ezeket a módszereket általában olyan kiegészítő tervezési módszerekkel használják, mint a gyorsítótár, a csővezeték, az elágazás előrejelzés és a többmagos legújabb mikroprocesszor-tervek.

Szuperskaláris processzor architektúra

Tudjuk, hogy a szuperskaláris processzor egy olyan CPU, amely minden CLK ciklusban egy utasítás feletti mennyiséget hajt végre, mivel a feldolgozási sebességet egyszerűen CLK ciklusokban mérik minden másodpercben. A skalár processzorhoz képest ez a processzor nagyon gyorsabb.

A szuperskaláris processzorarchitektúra főleg párhuzamos végrehajtási egységeket tartalmaz, ahol ezek az egységek egyidejűleg képesek végrehajtani az utasításokat. Tehát először ezt a párhuzamos architektúrát egy RISC processzoron belül valósították meg, amely egyszerű és rövid utasításokat használ a számítások végrehajtásához. Tehát a szuperskaláris képességeik miatt rendesen KOCKÁZAT A processzorok jobban teljesítettek, mint a CISC processzorok, amelyek ugyanazon a megahertzen futnak. De a legtöbb CISC az Intel Pentiumhoz hasonló processzorok RISC architektúrát is tartalmaznak, amely lehetővé teszi számukra az utasítások párhuzamos végrehajtását.

A szuperskaláris processzor több feldolgozó egységgel van felszerelve, amelyek minden feldolgozási szakaszban párhuzamosan kezelik a különböző utasításokat. A fenti architektúra használatával számos utasítás végrehajtását kezdi meg egy hasonló órajel cikluson belül. Ezek a processzorok ciklusonként egy utasítás végrehajtási kimenetet képesek megszerezni a fenti egy utasításból.

A fenti architektúra diagramon egy processzort két végrehajtási egységgel használunk, ahol az egyiket egész számra, a másikat pedig a lebegőpontos műveletekre használjuk. Az utasításlekérő egység (IFU) képes az utasítások egyidejű olvasására, és tárolja azokat az utasítássorban. Minden ciklusban a küldő egység legfeljebb 2 utasítást kér le és dekódol a sor frontjáról. Ha egyetlen egész szám van, egyetlen lebegőpontos utasítás és nincs veszély, akkor mindkét utasítás egy hasonló óracikluson belül kerül kiküldésre.

Csővezetékezés

A folyamatkezelés a feladatok részlépésekre bontása és végrehajtása a processzor különböző részein belül. A következő szuperskaláris folyamatban egyszerre két utasítást lehet lekérni és elküldeni ciklusonként legfeljebb 2 utasítás teljesítéséhez. A skaláris processzor és a szuperskaláris processzor csővezeték-architektúrája alább látható.

A szuperskaláris processzor utasításai szekvenciális utasításfolyamból kerülnek kiadásra. Több utasítást kell engedélyeznie minden órajelhez, és a CPU-nak dinamikusan kell ellenőriznie az utasítások közötti adatfüggőséget.

Az alábbi csővezeték architektúrában az F lekérésre, a D dekódolására, az E végrehajtásra és a W regiszter visszaírására kerül sor. Ebben a csővezeték architektúrában az I1, I2, I3 és I4 utasítások.

A skaláris processzor-folyamatarchitektúra egyetlen folyamatot és négy szakaszból álló lekérést, dekódolást, végrehajtást és az eredmények visszaírását tartalmaz. Az egyvezetékes skaláris processzorban az 1 (I1) utasításban szereplő pipeline a következőképpen működik: az első I1 órajel periódusban lekéri, a második órajel periódusban dekódolja és a második utasításban az I2 lekéri. A harmadik órajel periódusban lévő harmadik I3 utasítás lekérésre kerül, I2 dekódolja és I1 végrehajtja. A negyedik óraperiódusban az I4 lekéri, az I3 dekódolja, az I2 végrehajtja és az I1 a memóriába ír. Tehát hét óraperiódus alatt 4 utasítást hajt végre egyetlen folyamatban.

A szuperskaláris processzorfolyamat-architektúra két folyamatból és négy szakaszból áll: lekérése, dekódolása, végrehajtása és az eredmények visszaírása. Ez egy 2-kiadású szuperskalár processzor, ami azt jelenti, hogy egyszerre két utasítás fog lekérni, dekódolni, végrehajtani és az eredményeket visszaírni. A két I1 és I2 utasítás egy időben lekéri, dekódolja, végrehajtja és visszaírja minden óraperiódusban. Egyidejűleg a következő óraperiódusban a fennmaradó két I3 és I4 utasítás egyszerre lekéri, dekódolja, végrehajtja és visszaírja. Tehát öt óraperiódus alatt 4 utasítást hajt végre egyetlen folyamatban.

Így a skaláris processzor egyetlen utasítást ad ki órajelenként, és egyetlen folyamatszakaszt hajt végre órajelenként, míg a szuperskaláris processzor órajelenként két utasítást ad ki, és mindegyik szakaszból két példányt hajt végre párhuzamosan. Tehát az utasítások végrehajtása skalár processzorban több időt vesz igénybe, míg szuperskalárban kevesebb időt vesz igénybe az utasítások végrehajtása .

A szuperskalár processzorok típusai

Ezek a piacon elérhető különböző típusú szuperskalár processzorok, amelyeket alább tárgyalunk.

Intel Core i7 processzor

Az Intel core i7 egy szuperskaláris processzor, amely a Nehalem mikroarchitektúrán alapul. A Core i7 kialakításban különféle processzormagok vannak, ahol minden processzormag szuperskaláris processzor. Ez a fogyasztói számítógépekben és eszközökben használt Intel processzor leggyorsabb verziója. Az Intel Corei5-höz hasonlóan ez a processzor az Intel Turbo Boost technológiába van beágyazva. Ez a processzor 2-6 változatban érhető el, amelyek akár 12 különböző szálat támogatnak egyszerre.

Intel Pentium processzor

Az Intel Pentium processzor szuperskaláris csővezetékes architektúrája azt jelenti, hogy a CPU legalább kettő vagy több utasítást hajt végre minden ciklusban. Ezt a processzort széles körben használják személyi számítógépekben. Az Intel Pentium processzoros eszközöket általában online használatra, felhőalapú számítástechnikára és együttműködésre építik. Így ez a processzor tökéletesen működik táblagépeken és Chromebookokon, hogy erős helyi teljesítményt és hatékony online interakciót biztosítson.

IBM Power PC601

A szuperskaláris processzor, mint például az IBM power PC601, a RISC mikroprocesszorok PowerPC családjából származik. Ez a processzor képes kiadni és visszavonni három utasítást minden órajelhez, és egyet mind a 3 végrehajtási egységhez. A jobb teljesítmény érdekében az utasítások teljesen elromlottak; de a PC601 a végrehajtást rendesen meg fogja jeleníteni.

A Power PC601 processzor 32 bites logikai címeket, 8, 16 és 32 bites egész adattípusokat és 32 és 64 bites lebegőpontos adattípusokat biztosít. A 64 bites PowerPC megvalósításához ennek a processzornak az architektúrája 64 bites alapú egész adattípusokat, címzést és egyéb funkciókat biztosít a 64 bites alapú architektúra teljessé tételéhez.

MC 88110

Az MC 88110 egylapkás, második generációs RISC mikroprocesszor, amely fejlett módszereket használ az utasításszintű párhuzamosság kihasználására. Ez a processzor több chipen található gyorsítótárat, szuperskaláris utasításokat, korlátozott dinamikus utasítások rögzítését és spekulatív végrehajtását használja a maximális teljesítmény elérése érdekében, így ideálisan használható központi processzorként alacsony költségű PC-ken és munkaállomásokon.

Intel i960

Az Intel i960 egy szuperskaláris processzor, amely képes különböző független utasítások végrehajtására és továbbítására a processzor minden órajelében. Ez egy RISC-alapú mikroprocesszor, amely az 1990-es évek elején beágyazott mikrokontrollerként vált nagyon híressé. Ezt a processzort folyamatosan használják néhány katonai alkalmazásban.

MIPS R

A MIPS R egy dinamikus és szuperskaláris mikroprocesszor, amelyet a 64 bites MIPS 4 utasításkészlet architektúrájának végrehajtására használnak. Ez a processzor minden ciklushoz lekér és dekódol 4 utasítást, és kiadja azokat öt, teljesen folyamatban lévő és alacsony késleltetésű végrehajtási egységnek. Ezt a processzort kifejezetten nagy teljesítményű, nagyméretű és valós alkalmazásokhoz tervezték, gyenge memóriaterülettel. Hozzávetőleges végrehajtással egyszerűen kiszámítja a memóriacímeket. A MIPS processzorokat főként különféle eszközökben használják, mint például a Nintendo Gamecube, az SGI termékcsaládja, a Sony Playstation 2, a PSP és a Cisco útválasztók.

Különbség a fekete-fehér szuperskalár vs

A szuperskaláris és a csővezeték közötti különbséget az alábbiakban tárgyaljuk.

Jellemzők

Az szuperskaláris processzor jellemzői a következőket tartalmazzák.

• A szuperskaláris processzor egy szuper-csővezetékes modell, ahol egyszerűen a független utasításokat sorosan hajtják végre várakozási helyzet nélkül.
• Egy szuperskaláris processzor egyszerre több utasítást is lekér és dekódol a bejövő utasításfolyamból.
• A szuperskaláris processzorok architektúrája kihasználja az utasításszintű párhuzamosságban rejlő lehetőségeket.
• A szuperskalár processzorok főként a fenti egyetlen utasítást adják ki minden ciklusra.
• A nem. A kiadott utasítások nagysága elsősorban az utasításfolyamon belüli utasításoktól függ.
• Az utasításokat gyakran átrendezik, hogy jobban illeszkedjenek a processzor architektúrájához.
• A szuperskaláris módszer általában bizonyos azonosítási jellemzőkkel jár. Az utasításokat általában szekvenciális utasításfolyamból adják ki.
• A CPU dinamikusan ellenőrzi az adatfüggőségeket az utasítások között futás közben.
• A CPU több utasítást hajt végre minden órajelhez.

Előnyök és hátrányok

Az A szuperskalár processzor előnyei a következőket tartalmazzák.

• A szuperskaláris processzor egyetlen processzorban valósítja meg az utasítás szintű párhuzamosságot.
• Ezek a processzorok egyszerűen bármilyen utasításkészlet végrehajtására készültek.
• A renden kívüli végrehajtási ág előrejelzését és spekulatív végrehajtását is magában foglaló szuperskaláris processzor egyszerűen több alapvető blokk és hurokiteráció feletti párhuzamosságot találhat.

Az A szuperskalár processzor hátrányai a következőket tartalmazzák.

• A szuperskalár processzorokat az energiafogyasztás miatt nem nagyon használják kis beágyazott rendszerekben.
• Az ütemezéssel kapcsolatos probléma előfordulhat ebben az architektúrában.
• A szuperskaláris processzor növeli a hardver tervezésének összetettségét.
• Ebben a processzorban az utasításokat a program egyszerűen lekéri a szekvenciális programsorrend alapján, de ez nem a legjobb végrehajtási sorrend.

Szuperskaláris processzoralkalmazások

A szuperskaláris processzorok alkalmazásai a következők.

• A szuperskaláris végrehajtást gyakran használják laptopok vagy asztali számítógépek. Ez a processzor egyszerűen átvizsgálja a program végrehajtását, hogy megtalálja az egyként végrehajtható utasításkészleteket.
• A szuperskaláris processzor különféle adatút-hardvermásolatokat tartalmaz, amelyek egyszerre hajtanak végre különféle utasításokat.
• Ezt a processzort elsősorban arra tervezték, hogy egyetlen szekvenciális program minden órajeléhez egy utasítás feletti végrehajtási sebességet generáljon.

Tehát erről szól az egész a szuperskalár processzor áttekintése – architektúra, típusok és alkalmazások. Itt egy kérdés, hogy mi az a skalár processzor?