Superskalaariprosessori: arkkitehtuuri, putkisto, tyypit ja sen sovellukset

Tässä maailmassa jokainen haluaa saada tavaransa/työnsä tehtyä nopeasti. eikö olekin? Autoista teollisuuskoneisiin ja kotitalouskoneisiin kaikki haluavat niiden toimivan nopeammin. Tiedätkö, mitä näiden koneiden sisällä on, mikä saa ne toimimaan? He ovat prosessorit . Ne voivat olla mikro- tai makroprosessoreja toiminnallisuudesta riippuen. Perusprosessori suorittaa yleensä yhden käskyn kellojaksoa kohden. Tapa parantaa niiden käsittelynopeutta niin, että koneet voivat parantaa nopeuttaan syntyi, on superskalaari prosessori jossa on liukuhihna-algoritmi, jonka avulla se voi suorittaa kaksi käskyä kellojaksoa kohden. Sen keksi ensin Seymour Crayn vuonna 1964 keksitty CDC 6600, ja myöhemmin Tjaden & Flynn paransi sitä vuonna 1970.

Ensimmäisen kaupallisen yksisirun superskalaarimikroprosessorin MC88100 kehitti Motorola vuonna 1988, myöhemmin Intel esitteli versionsa I960CA vuonna 1989 ja AMD 29000-sarjan 29050 vuonna 1990.  Tällä hetkellä tyypillinen superskalaariprosessori on Intel Core i:n prosessista riippuen. Nehalemin mikroarkkitehtuuri.

Vaikka superskalaarin toteutukset ovat menossa kohti monimutkaisuuden lisäämistä. Näiden prosessorien suunnittelu viittaa tavallisesti joukkoon menetelmiä, jotka sallivat tietokoneen CPU:n saavuttaa yli yhden käskyn suorituskyvyn jokaista sykliä kohden suorittaessaan yhtä peräkkäistä ohjelmaa. Katsotaanpa tässä artikkelissa SuperScalarprocessor-arkkitehtuuria, joka vähentää sen suoritusaikaa ja sen sovelluksia.

Mikä on Superscalar-prosessori?

Mikroprosessorityyppi, jota käytetään käskytason rinnakkaisuuden tyypin toteuttamiseen yhdessä prosessorissa useamman kuin yhden käskyn suorittamiseksi CLK-syklin aikana lähettämällä samanaikaisesti erilaisia ​​käskyjä suorittimen erityisille suoritusyksiköille. A skalaariprosessori suorittaa yhden käskyn jokaiselle kellojaksolle; superskalaariprosessori voi suorittaa useamman kuin yhden käskyn kellojakson aikana.

Superskalaarin suunnittelutekniikat sisältävät tavallisesti rinnakkaisen rekisterin uudelleennimeämisen, rinnakkaisten käskyjen dekoodauksen, epäjärjestyksessä suoritukset ja spekulatiivisen suorituksen. Joten näitä menetelmiä käytetään tavallisesti täydentävien suunnittelumenetelmien kanssa, kuten liukuhihna, haaran ennustaminen, välimuisti ja moniytiminen nykyisten mikroprosessorien suunnittelussa.

ominaisuudet

Superskalaariprosessorien ominaisuudet sisältävät seuraavat.

• Superskalaariarkkitehtuuri on rinnakkaislaskentatekniikka, jota käytetään useissa prosessoreissa.
• Superskalaaritietokoneessa CPU hallitsee useita käskyputkia suorittaakseen useita käskyjä samanaikaisesti kellojakson aikana.
• Superskalaariarkkitehtuurit sisältävät kaikki putkistointi ominaisuuksia, vaikka samassa liukuhihnassa on useita käskyjä, jotka suoritetaan samanaikaisesti.
• Superskalaariset suunnittelumenetelmät sisältävät tavallisesti rinnakkaisen rekisterin uudelleennimeämisen, rinnakkaisten käskyjen dekoodauksen, spekulatiivisen suorituksen ja epäjärjestyksessä suorituksen. Joten näitä menetelmiä käytetään tavallisesti täydentävien suunnittelumenetelmien kanssa, kuten välimuisti, liukuhihna, haaran ennustaminen ja moniytiminen viimeaikaisissa mikroprosessorimalleissa.

Superskalaariprosessoriarkkitehtuuri

Tiedämme, että superskalaariprosessori on suoritin, joka suorittaa yli yhden käskyn jokaisessa CLK-jaksossa, koska prosessointinopeudet mitataan yksinkertaisesti CLK-sykleinä jokaista sekuntia kohden. Verrattuna skalaariprosessoriin tämä prosessori on erittäin nopeampi.

Superskalaariprosessoriarkkitehtuuri sisältää pääasiassa rinnakkaissuoritusyksiköitä, joissa nämä yksiköt voivat toteuttaa käskyjä samanaikaisesti. Joten ensin tämä rinnakkaisarkkitehtuuri toteutettiin RISC-prosessorissa, joka käyttää yksinkertaisia ​​ja lyhyitä ohjeita laskelmien suorittamiseen. Joten heidän superskalaarikykynsä vuoksi, normaalisti RISKI prosessorit ovat toimineet paremmin verrattuna CISC-prosessoreihin, jotka toimivat samalla megahertseillä. Mutta useimmat CISC Prosessorit, kuten Intel Pentium, sisältävät nyt myös jonkin verran RISC-arkkitehtuuria, jonka avulla ne voivat suorittaa käskyjä rinnakkain.

Superskalaariprosessori on varustettu useilla prosessoriyksiköillä, jotka käsittelevät erilaisia ​​käskyjä rinnakkain jokaisessa käsittelyvaiheessa. Yllä olevaa arkkitehtuuria käyttämällä useat käskyt aloittavat suorittamisen samanlaisen kellojakson sisällä. Nämä prosessorit pystyvät saamaan edellä mainitun yhden käskyn käskyn suoritustulosteen jokaista sykliä kohden.

Yllä olevassa arkkitehtuurikaaviossa prosessoria käytetään kahdella suoritusyksiköllä, joista toista käytetään kokonaisluvuille ja toista käytetään liukulukuoperaatioille. Käskynhakuyksikkö (IFU) pystyy lukemaan käskyjä kerrallaan ja tallentaa ne käskyjonoon. Jokaisessa jaksossa lähetysyksikkö hakee ja purkaa jopa 2 käskyä jonosta. Jos on yksi kokonaisluku, yksi liukulukukäsky ja ei vaaroja, molemmat käskyt lähetetään samanlaisen kellojakson aikana.

Putkilinjaus

Liukuinti on prosessi, jossa tehtävät jaetaan osavaiheisiin ja suoritetaan ne prosessorin eri osissa. Seuraavassa superskalaariputkessa voidaan hakea ja lähettää kaksi käskyä kerrallaan enintään 2 käskyn suorittamiseksi sykliä kohden. Liukuhihna-arkkitehtuuri skalaariprosessorissa ja superskalaariprosessorissa on esitetty alla.

Superskalaariprosessorin ohjeet annetaan peräkkäisestä käskyvirrasta. Sen on sallittava useita käskyjä jokaiselle kellojaksolle ja suorittimen on tarkistettava dynaamisesti käskyjen väliset datariippuvuudet.

Alla olevassa liukuhihnaarkkitehtuurissa F haetaan, D dekoodataan, E suoritetaan ja W on rekisterin takaisinkirjoitus. Tässä liukuhihnaarkkitehtuurissa I1, I2, I3 ja I4 ovat ohjeita.

Skalaariprosessorin liukuhihnaarkkitehtuuri sisältää yhden liukuhihnan ja neljä vaihetta noutaa, purkaa, suorittaa ja tulostaa takaisin. Yhden liukuhihnan skalaariprosessorissa käskyn1 (I1) liukuhihna toimii; ensimmäisessä kellojaksossa I1 se hakee, toisessa kellojaksossa se dekoodaa ja toisessa käskyssä I2 hakee. Kolmannen kellojakson kolmas käsky I3 hakee, I2 purkaa ja I1 suorittaa. Neljännellä kellojaksolla I4 hakee, I3 purkaa, I2 suorittaa ja I1 kirjoittaa muistiin. Joten seitsemässä kellojaksossa se suorittaa 4 käskyä yhdessä liukuhihnassa.

Superskalaariprosessorin liukuhihnaarkkitehtuuri sisältää kaksi liukuhihnaa ja neljä vaihetta noutaa, dekoodata, suorittaa ja tulostaa takaisin. Se on 2-numeroinen superskalaariprosessori, mikä tarkoittaa, että kerralla kaksi käskyä hakee, purkaa, suorittaa ja tulostaa takaisin. Kaksi käskyä I1 ja I2 hakevat, dekoodaavat, suorittavat ja kirjoittavat takaisin jokaisella kellojaksolla kerrallaan. Samanaikaisesti seuraavassa kellojaksossa loput kaksi käskyä I3 ja I4 hakevat, dekoodaavat, suorittavat ja kirjoittavat takaisin kerrallaan. Joten viiden kellojakson aikana se suorittaa 4 käskyä yhdessä liukuhihnassa.

Siten skalaariprosessori antaa yhden käskyn kellojaksoa kohden ja suorittaa yhden liukuhihnavaiheen kellojaksoa kohden, kun taas superskalaariprosessori antaa kaksi käskyä kellojaksoa kohden ja suorittaa kunkin vaiheen kaksi esiintymää rinnakkain. Joten komentojen suorittaminen skalaariprosessorissa vie enemmän aikaa, kun taas superskalaarissa käskyjen suorittaminen vie vähemmän aikaa .

Superskalaariprosessorien tyypit

Nämä ovat markkinoilla saatavilla olevia erityyppisiä superskalaariprosessoreja, joita käsitellään alla.

Intel Core i7 prosessori

Intel core i7 on superskalaariprosessori, joka perustuu Nehalem-mikroarkkitehtuuriin. Core i7 -mallissa on useita prosessoriytimiä, joissa jokainen prosessorin ydin on superskalaariprosessori. Tämä on nopein versio kuluttajatietokoneissa ja laitteissa käytetystä Intel-prosessorista. Intel Corei5:n tapaan tämä prosessori on sulautettu Intel Turbo Boost -teknologiaan. Tämä prosessori on käytettävissä 2–6 eri versiossa, jotka tukevat jopa 12 eri säiettä kerralla.

Intel Pentium -prosessori

Intel Pentium -prosessorin superskalaarinen liukuhihnaarkkitehtuuri tarkoittaa, että suoritin suorittaa vähintään kaksi käskyä jokaista jaksoa kohden. Tätä prosessoria käytetään laajalti henkilökohtaisissa tietokoneissa. Intel Pentium -prosessorilaitteet on yleensä rakennettu verkkokäyttöön, pilvipalveluihin ja yhteistyöhön. Tämä prosessori toimii siis täydellisesti tableteissa ja Chromebookeissa ja tarjoaa vahvan paikallisen suorituskyvyn ja tehokkaan verkkovuorovaikutuksen.

IBM Power PC601

Superskalaariprosessori, kuten IBM power PC601, on RISC-mikroprosessorien PowerPC-perheestä. Tämä prosessori pystyy antamaan ja poistamaan kolme käskyä kullekin kellolle ja yhden kullekin kolmelle suoritusyksikölle. Ohjeet ovat täysin epäkunnossa suorituskyvyn parantamiseksi; mutta PC601 saa suorituksen esiin järjestyksessä.

Power PC601 -prosessori tarjoaa 32-bittiset loogiset osoitteet, 8-, 16- ja 32-bittiset kokonaislukutietotyypit sekä 32- ja 64-bittiset liukulukutietotyypit. 64-bittisen PowerPC:n toteuttamista varten tämän prosessorin arkkitehtuuri tarjoaa 64-bittisiin kokonaislukutietotyyppejä, osoitteita ja muita ominaisuuksia, jotka ovat tarpeen 64-bittisen arkkitehtuurin täydentämiseksi.

MC 88110

MC 88110 on yksisiruinen, toisen sukupolven RISC-mikroprosessori, joka käyttää edistyneitä menetelmiä käskytason rinnakkaisuuden hyödyntämiseen. Tämä prosessori käyttää useita sirulla olevia välimuistia, superskalaarisia käskyongelmia, rajoitettujen dynaamisten käskyjen tallennusta ja spekulatiivista suoritusta maksimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi, joten sitä käytetään ihanteellisesti keskusprosessorina edullisissa tietokoneissa ja työasemissa.

Intel i960

Intel i960 on superskalaariprosessori, joka pystyy suorittamaan ja lähettämään erilaisia ​​itsenäisiä käskyjä prosessorin jokaisen kellojakson aikana. Tämä on RISC-pohjainen mikroprosessori, joka tuli erittäin kuuluisaksi sulautetuksi mikro-ohjaimeksi 1990-luvun alussa. Tätä prosessoria käytetään jatkuvasti muutamissa sotilaallisissa sovelluksissa.

MIPS R

MIPS R on dynaaminen ja superskalaarinen mikroprosessori, jota käytetään 64-bittisen MIPS 4-käskysarjan arkkitehtuurin suorittamiseen. Tämä prosessori hakee ja purkaa 4 käskyä jokaista sykliä kohden ja lähettää ne viidelle täysin liukuhihnalle ja matalan latenssin suoritusyksikölle. Tämä prosessori on suunniteltu erityisesti korkean suorituskyvyn suuriin ja todellisiin sovelluksiin, joissa on huono muistipaikka. Likimääräisellä suorituksella se yksinkertaisesti laskee muistiosoitteet. MIPS-prosessoreja käytetään pääasiassa erilaisissa laitteissa, kuten Nintendo Gamecube, SGI:n tuotelinja, Sony Playstation 2, PSP- ja Cisco-reitittimet.

Ero B/W Superscalar vs Pipelining

Superskalaarin ja liukuhihnan välistä eroa käsitellään alla.

Ominaisuudet

The superskalaariprosessorin ominaisuudet Sisällytä seuraavat.

• Superskalaariprosessori on super-putkimalli, jossa yksinkertaisesti itsenäiset käskyt suoritetaan sarjassa ilman odotustilannetta.
• Superskalaariprosessori hakee ja dekoodaa kerralla useita saapuvan käskyvirran ohjeita.
• Superskalaariprosessorien arkkitehtuuri hyödyntää käskytason rinnakkaisuuden mahdollisuuksia.
• Superskalaariprosessorit antavat pääosin yllä olevan yhden ohjeen jokaiselle jaksolle.
• No. annettujen ohjeiden määrä riippuu pääasiassa ohjevirran ohjeista.
• Ohjeet järjestetään usein uudelleen sopimaan paremmin prosessorin arkkitehtuuriin.
• Superskalaarimenetelmään liittyy yleensä joitain tunnistusominaisuuksia. Ohjeet annetaan tavallisesti peräkkäisestä käskyvirrasta.
• CPU tarkistaa dynaamisesti datariippuvuudet käskyjen välillä ajon aikana.
• CPU suorittaa useita käskyjä jokaiselle kellojaksolle.

Hyödyt ja haitat

The superskalaariprosessorin edut Sisällytä seuraavat.

• Superskalaariprosessori toteuttaa käskytason rinnakkaisuuden yhdessä prosessorissa.
• Nämä prosessorit on yksinkertaisesti tehty suorittamaan mitä tahansa käskysarjaa.
• Superskalaariprosessori, joka sisältää epäjärjestyksessä suorituksen haaran ennustamisen ja spekulatiivisen suorituksen, voi yksinkertaisesti löytää rinnakkaisuuden useiden peruslohkojen ja silmukkaiteraatioiden yläpuolelta.

The superskalaariprosessorin haitat Sisällytä seuraavat.

• Superscalar-prosessoreita ei käytetä paljon pienissä sulautetuissa järjestelmissä virrankulutuksen vuoksi.
• Ajoitusongelma voi tapahtua tässä arkkitehtuurissa.
• Superscalar-prosessori lisää monimutkaisuutta laitteiston suunnittelussa.
• Tämän prosessorin ohjeet haetaan yksinkertaisesti niiden peräkkäisen ohjelmajärjestyksen perusteella, mutta tämä ei ole paras suoritusjärjestys.

Superskalaariprosessorisovellukset

Superskalaariprosessorin sovelluksia ovat seuraavat.

• Superskalaarisuoritusta käytetään usein kannettavassa tietokoneessa tai pöytäkoneessa. Tämä prosessori yksinkertaisesti skannaa suoritettavaa ohjelmaa löytääkseen käskyjoukot, jotka voidaan suorittaa yhtenä.
• Superskalaariprosessori sisältää erilaisia ​​tietopolun laitteistokopioita, jotka suorittavat useita käskyjä kerralla.
• Tämä prosessori on pääasiassa suunniteltu generoimaan yli yhden käskyn toteutusnopeus kullekin kellojaksolle yksittäiselle peräkkäiselle ohjelmalle.

Tästä siis kaikesta on kyse yleiskatsaus superskalaariprosessoriin – arkkitehtuuri, tyypit ja sovellukset. Tässä on kysymys sinulle, mikä on skalaariprosessori?