Superskalární procesor: Architektura, potrubí, typy a jeho aplikace

V tomto světě chce každý rychle dokončit své věci/práci. není to tak? Od automobilů přes průmyslové stroje až po domácí stroje každý chce, aby pracovaly rychleji. Víte, co je uvnitř těchto strojů, díky nimž fungují? Oni jsou procesory . Mohou to být mikro nebo makro procesory v závislosti na funkčnosti. Základní procesor obecně vykonává jednu instrukci za hodinový cyklus. Způsobem, jak zlepšit jejich rychlost zpracování, aby stroje mohly zlepšit svou rychlost, je, že superskalární procesor který má zřetězený algoritmus, který mu umožňuje provádět dvě instrukce za cyklus hodin. Poprvé jej vynalezl Seymour Cray CDC 6600 vynalezený v roce 1964 a později byl vylepšen Tjaden & Flynn v roce 1970.

První komerční jednočipový superskalární mikroprocesor MC88100 byl vyvinut společností Motorola v roce 1988, později Intel představil svou verzi I960CA v roce 1989 a AMD 29000-series 29050 v roce 1990.  V současné době je typickým používaným superskalárním procesorem procesor Intel Core i7 mikroarchitektura Nehalem.

I když implementace superskalaru směřují ke zvýšení složitosti. Návrh těchto procesorů se normálně týká sady metod, které umožňují CPU počítače dosáhnout propustnosti výše jedné instrukce pro každý cyklus při provádění jediného sekvenčního programu. Podívejme se dále v tomto článku na architekturu SuperScalarprocessor, která zkracuje dobu provádění a snižuje její aplikace.

Co je to superskalární procesor?

Typ mikroprocesoru, který se používá k implementaci typu paralelismu známého jako paralelismus na úrovni instrukcí v jediném procesoru k provádění více než jedné instrukce během cyklu CLK tím, že se současně různé instrukce odesílá speciálním prováděcím jednotkám na procesoru. A skalární procesor provede jednu instrukci pro každý cyklus hodin; superskalární procesor může během hodinového cyklu provést více než jednu instrukci.

Techniky návrhu superskalaru normálně zahrnují přejmenování paralelních registrů, dekódování paralelních instrukcí, provádění mimo pořadí a spekulativní provádění. Tyto metody se tedy běžně používají s doplňujícími metodami návrhu, jako je zřetězení, predikce větví, ukládání do mezipaměti a vícejádrové v rámci současných návrhů mikroprocesorů.

Funkce

Mezi vlastnosti superskalárních procesorů patří následující.

• Superskalární architektura je paralelní výpočetní technika využívaná v různých procesorech.
• V superskalárním počítači CPU spravuje několik instrukčních kanálů, aby provedlo četné instrukce současně během cyklu hodin.
• Superskalární architektury zahrnují všechny potrubí funkce, i když existuje několik instrukcí prováděných současně ve stejném kanálu.
• Metody superskalárního návrhu obvykle zahrnují paralelní přejmenování registrů, paralelní dekódování instrukcí, spekulativní provádění a provádění mimo pořadí. Tyto metody se tedy běžně používají s doplňujícími metodami návrhu, jako je ukládání do mezipaměti, zřetězení, predikce větví a vícejádrové v nedávných návrzích mikroprocesorů.

Architektura superskalárního procesoru

Víme, že superskalární procesor je CPU, které provádí nad jednu instrukci pro každý cyklus CLK, protože rychlosti zpracování se jednoduše měří v cyklech CLK za každou sekundu. Ve srovnání se skalárním procesorem je tento procesor velmi rychlejší.

Architektura superskalárního procesoru zahrnuje především paralelní prováděcí jednotky, kde tyto jednotky mohou implementovat instrukce současně. Nejprve byla tato paralelní architektura implementována v procesoru RISC, který využívá jednoduché a krátké instrukce k provádění výpočtů. Takže kvůli jejich superskalárním schopnostem normálně RIZIKO procesory fungovaly lépe ve srovnání s procesory CISC, které běží na stejném megahertzu. Ale nejvíce CISC procesory nyní jako Intel Pentium obsahují také určitou architekturu RISC, která jim umožňuje provádět instrukce paralelně.

Superskalární procesor je vybaven několika procesorovými jednotkami pro paralelní zpracování různých instrukcí v každé fázi zpracování. Použitím výše uvedené architektury se řada instrukcí spustí v rámci podobného hodinového cyklu. Tyto procesory jsou schopny získat výstup provedení instrukce výše uvedené instrukce pro každý cyklus.

Ve výše uvedeném schématu architektury je použit procesor se dvěma prováděcími jednotkami, kde jedna se používá pro celé číslo a druhá se používá pro operace s pohyblivou řádovou čárkou. Jednotka pro načítání instrukcí (IFU) je schopna číst instrukce najednou a ukládat je do fronty instrukcí. V každém cyklu expediční jednotka načte a dekóduje až 2 instrukce z fronty fronty. Pokud existuje jediné celé číslo, jedna instrukce s plovoucí desetinnou čárkou a žádná nebezpečí, pak jsou obě instrukce odeslány v rámci podobného hodinového cyklu.

Potrubí

Pipelining je postup rozdělování úloh do dílčích kroků a jejich provádění v různých částech procesoru. V následujícím superskalárním potrubí mohou být načteny a odeslány dvě instrukce najednou, aby se dokončily maximálně 2 instrukce na cyklus. Architektura zřetězení ve skalárním procesoru a superskalárním procesoru je zobrazena níže.

Instrukce v superskalárním procesoru jsou vydávány ze sekvenčního toku instrukcí. Musí umožňovat více instrukcí pro každý cyklus hodin a CPU musí dynamicky kontrolovat datové závislosti mezi instrukcemi.

V níže uvedené architektuře potrubí je F načteno, D je dekódováno, E je provedeno a W je zpětný zápis registru. V této architektuře potrubí jsou I1, I2, I3 a I4 instrukce.

Architektura potrubí skalárního procesoru zahrnuje jeden kanál a čtyři fáze načítání, dekódování, provádění a zpětný zápis výsledků. Ve skalárním procesoru s jedním potrubím funguje potrubí v instrukci1 (I1) jako; v první hodinové periodě I1 bude načítat, ve druhé hodinové periodě bude dekódovat a ve druhé instrukci načte I2. Třetí instrukce I3 ve třetí periodě hodin se načte, I2 se dekóduje a I1 se provede. Ve čtvrté periodě hodin I4 načte, I3 dekóduje, I2 se provede a I1 zapíše do paměti. Takže v sedmi hodinových periodách provede 4 instrukce v jednom potrubí.

Architektura potrubí superskalárního procesoru zahrnuje dvě potrubí a čtyři fáze načítání, dekódování, provádění a zpětný zápis výsledků. Jedná se o dvoudílný superskalární procesor, což znamená, že současně dvě instrukce načítají, dekódují, provádějí a výsledek zapisují zpět. Dvě instrukce I1 a I2 budou současně načítat, dekódovat, vykonávat a zapisovat zpět v každé periodě hodin. Současně v další periodě hodin budou zbývající dvě instrukce I3 a I4 současně načítat, dekódovat, provádět a zapisovat zpět. Takže v pěti hodinových periodách provede 4 instrukce v jednom potrubí.

Skalární procesor tedy vydává jednu instrukci na hodinový cyklus a provádí jednu fázi potrubí na hodinový cyklus, zatímco superskalární procesor vydává dvě instrukce na hodinový cyklus a paralelně provádí dvě instance každé fáze. Takže provedení instrukce ve skalárním procesoru trvá déle, zatímco v superskalárním trvá provedení instrukcí méně .

Typy superskalárních procesorů

Jedná se o různé typy superskalárních procesorů dostupných na trhu, které jsou popsány níže.

Procesor Intel Core i7

Intel core i7 je superskalární procesor, který je založen na mikroarchitektuře Nehalem. V designu Core i7 jsou různá procesorová jádra, kde každé procesorové jádro je superskalární procesor. Toto je nejrychlejší verze procesoru Intel používaného v počítačích a zařízeních pro spotřebitele. Podobně jako Intel Corei5 je tento procesor zabudován do technologie Intel Turbo Boost. Tento procesor je dostupný ve 2 až 6 variantách, které podporují až 12 různých vláken najednou.

Procesor Intel Pentium

Superskalární zřetězená architektura procesoru Intel Pentium znamená, že CPU provede minimálně dvě nebo více instrukcí pro každý cyklus. Tento procesor je široce používán v osobních počítačích. Zařízení s procesorem Intel Pentium jsou běžně konstruována pro online použití, cloud computing a spolupráci. Tento procesor tedy dokonale funguje pro tablety a Chromebooky a poskytuje silný místní výkon a efektivní online interakce.

IBM Power PC601

Superskalární procesor jako IBM power PC601 je z rodiny PowerPC mikroprocesorů RISC. Tento procesor je schopen vydávat i vyřazovat tři instrukce pro každé hodiny a jednu pro každou ze 3 prováděcích jednotek. Pokyny jsou zcela mimo provoz pro lepší výkon; ale PC601 způsobí, že se provedení objeví v pořádku.

Výkonný procesor PC601 poskytuje 32bitové logické adresy, 8, 16 a 32bitové celočíselné datové typy a 32bitové a 64bitové datové typy s pohyblivou řádovou čárkou. Pro implementaci 64bitového PowerPC poskytuje architektura tohoto procesoru 64bitové celočíselné datové typy, adresování a další funkce nezbytné pro dokončení 64bitové architektury.

MC 88110

MC 88110 je jednočipový mikroprocesor RISC druhé generace, který využívá pokročilé metody k využití paralelismu na úrovni instrukcí. Tento procesor využívá více vyrovnávací paměti na čipu, problémy se superskalárními instrukcemi, záznam omezených dynamických instrukcí a spekulativní provádění pro dosažení maximálního výkonu, takže je ideálně používán jako centrální procesor v rámci levných počítačů a pracovních stanic.

Intel i960

Intel i960 je superskalární procesor, který je schopen provádět a odesílat různé nezávislé instrukce během každého taktu procesoru. Jedná se o mikroprocesor na bázi RISC, který se na počátku 90. let stal velmi známým jako vestavěný mikrokontrolér. Tento procesor se nepřetržitě používá v několika vojenských aplikacích.

MIPS R

MIPS R je dynamický a superskalární mikroprocesor používaný k provádění 64bitové architektury MIPS se 4 instrukčními sadami. Tento procesor načte a dekóduje 4 instrukce pro každý cyklus a vydá je pěti kompletně zřetězeným a nízkolatenčním prováděcím jednotkám. Tento procesor je speciálně navržen pro vysoce výkonné, velké a reálné aplikace se špatnou lokalitou paměti. S přibližným provedením jednoduše vypočítá adresy paměti. Procesory MIPS se používají hlavně v různých zařízeních, jako je Nintendo Gamecube, produktová řada SGI, Sony Playstation 2, routery PSP a Cisco.

Rozdíl B/W Superskalární Vs Pipelining

Rozdíl mezi superskalárním a pipeliningem je diskutován níže.

Charakteristika

The vlastnosti superskalárního procesoru zahrnout následující.

• Superskalární procesor je super-zřetězený model, kde jsou jednoduše nezávislé instrukce prováděny sériově bez jakékoli čekací situace.
• Superskalární procesor načítá a dekóduje najednou několik instrukcí z příchozího toku instrukcí.
• Architektura superskalárních procesorů využívá potenciál paralelismu na úrovni instrukcí.
• Superskalární procesory většinou vydávají výše uvedené instrukce pro každý cyklus.
• Ne. počet vydaných instrukcí závisí hlavně na instrukcích v toku instrukcí.
• Pokyny se často mění tak, aby lépe odpovídaly architektuře procesoru.
• Superskalární metoda je obvykle spojena s některými identifikačními charakteristikami. Instrukce jsou normálně vydávány ze sekvenčního toku instrukcí.
• CPU dynamicky kontroluje datové závislosti mezi instrukcemi za běhu.
• CPU provádí více instrukcí pro každý cyklus hodin.

Výhody a nevýhody

The výhody superskalárního procesoru zahrnout následující.

• Superskalární procesor implementuje paralelismus na úrovni instrukcí v jediném procesoru.
• Tyto procesory jsou jednoduše vyrobeny tak, aby vykonávaly jakoukoli sadu instrukcí.
• Superskalární procesor včetně predikce větvení provedení mimo pořadí a spekulativního provádění může jednoduše najít paralelismus nad několika základními bloky a iteracemi smyček.

The nevýhody superskalárního procesoru zahrnout následující.

• Superskalární procesory se v malých vestavěných systémech příliš nepoužívají kvůli spotřebě energie.
• V této architektuře může nastat problém s plánováním.
• Superskalární procesor zvyšuje úroveň složitosti při navrhování hardwaru.
• Instrukce v tomto procesoru jsou jednoduše načteny na základě jejich sekvenčního pořadí programu, ale toto není nejlepší pořadí provádění.

Aplikace superskalárního procesoru

Aplikace superskalárního procesoru zahrnují následující.

• Superskalární provedení je často používáno notebookem nebo stolním počítačem. Tento procesor jednoduše skenuje probíhající program, aby objevil sady instrukcí, které lze provést jako jednu.
• Superskalární procesor obsahuje různé hardwarové kopie datových cest, které provádějí různé instrukce najednou.
• Tento procesor je navržen hlavně tak, aby generoval implementační rychlost vyšší než jedna instrukce pro každý cyklus hodin pro jeden sekvenční program.

Tak, to je všechno o přehled superskalárního procesoru – architektura, typy a aplikace. Zde je pro vás otázka, co je to skalární procesor?