Суперскаларни процесор: архитектура, цевовод, типови и његове примене

У овом свету сви желе да своје ствари/радове заврше брзо. зар није? Од аутомобила до индустријских до машина за домаћинство, сви желе да раде брже. Да ли знате шта се налази у овим машинама и тера их да раде? Су процесори . Они могу бити микро или макро процесори у зависности од функционалности. Основни процесор генерално извршава једну инструкцију по циклусу такта. Начин да се побољша њихова брзина обраде како би машине могле да побољшају своју брзину је настао је, суперскаларни процесор који има алгоритам цевовода који му омогућава да изврши две инструкције по циклусу такта. Прво га је измислио ЦДЦ 6600 Сеимоур Цраи-а који је измишљен 1964. године, а касније су га побољшали Тјаден & Флинн 1970.

Први комерцијални суперскаларни микропроцесор МЦ88100 развила је Моторола 1988. године, касније је Интел представио своју верзију И960ЦА 1989. и АМД 29000 серију 29050 1990.  Тренутно је типичан суперскаларни процесор који се користи у зависности од Интел Цоре и7 процеса. микроархитектура Нехалем.

Иако, имплементације суперскалара иду ка повећању сложености. Дизајн ових процесора се обично односи на скуп метода које дозвољавају ЦПУ-у рачунара да постигне пропусност од изнад једне инструкције за сваки циклус док извршава један секвенцијални програм. Хајде да даље видимо у овом чланку архитектуру СуперСцаларпроцессора која смањује време његовог извршавања и његове апликације.

Шта је суперскаларни процесор?

Тип микропроцесора који се користи за имплементацију типа паралелизма познатог као паралелизам на нивоу инструкција у једном процесору за извршавање  више од једне инструкције током ЦЛК циклуса тако што истовремено шаље различите инструкције специјалним извршним јединицама на процесору. А скаларни процесор извршава једну инструкцију за сваки циклус такта; суперскаларни процесор може да изврши више од једне инструкције током циклуса такта.

Технике дизајна суперскалара обично обухватају паралелно преименовање регистра, паралелно декодирање инструкција, извршења ван реда и спекулативно извршење. Дакле, ове методе се обично користе са допунским методама дизајна као што су цевовод, предвиђање гранања, кеширање и више језгара у оквиру тренутних дизајна микропроцесора.

Карактеристике

Карактеристике суперскаларних процесора укључују следеће.

• Суперскаларна архитектура је паралелна рачунарска техника која се користи у различитим процесорима.
• У суперскаларном рачунару, ЦПУ управља неколико цевовода инструкција како би истовремено извршио бројне инструкције током циклуса такта.
• Суперскаларне архитектуре укључују све цевовода карактеристике иако постоји неколико инструкција које се извршавају истовремено у оквиру истог цевовода.
• Методе суперскаларног дизајна обично обухватају паралелно преименовање регистра, паралелно декодирање инструкција, спекулативно извршење и извршавање ван реда. Дакле, ове методе се обично користе са допунским методама дизајна као што су кеширање, цевовод, предвиђање гранања и више језгара у новијим дизајнима микропроцесора.

Архитектура суперскаларног процесора

Знамо да је суперскаларни процесор ЦПУ који извршава изнад једне инструкције за сваки ЦЛК циклус јер се брзине обраде једноставно мере у ЦЛК циклусима за сваку секунду. У поређењу са скаларним процесором, овај процесор је веома бржи.

Архитектура суперскаларног процесора углавном укључује паралелне извршне јединице где ове јединице могу истовремено да имплементирају инструкције. Дакле, прво, ова паралелна архитектура је имплементирана унутар РИСЦ процесора који користи једноставна и кратка упутства за извршавање прорачуна. Дакле, због њихових суперскаларних способности, нормално РИЗИК процесори су имали боље резултате у поређењу са ЦИСЦ процесорима који раде на истом мегахерцу. Али углавном ЦИСЦ процесори сада као што је Интел Пентиум такође садрже и неку РИСЦ архитектуру, што им омогућава да извршавају инструкције паралелно.

Суперскаларни процесор је опремљен са неколико процесорских јединица за паралелно руковање различитим упутствима у свакој фази обраде. Коришћењем горње архитектуре, одређени број инструкција почиње да се извршава у оквиру сличног циклуса такта. Ови процесори су способни да добију излаз извршења инструкције од једне горе наведене инструкције за сваки циклус.

У горњем дијаграму архитектуре, процесор се користи са две извршне јединице где се једна користи за цео број, а друга се користи за операције са помичним зарезом. Јединица за преузимање инструкција (ИФУ) је способна за читање инструкција у исто време и чува их у реду инструкција. У сваком циклусу, диспечерска јединица преузима и декодира до 2 инструкције са предње стране реда. Ако постоји један цео број, једна инструкција са помичним зарезом и нема опасности, онда се обе инструкције шаљу у оквиру сличног циклуса такта.

Пипелининг

Пипелининг је поступак рашчлањивања задатака на под-кораке и њиховог извршавања у оквиру различитих делова процесора. У следећем суперскаларном цевоводу, две инструкције могу да се дохвате и отпреме у исто време да би се завршиле највише 2 инструкције по циклусу. Архитектура цевовода у скаларном процесору и суперскаларном процесору је приказана испод.

Инструкције у суперскаларном процесору се издају из секвенцијалног тока инструкција. Мора дозволити вишеструке инструкције за сваки циклус такта и ЦПУ мора динамички да проверава да ли постоје зависности података између инструкција.

У доњој архитектури цевовода, Ф се преузима, Д се декодира, Е се извршава и В је уписивање у регистар. У овој архитектури цевовода, И1, И2, И3 и И4 су инструкције.

Архитектура цевовода скаларног процесора укључује један цевовод и четири фазе преузимања, декодирања, извршавања и враћања резултата. У скаларном процесору са једним цевоводом, цевовод у инструкцији1 (И1) ради као; у првом периоду такта И1 ће дохватити, у другом периоду такта ће декодирати и у другој инструкцији, И2 ће дохватити. Трећа инструкција И3 у трећем периоду такта ће преузети, И2 ће декодирати и И1 ће се извршити. У четвртом периоду такта, И4 ће преузети, И3 ће декодирати, И2 ће извршити и И1 ће уписати у меморију. Дакле, у седам временских периода, извршиће 4 инструкције у једном цевоводу.

Архитектура цевовода суперскаларног процесора укључује два цевовода и четири фазе преузимања, декодирања, извршавања и писања резултата. То је суперскаларни процесор са 2 проблема, што значи да ће две инструкције истовремено преузимати, декодирати, извршавати и резултовати. Две инструкције И1 и И2 ће истовремено преузимати, декодирати, извршавати и писати назад у сваком периоду такта. Истовремено у следећем периоду такта, преостале две инструкције И3 и И4 ће истовремено преузимати, декодирати, извршавати и писати назад. Дакле, у пет тактова, извршиће 4 инструкције у једном цевоводу.

Дакле, скаларни процесор издаје једну инструкцију по циклусу такта и изводи једну фазу цевовода по циклусу такта, док суперскаларни процесор издаје две инструкције по циклусу такта и извршава две инстанце сваке фазе паралелно. Дакле, извршење инструкција у скаларном процесору траје више времена, док је у суперскаларном потребно мање времена за извршење инструкција .

Типови суперскаларних процесора

Ово су различити типови суперскаларних процесора доступних на тржишту о којима се говори у наставку.

Интел Цоре и7 процесор

Интел цоре и7 је суперскаларни процесор који је заснован на Нехалем микро архитектури. У дизајну Цоре и7, постоје различита процесорска језгра где је свако језгро процесора суперскаларни процесор. Ово је најбржа верзија Интел процесора који се користи у потрошачким рачунарима и уређајима. Слично Интел Цореи5, овај процесор је уграђен у Интел Турбо Боост технологију. Овај процесор је доступан у 2 до 6 варијанти које подржавају до 12 различитих нити одједном.

Интел Пентиум процесор

Интел Пентиум процесор суперскаларна цевоводна архитектура значи да ЦПУ извршава најмање две или више инструкција за сваки циклус. Овај процесор се широко користи у персоналним рачунарима. Интел Пентиум процесорски уређаји су обично направљени за коришћење на мрежи, рачунарство у облаку и сарадњу. Дакле, овај процесор савршено функционише за таблете и Цхромебоок-ове како би обезбедио снажне локалне перформансе и ефикасне онлајн интеракције.

ИБМ Повер ПЦ601

Суперскаларни процесор као што је ИБМ повер ПЦ601 је из породице ПоверПЦ РИСЦ микропроцесора. Овај процесор је способан да издаје и повуче три инструкције за сваки сат и једну за сваку од 3 извршне јединице. Инструкције су потпуно ван функције за побољшање перформанси; али, ПЦ601 ће учинити да се извршење појави по реду.

Снажни ПЦ601 процесор обезбеђује 32-битне логичке адресе, 8, 16 и 32-битне целобројне типове података и 32 и 64-битне типове података са покретним зарезом. За имплементацију 64-битног ПоверПЦ-а, архитектура овог процесора обезбеђује 64-битне целобројне типове података, адресирање и друге карактеристике неопходне да се заврши 64-битна архитектура.

МЦ 88110

МЦ 88110 је РИСЦ микропроцесор друге генерације са једним чипом који користи напредне методе за искоришћавање паралелизма на нивоу инструкција. Овај процесор користи вишеструке кеш меморије на чипу, проблеме са суперскаларним инструкцијама, снимање ограничених динамичких инструкција и спекулативно извршење, за постизање максималних перформанси, тако да се идеално користи као централни процесор у јефтиним рачунарима и радним станицама.

Интел и960

Интел и960 је суперскаларни процесор који је способан да извршава и шаље различите независне инструкције током сваког циклуса процесорског такта. Ово је РИСЦ-базирани микропроцесор који је постао веома познат као уграђени микроконтролер током раних 1990-их. Овај процесор се непрекидно користи у неколико војних апликација.

МИПС Р

МИПС Р је динамички и суперскаларни микропроцесор који се користи за извршавање 64-битне архитектуре МИПС скупа 4 инструкције. Овај процесор дохваћа и декодира 4 инструкције за сваки циклус и шаље их на пет потпуно цевоводних извршних јединица са малим кашњењем. Овај процесор је посебно дизајниран за високе перформансе, велике и реалне апликације са лошом локацијом меморије. Са приближним извршењем, једноставно израчунава меморијске адресе. МИПС процесори се углавном користе у различитим уређајима као што су Нинтендо Гамецубе, СГИ-јева линија производа, Сони Плаистатион 2, ПСП и Цисцо рутери.

Разлика између црно-белих суперскаларних и цевовода

Разлика између суперскалара и цевовода је размотрена у наставку.

Карактеристике

Тхе карактеристике суперскаларног процесора укључи следеће.

• Суперскаларни процесор је модел са супер цевоводом где се једноставно независне инструкције изводе серијски без икакве ситуације чекања.
• Суперскаларни процесор преузима и декодира истовремено неколико инструкција долазног тока инструкција.
• Архитектура суперскаларних процесора искоришћава потенцијал паралелизма на нивоу инструкција.
• Суперскаларни процесори углавном издају горњу појединачну инструкцију за сваки циклус.
• Не. издатих инструкција углавном зависи од инструкција унутар тока инструкција.
• Инструкције се често мењају како би боље одговарале архитектури процесора.
• Суперскаларна метода је обично повезана са неким идентификационим карактеристикама. Инструкције се обично издају из секвенцијалног тока инструкција.
• ЦПУ динамички проверава да ли постоје зависности података између инструкција током времена извршавања.
• ЦПУ извршава више инструкција за сваки циклус такта.

Предности и мане

Тхе предности суперскаларног процесора укључи следеће.

• Суперскаларни процесор имплементира паралелизам на нивоу инструкција у једном процесору.
• Ови процесори су једноставно направљени да изводе било који скуп инструкција.
• Суперскаларни процесор укључујући предвиђање гранања извршења ван реда и спекулативно извршење може једноставно пронаћи паралелизам изнад неколико основних блокова и итерација петље.

Тхе недостаци суперскаларног процесора укључи следеће.

• Суперскаларни процесори се не користе много у малим уграђеним системима због потрошње енергије.
• Проблем са планирањем може се десити у овој архитектури.
• Суперскаларни процесор повећава ниво сложености у пројектовању хардвера.
• Инструкције у овом процесору се једноставно преузимају на основу њиховог секвенцијалног редоследа програма, али ово није најбољи редослед извршења.

Примене суперскаларних процесора

Примене суперскаларног процесора укључују следеће.

• Суперскаларно извршење се често користи на лаптопу или десктопу. Овај процесор једноставно скенира програм у извршавању да би открио скупове инструкција које се могу извршити као једна.
• Суперскаларни процесор укључује различите хардверске копије путања података које извршавају различите инструкције одједном.
• Овај процесор је углавном дизајниран да генерише брзину имплементације већу од једне инструкције за сваки циклус такта за један секвенцијални програм.

Дакле, ради се о томе преглед суперскаларног процесора – архитектура, типови и апликације. Ево питања за вас, шта је скаларни процесор?