Superskalaarne protsessor: arhitektuur, torustik, tüübid ja rakendused

Siin maailmas tahavad kõik oma asjad/tööd kiiresti tehtud saada. kas pole? Alates autodest kuni tööstuslike ja kodumasinateni tahavad kõik, et need töötaksid kiiremini. Kas teate, mis nende masinate sees on, mis paneb need tööle? Nemad on protsessorid . Sõltuvalt funktsioonidest võivad need olla mikro- või makroprotsessorid. Põhiprotsessor täidab üldiselt ühe käsu taktitsükli kohta. Nende töötlemiskiiruse parandamiseks, et masinad saaksid oma kiirust parandada, loodi superskalaarne protsessor millel on konveieri algoritm, mis võimaldab tal täita kaks käsku taktitsükli kohta. Selle leiutas esmakordselt 1964. aastal leiutatud Seymour Cray CDC 6600 ja hiljem täiustasid seda 1970. aastal Tjaden & Flynn.

Esimese kaubandusliku ühe kiibiga superskalaarse mikroprotsessori MC88100 töötas välja Motorola 1988. aastal, hiljem tutvustas Intel oma versiooni I960CA 1989. aastal ja AMD 29000 seeria 29050 1990.   Praegu on tüüpiliseks kasutatav superskalaarne protsessor Intel Core i7 protsessorist. Nehalemi mikroarhitektuur.

Kuigi superskalaari juurutused liiguvad keerukuse suurendamise poole. Nende protsessorite konstruktsioon viitab tavaliselt meetodite kogumile, mis võimaldab arvuti CPU-l saavutada iga tsükli jaoks ühe käsu täitmisel ühe järjestikuse programmi täitmisel suurema läbilaskevõime. Vaatame selles artiklis lähemalt SuperScalarprotsessori arhitektuuri, mis vähendab selle täitmisaega ja selle rakendusi.

Mis on superskalaarprotsessor?

Mikroprotsessori tüüp, mida kasutatakse käskude tasemel paralleelsusena tuntud paralleelsuse rakendamiseks ühes protsessoris, et täita CLK-tsükli jooksul rohkem kui ühte käsku, saates protsessori spetsiaalsetele täitmisüksustele samaaegselt erinevaid käske. A skalaarprotsessor täidab iga taktitsükli jaoks ühe käsu; superskalaarne protsessor suudab ühe taktitsükli jooksul täita rohkem kui ühte käsku.

Superskalaarse disainitehnikad hõlmavad tavaliselt paralleelset registri ümbernimetamist, paralleelset käskude dekodeerimist, ebakorrapärast täitmist ja spekulatiivset täitmist. Seega kasutatakse neid meetodeid tavaliselt koos täiendavate projekteerimismeetoditega, nagu konveier, harude ennustamine, vahemällu salvestamine ja mitmetuumaline mikroprotsessorite praegune konstruktsioon.

Funktsioonid

Superskalaarprotsessorite funktsioonid hõlmavad järgmist.

• Superskalaarne arhitektuur on paralleelarvutustehnika, mida kasutatakse erinevates protsessorites.
• Superskalaarses arvutis haldab CPU mitut käsukonveierit, et täita üheaegselt mitut käsku kellatsükli jooksul.
• Superskalaarsed arhitektuurid hõlmavad kõiki torustik funktsioone, kuigi samas konveieris täidetakse samaaegselt mitu käsku.
• Superskalaarsed kujundusmeetodid hõlmavad tavaliselt paralleelset registri ümbernimetamist, paralleelset käskude dekodeerimist, spekulatiivset täitmist ja korrast ära täitmist. Seega kasutatakse neid meetodeid tavaliselt koos täiendavate projekteerimismeetoditega, nagu vahemälu, konveier, harude ennustamine ja mitmetuumaline viimaste mikroprotsessorite kujundus.

Superskalaarne protsessori arhitektuur

Teame, et superskalaarne protsessor on protsessor, mis täidab iga CLK-tsükli jaoks rohkem kui ühe käsu, kuna töötlemiskiirusi mõõdetakse lihtsalt iga sekundi CLK-tsüklites. Võrreldes skalaarprotsessoriga on see protsessor väga kiirem.

Superskalaarse protsessori arhitektuur sisaldab peamiselt paralleelkäivitusüksusi, kus need üksused saavad käske üheaegselt rakendada. Nii et esiteks rakendati seda paralleelset arhitektuuri RISC-protsessoris, mis kasutab arvutuste tegemiseks lihtsaid ja lühikesi juhiseid. Nii et nende superskalaarsete võimete tõttu tavaliselt RISK protsessorid on paremini toiminud võrreldes CISC protsessoritega, mis töötavad sama megahertsiga. Kuid enamik CISC protsessorid, nagu Intel Pentium, sisaldavad nüüd ka RISC-arhitektuuri, mis võimaldab neil käske paralleelselt täita.

Superskalaarprotsessor on varustatud mitme protsessoriga erinevate käskude paralleelseks käsitlemiseks igas töötlemisetapis. Ülaltoodud arhitektuuri kasutades alustab hulk käske täitmist sarnase taktitsükli jooksul. Need protsessorid on võimelised hankima iga tsükli jaoks ühe ülaltoodud juhise käsu täitmise väljundi.

Ülaltoodud arhitektuuriskeemil kasutatakse protsessorit kahe täitmisüksusega, millest ühte kasutatakse täisarvude jaoks ja teist kasutatakse ujukomaoperatsioonide jaoks. Käskude laadimisüksus (IFU) on võimeline lugema juhiseid korraga ja salvestab need käsujärjekorda. Igas tsüklis hangib ja dekodeerib lähetusüksus järjekorra eesotsast kuni 2 käsku. Kui on üks täisarv, üks ujukoma käsk ja ohtusid pole, saadetakse mõlemad juhised sarnase kellatsükli jooksul.

Torustik

Konveieri loomine on ülesannete jaotamine alametappideks ja nende täitmine protsessori erinevates osades. Järgmises superskalaarses torujuhtmes saab korraga tuua ja saata kaks käsku, et täita maksimaalselt 2 käsku tsükli kohta. Konveieri arhitektuur skalaarprotsessoris ja superskalaarprotsessoris on näidatud allpool.

Superskalaarprotsessori juhised väljastatakse järjestikusest käsuvoost. See peab võimaldama iga taktitsükli jaoks mitut käsku ja protsessor peab dünaamiliselt kontrollima käskude vahelist andmete sõltuvust.

Alltoodud konveieriarhitektuuris tuuakse F, dekodeeritakse D, käivitatakse E ja W on registri tagasikirjutamine. Selles torujuhtme arhitektuuris on I1, I2, I3 ja I4 juhised.

Skalaarprotsessori konveieri arhitektuur sisaldab ühte konveieri ja nelja etappi toomist, dekodeerimist, käivitamist ja tulemuste tagasikirjutamist. Ühe konveieri skalaarprotsessoris töötab instruction1 (I1) konveieri kui; esimesel taktperioodil I1 tõmbab, teisel taktiperioodil dekodeerib ja teises käsus tõmbab I2. Kolmanda kellaperioodi kolmas käsk I3 tõmbab, I2 dekodeerib ja I1 täidab. Neljandal kellaperioodil tõmbab I4, I3 dekodeerib, I2 käivitab ja I1 kirjutab mällu. Seega täidab see seitsme kellaperioodi jooksul 4 käsku ühes konveieris.

Superskalaarse protsessori konveieri arhitektuur sisaldab kahte konveierit ja nelja etappi toomine, dekodeerimine, käivitamine ja tulemuste tagasikirjutamine. See on 2-numbriline superskalaarne protsessor, mis tähendab, et korraga kaks käsku toovad, dekodeerivad, käivitavad ja tulemused kirjutavad tagasi. Kaks käsku I1 ja I2 toovad, dekodeerivad, käivitavad ja kirjutavad tagasi igal kellaperioodil korraga. Samaaegselt järgmisel kellaperioodil toovad, dekodeerivad, käivitavad ja kirjutavad tagasi ülejäänud kaks käsku I3 ja I4 korraga. Seega täidab see viie kellaperioodi jooksul ühes konveieris 4 käsku.

Seega väljastab skalaarprotsessor ühe käsu taktitsükli kohta ja täidab ühe konveieri astme taktitsükli kohta, samas kui superskalaarprotsessor väljastab kaks käsku taktitsükli kohta ja täidab paralleelselt iga etapi kaks eksemplari. Seega võtab käskude täitmine skalaarprotsessoris rohkem aega, samas kui superskalaaris võtab käskude täitmine vähem aega .

Superskalaarprotsessorite tüübid

Need on turul saadaolevad erinevat tüüpi superskalaarsed protsessorid, mida käsitletakse allpool.

Intel Core i7 protsessor

Intel core i7 on superskalaarne protsessor, mis põhineb Nehalemi mikroarhitektuuril. Core i7 kujunduses on erinevad protsessorituumad, kus iga protsessori tuum on superskalaarne protsessor. See on Inteli protsessori kiireim versioon, mida kasutatakse tarbijaarvutites ja -seadmetes. Sarnaselt Intel Corei5-ga on see protsessor sisseehitatud Intel Turbo Boost tehnoloogiasse. See protsessor on saadaval 2 kuni 6 erinevat tüüpi, mis toetavad korraga kuni 12 erinevat lõime.

Intel Pentium protsessor

Intel Pentiumi protsessori superskalaarne konveierarhitektuur tähendab, et CPU täidab iga tsükli kohta vähemalt kaks või enam käsku. Seda protsessorit kasutatakse laialdaselt personaalarvutites. Inteli Pentiumi protsessorseadmed on tavaliselt loodud võrgus kasutamiseks, pilvandmetöötluseks ja koostööks. Seega töötab see protsessor suurepäraselt tahvelarvutite ja Chromebookidega, et pakkuda tugevat kohalikku jõudlust ja tõhusat võrgusuhtlust.

IBM Power PC601

Superskalaarne protsessor, nagu IBM power PC601, on RISC-mikroprotsessorite PowerPC perekonnast. See protsessor on võimeline väljastama ja tühistama kolme käsku iga kella ja ühe iga kolme täitmisüksuse jaoks. Juhised on jõudluse parandamiseks täiesti korrast ära; kuid PC601 paneb täitmise järjekorda.

Power PC601 protsessor pakub 32-bitiseid loogilisi aadresse, 8-, 16- ja 32-bitiseid täisarvulisi andmetüüpe ning 32- ja 64-bitiseid ujukomaandmetüüpe. 64-bitise PowerPC rakendamiseks pakub selle protsessori arhitektuur 64-bitiseid täisarvulisi andmetüüpe, adresseerimist ja muid funktsioone, mis on vajalikud 64-bitise arhitektuuri lõpuleviimiseks.

MC 88110

MC 88110 on ühe kiibiga teise põlvkonna RISC-mikroprotsessor, mis kasutab käsutaseme paralleelsuse ärakasutamiseks täiustatud meetodeid. See protsessor kasutab maksimaalse jõudluse saavutamiseks mitut kiibil asuvat vahemälu, superskalaarseid käsuprobleeme, piiratud dünaamiliste juhiste salvestamist ja spekulatiivset täitmist, nii et seda saab ideaalselt kasutada keskprotsessorina odavates personaalarvutites ja tööjaamades.

Intel i960

Intel i960 on superskalaarne protsessor, mis on võimeline täitma ja edastama erinevaid sõltumatuid käske iga protsessori taktitsükli jooksul. See on RISC-põhine mikroprotsessor, mis sai 1990. aastate alguses väga kuulsaks sisseehitatud mikrokontrollerina. Seda protsessorit kasutatakse pidevalt mõnes sõjalises rakenduses.

MIPS R

MIPS R on dünaamiline ja superskalaarne mikroprotsessor, mida kasutatakse 64-bitise MIPS 4-käsukomplekti arhitektuuri täitmiseks. See protsessor tõmbab ja dekodeerib iga tsükli jaoks 4 käsku ning väljastab need viiele täielikult konveieriga ja madala latentsusega täitmisüksusele. See protsessor on spetsiaalselt loodud suure jõudlusega, suurte ja reaalsete rakenduste jaoks, millel on halb mälu. Ligikaudse täitmise korral arvutab see lihtsalt mäluaadressid. MIPS-protsessoreid kasutatakse peamiselt erinevates seadmetes, nagu Nintendo Gamecube, SGI tootesari, Sony Playstation 2, PSP ja Cisco ruuterid.

Erinevus B/W Superscalar Vs Pipelining

Superskalaari ja torujuhtmete erinevust käsitletakse allpool.

Omadused

The superskalaarse protsessori omadused sisaldama järgmist.

• Superskalaarne protsessor on superkonveieriga mudel, kus lihtsalt sõltumatud juhised täidetakse järjestikku ilma ootamiseta.
• Superskalaarne protsessor tõmbab ja dekodeerib korraga mitu sissetuleva käsuvoo käsku.
• Superskalaarprotsessorite arhitektuur kasutab ära käsutaseme paralleelsuse potentsiaali.
• Superskalaarprotsessorid väljastavad ülaltoodud ühe juhise peamiselt iga tsükli kohta.
• Ei. antud juhiste hulk sõltub peamiselt juhiste voos olevatest juhistest.
• Juhised järjestatakse sageli ümber, et need sobiksid paremini protsessori arhitektuuriga.
• Superskalaarne meetod on tavaliselt seotud mõne identifitseerimistunnusega. Juhised väljastatakse tavaliselt järjestikuse käsuvoo kaudu.
• Protsessor kontrollib dünaamiliselt käitusajal käskude vahel andmete sõltuvusi.
• Protsessor täidab iga taktitsükli jaoks mitu käsku.

Eelised ja miinused

The Superskalaarprotsessori eelised sisaldama järgmist.

• Superskalaarne protsessor rakendab ühes protsessoris käsutaseme paralleelsust.
• Need protsessorid on lihtsalt loodud mis tahes käsukomplekti täitmiseks.
• Superskalaarne protsessor, mis sisaldab ebakorrapärase täitmisharu ennustamist ja spekulatiivset täitmist, võib lihtsalt leida paralleelsust mitme põhiploki ja tsükli iteratsiooni kohal.

The Superskalaarprotsessori puudused sisaldama järgmist.

• Superskalaarprotsessoreid ei kasutata väikestes manussüsteemides energiakasutuse tõttu palju.
• Selles arhitektuuris võib ajastamise probleem tekkida.
• Superskalaarne protsessor suurendab riistvara kujundamise keerukust.
• Selles protsessoris olevad juhised tuuakse lihtsalt nende järjestikuse programmijärjekorra alusel, kuid see pole parim täitmisjärjekord.

Superskalaarse protsessori rakendused

Superskalaarprotsessori rakendused hõlmavad järgmist.

• Süle- või lauaarvuti kasutab sageli superskalaarset täitmist. See protsessor lihtsalt skannib käivitatavat programmi, et avastada käskude komplekte, mida saab ühena täita.
• Superskalaarne protsessor sisaldab erinevaid andmeteede riistvarakoopiaid, mis täidavad korraga erinevaid juhiseid.
• See protsessor on peamiselt loodud ühe järjestikuse programmi jaoks iga taktitsükli jaoks suurema kui ühe käsu rakendamise kiiruse genereerimiseks.

Seega on see kõik umbes ülevaade superskalaarprotsessorist – arhitektuur, tüübid ja rakendused. Siin on teile küsimus, mis on skalaarprotsessor?