Pemproses Superscalar : Seni Bina, Pelipisan Paip, Jenis & Aplikasinya

Dalam dunia ini semua orang mahu menyelesaikan tugas/kerja dengan cepat. bukan? Dari Kereta ke mesin industri kepada mesin rumah semua orang mahu mereka berfungsi dengan lebih pantas. Adakah anda tahu apa yang ada di dalam mesin ini yang membuatkannya berfungsi? Mereka adalah pemproses . Mereka mungkin pemproses mikro atau makro bergantung pada fungsi. Pemproses asas secara amnya melaksanakan satu arahan setiap kitaran jam. Dalam cara untuk meningkatkan kelajuan pemprosesan mereka supaya mesin boleh meningkatkan kelajuan mereka wujud adalah, pemproses superscalar yang mempunyai algoritma saluran paip untuk membolehkannya melaksanakan dua arahan setiap kitaran jam. Ia pertama kali dicipta oleh Seymour Cray's CDC 6600 yang dicipta pada tahun 1964 dan kemudiannya dipertingkatkan oleh Tjaden & Flynn pada tahun 1970.

Mikropemproses superscalar cip tunggal komersial pertama MC88100 telah dibangunkan oleh Motorola pada tahun 1988, kemudian Intel memperkenalkan versi I960CA pada tahun 1989 & AMD 29000-siri 29050 pada tahun 1990.  Pada masa ini, pemproses superscalar biasa yang digunakan ialah pemproses Intel Core i7 seni bina mikro Nehalem.

Walaupun begitu, pelaksanaan superscalar sedang menuju ke arah meningkatkan kerumitan. Reka bentuk pemproses ini biasanya merujuk kepada satu set kaedah yang membenarkan CPU komputer mencapai daya pemprosesan melebihi satu arahan untuk setiap kitaran semasa melaksanakan satu atur cara berjujukan. Mari lihat lebih lanjut dalam artikel ini seni bina SuperScalarprocessor yang mengurangkan masa pelaksanaan dan aplikasinya.

Apakah Pemproses Superscalar?

Jenis mikropemproses yang digunakan untuk melaksanakan jenis selari yang dikenali sebagai selari peringkat arahan dalam satu pemproses untuk melaksanakan  lebih daripada satu arahan semasa kitaran CLK dengan menghantar serentak pelbagai arahan kepada unit pelaksanaan khas pada pemproses. A pemproses skalar melaksanakan arahan tunggal untuk setiap kitaran jam; pemproses superscalar boleh melaksanakan lebih daripada satu arahan semasa kitaran jam.

Teknik reka bentuk superscalar biasanya terdiri daripada penamaan semula daftar selari, penyahkodan arahan selari, pelaksanaan luar pesanan & pelaksanaan spekulatif. Jadi kaedah ini biasanya digunakan dengan melengkapkan kaedah reka bentuk seperti saluran paip, ramalan cawangan, caching & berbilang teras dalam reka bentuk semasa mikropemproses.

ciri-ciri

Ciri-ciri pemproses superscalar termasuk yang berikut.

• Seni bina superscalar ialah teknik pengkomputeran selari yang digunakan dalam pelbagai pemproses.
• Dalam komputer superscalar, CPU menguruskan beberapa saluran paip arahan untuk melaksanakan banyak arahan secara serentak semasa kitaran jam.
• Seni bina superscalar merangkumi semua saluran paip ciri walaupun terdapat beberapa arahan yang dilaksanakan secara serentak dalam saluran paip yang sama.
• Kaedah reka bentuk superscalar biasanya terdiri daripada penamaan semula daftar selari, penyahkodan arahan selari, pelaksanaan spekulatif & pelaksanaan di luar pesanan. Jadi, kaedah ini biasanya digunakan dengan kaedah reka bentuk pelengkap seperti caching, saluran paip, ramalan cawangan & berbilang teras dalam reka bentuk mikropemproses terkini.

Senibina Pemproses Superscalar

Kita tahu bahawa pemproses superscalar ialah CPU yang melaksanakan di atas satu arahan untuk setiap kitaran CLK kerana kelajuan pemprosesan hanya diukur dalam kitaran CLK untuk setiap saat. Berbanding dengan pemproses skalar, pemproses ini sangat laju.

Seni bina pemproses superscalar terutamanya termasuk unit pelaksanaan selari di mana unit ini boleh melaksanakan arahan secara serentak. Mula-mula, seni bina selari ini dilaksanakan dalam pemproses RISC yang menggunakan arahan ringkas & ringkas untuk melaksanakan pengiraan. Oleh itu, kerana kebolehan superscalar mereka, biasanya RISIKO pemproses telah menunjukkan prestasi yang lebih baik berbanding dengan pemproses CISC yang berjalan pada megahertz yang sama. Tetapi, kebanyakannya CISC pemproses kini seperti Intel Pentium terdiri daripada beberapa seni bina RISC juga, yang membolehkan mereka melaksanakan arahan secara selari.

Pemproses superscalar dilengkapi dengan beberapa unit pemprosesan untuk mengendalikan pelbagai arahan secara selari dalam setiap peringkat pemprosesan. Dengan menggunakan seni bina di atas, beberapa arahan memulakan pelaksanaan dalam kitaran jam yang serupa. Pemproses ini mampu mendapatkan output pelaksanaan arahan daripada satu arahan di atas untuk setiap kitaran.

Dalam rajah seni bina di atas, pemproses digunakan dengan dua unit pelaksanaan di mana satu digunakan untuk integer & satu lagi digunakan untuk operasi titik terapung. Unit pengambilan arahan (IFU) mampu membaca arahan pada satu masa & menyimpannya dalam baris gilir arahan. Dalam setiap kitaran, unit penghantaran mengambil & menyahkod sehingga 2 arahan daripada barisan hadapan. Jika terdapat integer tunggal, arahan titik terapung tunggal & tiada bahaya, maka kedua-dua arahan dihantar dalam kitaran jam yang serupa.

Kerja paip

Pipelining ialah prosedur memecahkan tugasan kepada sub-langkah & melaksanakannya dalam bahagian pemproses yang berbeza. Dalam saluran paip superscalar berikut, dua arahan boleh diambil dan dihantar pada satu masa untuk melengkapkan maksimum 2 arahan setiap kitaran. Seni bina saluran paip dalam pemproses skalar dan pemproses superscalar ditunjukkan di bawah.

Arahan dalam pemproses superscalar dikeluarkan daripada aliran arahan berurutan. Ia mesti membenarkan berbilang arahan untuk setiap kitaran jam dan CPU mesti menyemak secara dinamik untuk kebergantungan data antara arahan.

Dalam seni bina saluran paip di bawah, F diambil, D dinyahkod, E dilaksanakan dan W ialah daftar tulis balik,. Dalam seni bina saluran paip ini, I1, I2, I3 & I4 adalah arahan.

Seni bina saluran paip pemproses skalar termasuk saluran paip tunggal dan empat peringkat mengambil, menyahkod, melaksanakan & menulis semula hasil. Dalam pemproses skalar saluran paip tunggal, saluran paip dalam arahan1 (I1) berfungsi sebagai; dalam tempoh jam pertama I1 ia akan diambil, dalam tempoh jam kedua ia akan menyahkod dan dalam arahan kedua, I2 akan mengambil. Arahan ketiga I3 dalam tempoh jam ketiga akan diambil, I2 akan menyahkod dan I1 akan melaksanakan. Dalam tempoh jam keempat, I4 akan mengambil, I3 akan menyahkod, I2 akan melaksanakan dan I1 akan menulis dalam ingatan. Jadi, dalam tujuh tempoh jam, ia akan melaksanakan 4 arahan dalam satu saluran paip.

Seni bina saluran paip pemproses superskala termasuk dua saluran paip dan empat peringkat mengambil, menyahkod, melaksanakan & menulis semula hasil. Ia adalah pemproses superscalar 2 isu yang bermaksud pada satu masa dua arahan akan mengambil, menyahkod, melaksanakan dan menghasilkan tulis semula. Kedua-dua arahan I1 & I2 akan pada satu masa mengambil, menyahkod, melaksanakan dan menulis semula dalam setiap tempoh jam. Pada masa yang sama dalam tempoh jam seterusnya, baki dua arahan I3 & I4 akan pada satu masa mengambil, menyahkod, melaksanakan dan menulis semula. Jadi, dalam lima tempoh jam, ia akan melaksanakan 4 arahan dalam satu saluran paip.

Oleh itu, pemproses skalar mengeluarkan arahan tunggal setiap kitaran jam dan melaksanakan satu peringkat saluran paip bagi setiap kitaran jam manakala pemproses superscalar, mengeluarkan dua arahan setiap kitaran jam dan ia melaksanakan dua kejadian setiap peringkat secara selari. Jadi pelaksanaan arahan dalam pemproses skalar mengambil lebih banyak masa manakala dalam superscalar ia mengambil masa yang lebih sedikit untuk melaksanakan arahan .

Jenis Pemproses Superscalar

Ini adalah pelbagai jenis pemproses superscalar yang terdapat di pasaran yang dibincangkan di bawah.

Pemproses Intel Core i7

Intel core i7 ialah pemproses superscalar yang berasaskan kepada seni bina mikro Nehalem. Dalam reka bentuk Core i7, terdapat pelbagai teras pemproses di mana setiap teras pemproses adalah pemproses superscalar. Ini ialah versi terpantas pemproses Intel yang digunakan dalam komputer & peranti pengguna. Sama seperti Intel Corei5, pemproses ini dibenamkan dalam Teknologi Intel Turbo Boost. Pemproses ini boleh diakses dalam 2 hingga 6 jenis yang menyokong sehingga 12 benang berbeza sekaligus.

Pemproses Intel Pentium

Seni bina talian paip superscalar pemproses Intel Pentium bermaksud CPU melaksanakan sekurang-kurangnya dua atau lebih arahan untuk setiap kitaran. Pemproses ini digunakan secara meluas dalam komputer peribadi. Peranti pemproses Intel Pentium biasanya dibina untuk kegunaan dalam talian, pengkomputeran awan & kerjasama. Jadi pemproses ini berfungsi dengan sempurna untuk tablet dan Chromebook untuk menyediakan prestasi tempatan yang kukuh & interaksi dalam talian yang cekap.

IBM Power PC601

Pemproses superscalar seperti IBM power PC601 adalah daripada keluarga PowerPC mikropemproses RISC. Pemproses ini mampu mengeluarkan serta menghentikan tiga arahan untuk setiap jam dan satu untuk setiap 3 unit pelaksanaan. Arahan sama sekali tidak teratur untuk prestasi yang lebih baik; tetapi, PC601 akan membuat pelaksanaan muncul dengan teratur.

Pemproses PC601 berkuasa menyediakan alamat logik 32-bit, jenis data integer 8, 16 & 32 bit & jenis data titik terapung 32 & 64 bit. Untuk pelaksanaan PowerPC 64-bit, seni bina pemproses ini menyediakan jenis data integer berasaskan 64-bit, pengalamatan & ciri lain yang diperlukan untuk melengkapkan seni bina berasaskan 64-bit.

MC 88110

MC 88110 ialah mikropemproses RISC generasi kedua cip tunggal yang menggunakan kaedah lanjutan untuk mengeksploitasi keselarian peringkat arahan. Pemproses ini menggunakan berbilang cache pada cip, isu arahan superscalar, rakaman arahan dinamik terhad dan pelaksanaan spekulatif, untuk mencapai prestasi maksimum supaya ia sesuai digunakan sebagai pemproses pusat dalam PC & stesen kerja kos rendah.

Intel i960

Intel i960 ialah pemproses superscalar yang mampu melaksanakan & menghantar pelbagai arahan bebas semasa setiap kitaran jam pemproses. Ini ialah mikropemproses berasaskan RISC yang menjadi sangat terkenal sebagai mikropengawal terbenam pada awal 1990-an. Pemproses ini digunakan secara berterusan dalam beberapa aplikasi ketenteraan.

MIPS R

MIPS R ialah mikropemproses dinamik & superscalar yang digunakan untuk melaksanakan seni bina set arahan 64-bit MIPS 4. Pemproses ini mengambil & menyahkod 4 arahan untuk setiap kitaran & mengeluarkannya kepada lima unit pelaksanaan saluran paip dan kependaman rendah sepenuhnya. Pemproses ini direka khusus untuk aplikasi berprestasi tinggi, besar dan dunia nyata dengan lokaliti memori yang lemah. Dengan pelaksanaan anggaran, ia hanya mengira alamat memori. Pemproses MIPS digunakan terutamanya dalam pelbagai peranti seperti Nintendo Gamecube, barisan produk SGI, Sony Playstation 2, penghala PSP & Cisco.

Perbezaan B/W Superscalar Vs Pipelining

Perbezaan antara superscalar dan pipelining dibincangkan di bawah.

Ciri-ciri

The ciri pemproses superscalar termasuk yang berikut.

• Pemproses superscalar ialah model saluran paip super yang hanya arahan bebas dilakukan secara bersiri tanpa sebarang situasi menunggu.
• Pemproses superscalar mengambil & menyahkod pada satu masa beberapa arahan aliran arahan masuk.
• Seni bina pemproses superscalar mengeksploitasi potensi paralelisme peringkat arahan.
• Pemproses superscalar terutamanya mengeluarkan arahan tunggal di atas untuk setiap kitaran.
• No. arahan yang dikeluarkan bergantung terutamanya pada arahan dalam aliran arahan.
• Arahan sering disusun semula agar sesuai dengan seni bina pemproses dengan lebih baik.
• Kaedah superscalar biasanya dikaitkan dengan beberapa ciri pengenalpastian. Arahan biasanya dikeluarkan daripada aliran arahan berurutan.
• CPU menyemak secara dinamik untuk kebergantungan data di antara arahan pada masa jalankan.
• CPU melaksanakan berbilang arahan untuk setiap kitaran jam.

Kelebihan dan kekurangan

The kelebihan pemproses superscalar termasuk yang berikut.

• Pemproses superscalar melaksanakan selari peringkat arahan dalam satu pemproses.
• Pemproses ini hanya dibuat untuk melaksanakan sebarang set arahan.
• Pemproses superscalar termasuk ramalan cawangan pelaksanaan luar biasa & pelaksanaan spekulatif boleh mencari keselarian di atas beberapa blok asas & lelaran gelung.

The keburukan pemproses superscalar termasuk yang berikut.

• Pemproses superscalar tidak banyak digunakan dalam sistem terbenam kecil kerana penggunaan kuasa.
• Masalah dengan penjadualan boleh berlaku dalam seni bina ini.
• Pemproses superscalar meningkatkan tahap kerumitan dalam mereka bentuk perkakasan.
• Arahan dalam pemproses ini hanya diambil berdasarkan urutan atur cara mereka tetapi ini bukan perintah pelaksanaan terbaik.

Aplikasi Pemproses Superscalar

Aplikasi pemproses superscalar termasuk yang berikut.

• Pelaksanaan superscalar sering digunakan oleh komputer riba atau desktop. Pemproses ini hanya mengimbas program dalam pelaksanaan untuk menemui set arahan yang boleh dilaksanakan sebagai satu.
• Pemproses superscalar termasuk pelbagai salinan perkakasan laluan data yang melaksanakan pelbagai arahan sekaligus.
• Pemproses ini terutamanya direka untuk menjana kelajuan pelaksanaan melebihi satu arahan untuk setiap kitaran jam untuk satu atur cara berjujukan.

Oleh itu, ini semua tentang gambaran keseluruhan pemproses superscalar – seni bina, jenis dan aplikasi. Berikut adalah soalan untuk anda, apakah pemproses skalar?