Superskalaari

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 12. joulukuuta 2020 tarkistetusta versiosta . vahvistus vaatii 1 muokkauksen .

Superskalaariprosessori ( eng.  superscalar processor ) - prosessori , joka tukee ns. rinnakkaisuutta käskytasolla (eli prosessori, joka pystyy suorittamaan useita käskyjä samanaikaisesti) useiden identtisten toiminnallisten solmujen (kuten ALU , FPU ) ansiosta , kerroin () sen laskentaytimessä kokonaislukukerroin ), vaihtajassa ( kokonaislukusiirtäjä ) ja muissa laitteissa). Laskentaydin ajoittaa käskyvirran suorittamisen dynaamisesti ( kääntäjä ei staattisesti).).

Tapoja parantaa suorituskykyä, joita voidaan käyttää yhdessä:

Liukuhihnaa käytettäessä solmujen lukumäärä pysyy samana; suorituskyvyn kasvu saavutetaan yhden säikeen käskyjen käsittelyn eri vaiheista vastaavien solmujen samanaikaisen toiminnan ansiosta . Superskalaaria käytettäessä suorituskyvyn kasvu saavutetaan, koska samanaikaisesti toimii suurempi määrä identtisiä solmuja, jotka käsittelevät itsenäisesti käskyjä yhdestä säikeestä (mukaan lukien useampi liukuhihna). Useita ytimiä käytettäessä jokainen ydin suorittaa erillisen säikeen käskyt, ja jokainen niistä voi olla superskalaarinen ja/tai liukuhihna. Kun käytetään useita prosessoreita, jokainen prosessori voi olla moniytiminen.

Superskalaariprosessorissa käsky noudetaan käskyvirrasta (muistista), määritetään käskyn datariippuvuuden olemassaolo tai puuttuminen muista käskyistä, ja sitten käsky suoritetaan. Samanaikaisesti yhden jakson aikana voidaan suorittaa useita itsenäisiä käskyjä.

Flynnin luokituksen mukaan yksiytimiset superskalaariprosessorit luokitellaan SISD- prosessoreiksi ( englanniksi  single i nstruction stream, single data stream  - one instruction stream, one data stream). Samanlaisia ​​prosessoreita, jotka tukevat lyhyiden vektorien kanssa työskentelyä koskevia ohjeita, voidaan viitata SIMD -ryhmään ( englanniksi  single i nstruction stream, multiple data streams -  yksi käskyvirta, useita tietovirtoja). Moniytimiset superskalaariprosessorit kuuluvat MIMD -ryhmään ( eng.  m useita käskyvirtoja , m useita tietovirtoja - useita käskyvirtoja  , useita tietovirtoja) .

Historia

Maailman ensimmäinen superskalaaritietokone oli Seymour Crayn [1] kehittämä CDC 6600 (1964) . Neuvostoliitossa Elbrus -tietokonetta , joka kehitettiin vuosina 1973-1979 ITMiVT :ssä, pidettiin ensimmäisenä superskalaaritietokoneena . Suurin rakenteellinen ero Elbruksen ja CDC 6600:n välillä (lukuun ottamatta täysin erilaista ohjelmoijalle näkyvää käskyjärjestelmää - pinotyyppiä ) oli, että kaikki sen solmut olivat liukuhihnaa, kuten nykyaikaisissa superskalaarimikroprosessoreissa . Tämän tosiasian perusteella B. A. Babayan julisti Neuvostoliiton tietokoneiden etusijalle superskalaaritietokoneiden rakentamisessa, mutta Control Data -kone , CDC 7600 ( englanniksi ), joka seurasi jo CDC 6600:ta, luotiin vuonna 1969, 4 vuotta ennen kehitys " Elbrus ", oli toimilaitteiden kuljetin. Lisäksi IBM julkaisi hieman aikaisemmin (vuonna 1967) IBM 360/91 -koneen , joka käyttää epäjärjestyksessä suoritusta , rekisterien uudelleennimeämistä ja toimilaitteiden liukuhihnaa [2] .

Ensimmäiset  kaupalliset superskalaariset yksisiruiset mikroprosessorit olivat Motorolan vuoden 1988 MC88100- mikroprosessori, 1989 Intel i960CA -mikroprosessori ja 1990 AMD 29000 -sarjan 29050-mikroprosessori . Ensimmäinen kaupallisesti saatavilla oleva superskalaarinen mikroprosessori oli i960 , joka julkaistiin vuonna 1988. 1990-luvulla Intelistä tuli suurin superskalaarimikroprosessorien valmistaja.

Kaikki yleiskäyttöiset prosessorit, jotka on kehitetty noin 1998 jälkeen, lukuun ottamatta niitä, joita käytetään pienitehoisissa laitteissa , sulautetuissa järjestelmissä ja akkukäyttöisissä laitteissa , ovat superskalaarisia.

P5 - mikroarkkitehtuuriset Pentium-prosessorit olivat ensimmäiset x86 - superskalaariprosessorit . Nx586- , P6 Pentium Pro- ja AMD K5 -mikroprosessorit olivat ensimmäiset superskalaariprosessorit, jotka muunsivat x86 -käskyt sisäiseksi koodiksi, jonka ne sitten suorittivat.

Kuvaus

Jos prosessorin toiminnan aikana useat liukuhihnan käsittelemät käskyt ovat itsenäisiä , niin ydin voi suorittaa ne samanaikaisesti. Superskalaarijärjestelmissä päätöksen käskyn käynnistämisestä suorittamista varten tekee prosessoriydin itse, mikä vaatii paljon resursseja. Myöhemmissä järjestelmissä, kuten Elbrus -3 ja Itanium , käytetään tilastollista suunnittelua, eli kääntäjä päättää, mitkä käskyt suoritetaan samanaikaisesti ; kääntäjä löytää itsenäiset käskyt ja yhdistää ne yhdeksi pitkäksi käskyksi ( VLIW-arkkitehtuuri ).

Superskalaariprosessorisolmu, jota kutsutaan käskynvälittäjäksi (  ID ) , vastaa:

Solmutunnuksen on jaettava käskyt solmujen välillä, jotta solmut toimivat ilman seisokkeja. Ensimmäisessä superskalaariprosessorissa oli kaksi ALU :ta ja yksi FPU . Nykyaikaiset prosessorit sisältävät enemmän solmuja. Esimerkiksi PowerPC 970 -prosessori sisältää neljä ALU:ta, kaksi FPU:ta ja kaksi SIMD -solmua . Jos solmutunnus ei suorita tehtäväänsä (ei lataa kaikkia solmuja), superskalaariprosessorin suorituskyky ei ole parempi kuin skalaariprosessorin suorituskyky .

Superskalaariprosessori pystyy yleensä suorittamaan useamman kuin yhden käskyn kellojaksoa kohden . Samaan aikaan kyky käsitellä useita käskyjä samanaikaisesti ei tee arkkitehtuurista superskalaarista, koska samanaikaisuus voidaan saavuttaa muillakin menetelmillä: liukuhihnalla , useiden ytimien ja/tai useiden prosessoreiden avulla .

Toteutukset

Superskalaaria tukevat prosessorit:

Arkkitehtuuri Ensimmäinen toteutus vuosi Kehittäjä Muut tämän arkkitehtuurin superskalaaritietokoneiden kehittäjät Merkintä
CDC6600 CDC6600 1964 Control Data Corporation Komennon suoritusputki, useita suoritusyksiköitä (mutta ei liukuhihnaa).
CDC7600 CDC7600 1969 Control Data Corporation Täysi liukuhihna - sekä komentojen suorittaminen että itse toimilaitteet.
IBM System/360 malli 91 IBM 360/91 1967 IBM Täysi liukuhihna dynaamisella rekisterin uudelleennimeämisellä, ohjeiden epäjärjestyksessä suorituksella ja haaran ennustamisella
Elbrus Elbrus -1 1979 ITMiVT
i960 i960 1988 Intel
Am 29000 Am29050 1990 AMD
SPARC SuperSPARC 1992 Sun Microsystems Fujitsu , MCST
m88k , m68k MC88110 , MC68060 1992 Motorola
x86 Pentium 1993 Intel AMD , VIA
MIPS R8000 1994 MIPS-tekniikat Toshiba
ARM Cortex A8 ARM

Laskelmien kiihtyvyys

Superskalaaritietokoneet käyttävät useita menetelmiä nopeuttaakseen laskelmia, jotka ovat ensisijaisesti niille ominaisia, mutta tällaisia ​​tekniikoita voidaan käyttää muun tyyppisissä arkkitehtuureissa:

Käytetään myös yleisiä tekniikoita tuottavuuden lisäämiseksi, joita käytetään myös muun tyyppisissä tietokoneissa:

Skalaari- ja superskalaariprosessorit

Suorittaessaan yhtä käskyä skalaariprosessori käsittelee yhden tai kaksi numeroa ( skalaarit ). Suorittaessaan yhtä käskyä vektoriprosessori käsittelee useita lukuja ( vektori ). Kun useita käskyjä suoritetaan samanaikaisesti, superskalaariprosessori käsittelee samanaikaisesti useita lukuja (useita skalaareja).

Rajoitukset

Superskalaariprosessorien suorituskyvyn kasvua rajoittavat seuraavat tekijät:

  1. ohjeiden sisäisen rinnakkaisuuden aste;
  2. ohjeiden ja tähän hakuun käytetyn ajan välisten riippuvuuksien löytämisen monimutkaisuus; rekisterin uudelleennimeämisjärjestelmän monimutkaisuus ja uudelleennimeämiseen käytetty aika;
  3. sivukonttorin ohjeiden käsittely.

Ohjeiden samanaikaisen suorittamisen mahdollisuus riippuu käskyjen sisäisen rinnakkaisuuden asteesta - siitä, kuinka paljon jotkut käskyt ovat riippuvaisia ​​muista. Yksi käsky riippuu toisesta käskystä, jos se käyttää resursseja, joita myös toinen käsky käyttää, tai jos se käyttää toisen käskyn tulosta. Samanaikainen suoritus on mahdollista tapauksissa, joissa ohjelman käskyt ovat toisistaan ​​riippumattomia. Esimerkiksi käsky " a = b + c" ja käsky " d = e + f" voidaan suorittaa samanaikaisesti, koska toisen laskennan tulos ei riipu toisen laskennan tuloksesta. Käsky " a = b + c" ja " b = e + f" ovat toisistaan ​​riippuvaisia, eikä niitä voida suorittaa samanaikaisesti, koska niiden suorituksen tulos riippuu siitä, kumpi suoritetaan ensin.

Samanaikaisesti suoritettavien käskyjen määrän kasvaessa niiden keskinäisten riippuvuuksien tarkistamiseen käytetty aika kasvaa nopeasti, eivätkä nämä kustannukset saisi ylittää yhtä kellojaksoa. Aikaa kuluu testipiirin toteuttavien logiikkaporttien ajamiseen ja tiedon siirtämiseen porttien välillä. Viiveitä ei voida vähentää edes teknologista prosessia muuttamalla . Tehonhäviö , piirin monimutkaisuus ja signaaliviiveet porteissa eivät salli samanaikaisesti lähetettyjen käskyjen määrän kasvattamista yli kahdeksan.

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Käsittelijän luokitus . Parallel.ru - Tieto- ja analyyttinen rinnakkaislaskennan keskus:. Haettu 16. elokuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 26. helmikuuta 2012.
  2. ↑ Katso http://domino.research.ibm.com/tchjr/journalindex.nsf/ResVolumes!OpenView&Start=1&Count=1000&Expand=42.1#42.1 .

Kirjallisuus