โปรเซสเซอร์ Superscalar: สถาปัตยกรรม ท่อส่ง ประเภทและการใช้งาน

ในโลกนี้ทุกคนต้องการทำสิ่งต่าง ๆ / งานให้เสร็จอย่างรวดเร็ว ไม่ใช่เหรอ ? ตั้งแต่รถยนต์ไปจนถึงเครื่องจักรอุตสาหกรรมไปจนถึงเครื่องใช้ในครัวเรือน ทุกคนต้องการให้พวกเขาทำงานเร็วขึ้น คุณรู้หรือไม่ว่ามีอะไรอยู่ในเครื่องเหล่านี้ที่ทำให้มันทำงานได้ ? พวกเขาเป็น โปรเซสเซอร์ . อาจเป็นโปรเซสเซอร์ขนาดเล็กหรือมาโครขึ้นอยู่กับฟังก์ชันการทำงาน โปรเซสเซอร์พื้นฐานโดยทั่วไปดำเนินการหนึ่งคำสั่งต่อรอบสัญญาณนาฬิกา วิธีการปรับปรุงความเร็วในการประมวลผลเพื่อให้เครื่องจักรสามารถปรับปรุงความเร็วได้คือ โปรเซสเซอร์ซูเปอร์สเกลาร์ ซึ่งมีอัลกอริธึมการวางท่อเพื่อให้ดำเนินการได้สองคำสั่งต่อรอบสัญญาณนาฬิกา มันถูกประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกโดย CDC 6600 ของ Seymour Cray ที่ประดิษฐ์ขึ้นในปี 1964 และต่อมาได้รับการปรับปรุงโดย Tjaden & Flynn ในปี 1970

MC88100 ไมโครโปรเซสเซอร์ซูเปอร์สเกลาร์ชิปตัวเดียวเชิงพาณิชย์ตัวแรกได้รับการพัฒนาโดย Motorola ในปี 1988 หลังจากนั้น Intel ได้เปิดตัวเวอร์ชัน I960CA ในปี 1989 และ AMD 29000-series 29050 ในปี 1990 ปัจจุบัน โปรเซสเซอร์ซูเปอร์สเกลาร์ทั่วไปที่ใช้คือโปรเซสเซอร์ Intel Core i7 ขึ้นอยู่กับ สถาปัตยกรรมไมโคร Nehalem

แม้ว่าการนำ superscalar ไปใช้นั้นมุ่งไปสู่การเพิ่มความซับซ้อน การออกแบบตัวประมวลผลเหล่านี้โดยปกติหมายถึงชุดของวิธีการที่อนุญาตให้ CPU ของคอมพิวเตอร์ได้รับทรูพุตเหนือหนึ่งคำสั่งสำหรับแต่ละรอบในขณะที่ดำเนินการโปรแกรมตามลำดับเดียว มาดูกันเพิ่มเติมในบทความนี้เกี่ยวกับสถาปัตยกรรมตัวประมวลผล SuperScalar ซึ่งช่วยลดเวลาการดำเนินการและแอปพลิเคชัน

โปรเซสเซอร์ Superscalar คืออะไร?

ไมโครโปรเซสเซอร์ประเภทหนึ่งที่ใช้ในการปรับใช้ประเภทของความขนานที่เรียกว่าความขนานระดับคำสั่งในตัวประมวลผลเดียวเพื่อดำเนินการ คำสั่งมากกว่าหนึ่งคำสั่งในระหว่างวงจร CLK โดยส่งคำสั่งต่างๆ พร้อมกันไปยังหน่วยดำเนินการพิเศษบนโปรเซสเซอร์ ก โปรเซสเซอร์สเกลาร์ ดำเนินการคำสั่งเดียวสำหรับแต่ละรอบสัญญาณนาฬิกา โปรเซสเซอร์ superscalar สามารถดำเนินการมากกว่าหนึ่งคำสั่งในระหว่างรอบสัญญาณนาฬิกา

เทคนิคการออกแบบของ superscalar ปกติประกอบด้วยการเปลี่ยนชื่อรีจิสเตอร์แบบขนาน การถอดรหัสคำสั่งแบบขนาน การดำเนินการนอกคำสั่ง & การดำเนินการเชิงเก็งกำไร ดังนั้นวิธีการเหล่านี้จึงมักใช้กับวิธีการออกแบบเสริม เช่น การวางท่อ การทำนายสาขา การแคช และมัลติคอร์ในการออกแบบปัจจุบันของไมโครโปรเซสเซอร์

คุณสมบัติ

คุณสมบัติของโปรเซสเซอร์ superscalar มีดังต่อไปนี้

• สถาปัตยกรรม Superscalar เป็นเทคนิคการคำนวณแบบขนานที่ใช้ในโปรเซสเซอร์ต่างๆ
• ในคอมพิวเตอร์ระดับซุปเปอร์สเกลาร์ CPU จะจัดการไปป์ไลน์คำสั่งหลายคำสั่งเพื่อดำเนินการคำสั่งจำนวนมากพร้อมกันในระหว่างรอบสัญญาณนาฬิกา
• สถาปัตยกรรม Superscalar รวมทั้งหมด วางท่อ คุณสมบัติ แม้ว่าจะมีคำสั่งหลายคำสั่งที่ดำเนินการพร้อมกันภายในไปป์ไลน์เดียวกัน
• วิธีการออกแบบ Superscalar ตามปกติประกอบด้วยการเปลี่ยนชื่อรีจิสเตอร์แบบขนาน การถอดรหัสคำสั่งแบบขนาน การดำเนินการเชิงเก็งกำไร & การดำเนินการนอกคำสั่ง ดังนั้น วิธีการเหล่านี้มักจะใช้กับวิธีการออกแบบเสริม เช่น การแคช การวางท่อ การทำนายสาขา และมัลติคอร์ในการออกแบบไมโครโปรเซสเซอร์ล่าสุด

สถาปัตยกรรมตัวประมวลผล Superscalar

เราทราบดีว่าโปรเซสเซอร์ superscalar คือ CPU ที่ดำเนินการเหนือคำสั่งเดียวสำหรับแต่ละรอบของ CLK เนื่องจากความเร็วในการประมวลผลจะวัดง่ายๆ ในรอบของ CLK ในแต่ละวินาที เมื่อเทียบกับโปรเซสเซอร์สเกลาร์ โปรเซสเซอร์นี้เร็วกว่ามาก

สถาปัตยกรรมโปรเซสเซอร์ Superscalar ส่วนใหญ่จะประกอบด้วยหน่วยดำเนินการแบบขนาน ซึ่งหน่วยเหล่านี้สามารถใช้คำสั่งพร้อมกันได้ อันดับแรก สถาปัตยกรรมแบบขนานนี้ถูกนำมาใช้ภายในโปรเซสเซอร์ RISC ที่ใช้คำสั่งง่ายๆ และสั้นๆ เพื่อดำเนินการคำนวณ ดังนั้นเนื่องจากความสามารถระดับซูเปอร์สเกลาร์ของพวกมัน โดยปกติแล้ว เสี่ยง โปรเซสเซอร์ทำงานได้ดีกว่าเมื่อเทียบกับโปรเซสเซอร์ CISC ซึ่งทำงานที่เมกะเฮิรตซ์เท่ากัน แต่ส่วนใหญ่ คมช โปรเซสเซอร์ในขณะนี้เช่น Intel Pentium ประกอบด้วยสถาปัตยกรรม RISC บางส่วนด้วย ซึ่งช่วยให้สามารถดำเนินการตามคำสั่งแบบขนานได้

โปรเซสเซอร์ superscalar มีหน่วยประมวลผลหลายตัวสำหรับจัดการคำสั่งต่าง ๆ พร้อมกันในทุกขั้นตอนการประมวลผล เมื่อใช้สถาปัตยกรรมข้างต้น คำสั่งจำนวนหนึ่งจะเริ่มดำเนินการภายในวงจรสัญญาณนาฬิกาที่คล้ายกัน โปรเซสเซอร์เหล่านี้สามารถรับเอาต์พุตการดำเนินการคำสั่งของหนึ่งคำสั่งข้างต้นสำหรับแต่ละรอบ

ในแผนภาพสถาปัตยกรรมด้านบน โปรเซสเซอร์จะใช้กับหน่วยดำเนินการสองหน่วย โดยที่หน่วยหนึ่งใช้สำหรับจำนวนเต็ม และอีกหน่วยหนึ่งใช้สำหรับการดำเนินการของทศนิยม หน่วยดึงข้อมูลคำสั่ง (IFU) สามารถอ่านคำสั่งได้ในแต่ละครั้งและจัดเก็บไว้ในคิวคำสั่ง ในทุกรอบ หน่วยจัดส่งจะดึงข้อมูลและถอดรหัสคำสั่งสูงสุด 2 รายการจากด้านหน้าคิว หากมีเลขจำนวนเต็มเดียว คำสั่งทศนิยมเดียว และไม่มีอันตราย คำสั่งทั้งสองจะถูกส่งภายในรอบสัญญาณนาฬิกาที่ใกล้เคียงกัน

ท่อส่ง

การวางท่อเป็นขั้นตอนของการแบ่งงานออกเป็นขั้นตอนย่อยและดำเนินการภายในส่วนโปรเซสเซอร์ต่างๆ ในไปป์ไลน์ซูเปอร์สเกลาร์ต่อไปนี้ สามารถดึงและจัดส่งคำสั่งได้ครั้งละสองคำสั่ง เพื่อให้ดำเนินการได้สูงสุด 2 คำสั่งต่อรอบ สถาปัตยกรรมการวางท่อในตัวประมวลผลแบบสเกลาร์และตัวประมวลผลแบบซูเปอร์สเกลาร์แสดงไว้ด้านล่าง

คำสั่งในตัวประมวลผล superscalar มาจากสตรีมคำสั่งตามลำดับ ต้องอนุญาตหลายคำสั่งสำหรับแต่ละรอบสัญญาณนาฬิกา และ CPU ต้องตรวจสอบแบบไดนามิกสำหรับการขึ้นต่อกันของข้อมูลระหว่างคำสั่ง

ในสถาปัตยกรรมไปป์ไลน์ด้านล่าง F ถูกดึงข้อมูล D ถูกถอดรหัส E ถูกดำเนินการและ W คือการลงทะเบียนเขียนกลับ ในสถาปัตยกรรมไปป์ไลน์นี้ I1, I2, I3 & I4 เป็นคำแนะนำ

สถาปัตยกรรมไปป์ไลน์ของตัวประมวลผลสเกลาร์ประกอบด้วยไปป์ไลน์เดียวและสี่ขั้นตอนการดึงข้อมูล ถอดรหัส ดำเนินการ และเขียนกลับผลลัพธ์ ในตัวประมวลผลสเกลาร์ไปป์ไลน์เดี่ยว ไปป์ไลน์ในคำสั่ง 1 (I1) ทำงานเป็น; ในช่วงนาฬิกาแรก I1 จะดึงข้อมูล ในช่วงนาฬิกาที่สองจะถอดรหัส และในคำสั่งที่สอง I2 จะดึงข้อมูล คำสั่งที่สาม I3 ในช่วงสัญญาณนาฬิกาที่สามจะดึงข้อมูล I2 จะถอดรหัสและ I1 จะดำเนินการ ในช่วงสัญญาณนาฬิกาที่สี่ I4 จะดึงข้อมูล I3 จะถอดรหัส I2 จะดำเนินการ และ I1 จะเขียนลงในหน่วยความจำ ดังนั้นในเจ็ดช่วงเวลานาฬิกา จะดำเนินการ 4 คำสั่งในไปป์ไลน์เดียว

สถาปัตยกรรมไปป์ไลน์ของตัวประมวลผล superscalar ประกอบด้วยสองไปป์ไลน์และสี่ขั้นตอนการดึง ถอดรหัส ดำเนินการ และเขียนกลับผลลัพธ์ เป็นโปรเซสเซอร์ซูเปอร์สเกลาร์ 2 ประเด็น ซึ่งหมายความว่าในแต่ละครั้งจะมีคำสั่ง 2 คำสั่งดึงข้อมูล ถอดรหัส ดำเนินการ และเขียนกลับผลลัพธ์ สองคำสั่ง I1 และ I2 จะทำการดึง ถอดรหัส ดำเนินการ และเขียนกลับในทุกช่วงเวลาของนาฬิกา พร้อมกันในช่วงสัญญาณนาฬิกาถัดไป คำสั่ง I3 และ I4 อีกสองคำสั่งที่เหลือจะดึงข้อมูล ถอดรหัส ดำเนินการ และเขียนกลับพร้อมๆ กัน ดังนั้นในห้าช่วงเวลานาฬิกา จะดำเนินการ 4 คำสั่งในไปป์ไลน์เดียว

ดังนั้น โปรเซสเซอร์สเกลาร์จึงออกคำสั่งเดียวต่อรอบสัญญาณนาฬิกาและดำเนินการไปป์ไลน์เดี่ยวต่อรอบสัญญาณนาฬิกา ในขณะที่โปรเซสเซอร์ซูเปอร์สเกลาร์จะออกคำสั่งสองคำสั่งต่อรอบสัญญาณนาฬิกา และดำเนินการสองอินสแตนซ์ของแต่ละสเตจพร้อมกัน ดังนั้นการดำเนินการตามคำสั่งในตัวประมวลผลแบบสเกลาร์จึงใช้เวลามากขึ้น ในขณะที่ซูเปอร์สเกลาร์จะใช้เวลาน้อยกว่าในการดำเนินการตามคำสั่ง .

ประเภทของโปรเซสเซอร์ Superscalar

นี่คือโปรเซสเซอร์ superscalar ประเภทต่างๆ ที่มีจำหน่ายในท้องตลาด ซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง

โปรเซสเซอร์ Intel Core i7

Intel core i7 เป็นโปรเซสเซอร์ระดับซูเปอร์สเกลาร์ที่ใช้สถาปัตยกรรมขนาดเล็กของ Nehalem ในการออกแบบ Core i7 มีแกนประมวลผลหลายแกน ซึ่งแกนประมวลผลทุกแกนเป็นโปรเซสเซอร์ระดับซูเปอร์สเกลาร์ นี่เป็นรุ่นที่เร็วที่สุดของโปรเซสเซอร์ Intel ที่ใช้ในคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคทั่วไป คล้ายกับ Intel Corei5 โปรเซสเซอร์นี้ฝังอยู่ใน Intel Turbo Boost Technology โปรเซสเซอร์นี้มีให้เลือก 2 ถึง 6 แบบซึ่งรองรับเธรดต่างๆ ได้ถึง 12 เธรดพร้อมกัน

โปรเซสเซอร์ Intel Pentium

สถาปัตยกรรมไปป์ไลน์ของโปรเซสเซอร์ Intel Pentium superscalar หมายความว่า CPU ดำเนินการอย่างน้อยสองคำสั่งขึ้นไปสำหรับแต่ละรอบ โปรเซสเซอร์นี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล โดยปกติแล้วอุปกรณ์โปรเซสเซอร์ Intel Pentium ถูกสร้างขึ้นเพื่อการใช้งานออนไลน์ คลาวด์คอมพิวติ้ง และการทำงานร่วมกัน ดังนั้นโปรเซสเซอร์นี้จึงทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบสำหรับแท็บเล็ตและ Chromebook เพื่อมอบประสิทธิภาพในท้องถิ่นที่แข็งแกร่งและการโต้ตอบทางออนไลน์ที่มีประสิทธิภาพ

ไอบีเอ็ม พาวเวอร์ PC601

โปรเซสเซอร์ superscalar เช่น IBM power PC601 มาจากตระกูล PowerPC ของไมโครโปรเซสเซอร์ RISC โปรเซสเซอร์นี้สามารถออกและเลิกใช้สามคำสั่งสำหรับแต่ละนาฬิกาและอีกหนึ่งคำสั่งสำหรับแต่ละหน่วยดำเนินการจาก 3 หน่วย คำแนะนำไม่เป็นไปตามคำสั่งเพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น แต่ PC601 จะทำให้การดำเนินการเป็นไปตามลำดับ

โปรเซสเซอร์ Power PC601 จัดเตรียมแอดเดรสแบบโลจิคัล 32 บิต ชนิดข้อมูลจำนวนเต็ม 8, 16 และ 32 บิต และชนิดข้อมูลทศนิยม 32 และ 64 บิต สำหรับการใช้งาน PowerPC แบบ 64 บิต สถาปัตยกรรมของโปรเซสเซอร์นี้ให้ชนิดข้อมูลจำนวนเต็มแบบ 64 บิต การกำหนดแอดเดรส และคุณลักษณะอื่นๆ ที่จำเป็นเพื่อให้สถาปัตยกรรมแบบ 64 บิตเสร็จสมบูรณ์

มค88110

MC 88110 เป็นไมโครโปรเซสเซอร์ RISC รุ่นที่สองแบบชิปเดียวที่ใช้วิธีการขั้นสูงเพื่อใช้ประโยชน์จากการทำงานแบบคู่ขนานระดับคำสั่ง โปรเซสเซอร์นี้ใช้แคชบนชิปหลายตัว ปัญหาคำสั่งซูเปอร์สเกลาร์ การบันทึกคำสั่งไดนามิกที่จำกัด และการดำเนินการเชิงคาดเดาเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด จึงเหมาะอย่างยิ่งที่จะใช้เป็นโปรเซสเซอร์กลางภายในพีซีและเวิร์กสเตชันราคาประหยัด

อินเทล i960

Intel i960 เป็นโปรเซสเซอร์ระดับซูเปอร์สเกลาร์ซึ่งสามารถดำเนินการและส่งคำสั่งอิสระต่างๆ ในทุกรอบสัญญาณนาฬิกาของโปรเซสเซอร์ นี่คือไมโครโปรเซสเซอร์ที่ใช้ RISC ซึ่งมีชื่อเสียงมากในฐานะไมโครคอนโทรลเลอร์แบบฝังในช่วงต้นทศวรรษ 1990 โปรเซสเซอร์นี้ใช้อย่างต่อเนื่องในการใช้งานทางทหารสองสามอย่าง

MIPS อาร์

MIPS R เป็นไมโครโปรเซสเซอร์แบบไดนามิกและซูเปอร์สเกลาร์ที่ใช้ในการรันสถาปัตยกรรมชุดคำสั่ง MIPS 4 แบบ 64 บิต โปรเซสเซอร์นี้ดึงข้อมูลและถอดรหัส 4 คำสั่งสำหรับแต่ละรอบ และออกคำสั่งไปยังหน่วยดำเนินการแบบไพพ์ไลน์ที่สมบูรณ์และมีความหน่วงต่ำ 5 ชุด โปรเซสเซอร์นี้ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับแอปพลิเคชันประสิทธิภาพสูง ขนาดใหญ่ และในโลกแห่งความเป็นจริงที่มีพื้นที่หน่วยความจำน้อย ด้วยการดำเนินการโดยประมาณ มันเพียงคำนวณที่อยู่หน่วยความจำ โปรเซสเซอร์ MIPS ส่วนใหญ่ใช้ในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น Nintendo Gamecube, สายผลิตภัณฑ์ของ SGI, Sony Playstation 2, PSP และเราเตอร์ Cisco

ความแตกต่างระหว่าง B/W Superscalar กับการวางท่อ

ความแตกต่างระหว่าง superscalar และการวางท่อจะกล่าวถึงด้านล่าง

ลักษณะเฉพาะ

เดอะ คุณลักษณะของโปรเซสเซอร์ superscalar รวมสิ่งต่อไปนี้

• โปรเซสเซอร์ superscalar เป็นรุ่น super-pipelined ที่คำสั่งอิสระจะดำเนินการตามลำดับโดยไม่ต้องรอ
• โปรเซสเซอร์ระดับซูเปอร์สเกลาร์จะดึงข้อมูลและถอดรหัสหลายคำสั่งของสตรีมคำสั่งที่เข้ามาพร้อมกัน
• สถาปัตยกรรมของตัวประมวลผล superscalar ใช้ประโยชน์จากศักยภาพของการทำงานแบบคู่ขนานระดับคำสั่ง
• โปรเซสเซอร์ Superscalar ส่วนใหญ่จะออกคำสั่งเดียวข้างต้นสำหรับทุกรอบ
• หมายเลข คำสั่งที่ออกส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับคำสั่งภายในสตรีมคำสั่ง
• คำแนะนำจะถูกจัดลำดับใหม่บ่อยครั้งเพื่อให้เหมาะกับสถาปัตยกรรมของโปรเซสเซอร์มากขึ้น
• วิธี superscalar มักจะเกี่ยวข้องกับลักษณะการระบุบางอย่าง คำแนะนำจะออกตามปกติจากสตรีมคำสั่งตามลำดับ
• CPU ตรวจสอบแบบไดนามิกสำหรับการขึ้นต่อกันของข้อมูลระหว่างคำสั่งในขณะรันไทม์
• CPU ดำเนินการหลายคำสั่งสำหรับแต่ละรอบสัญญาณนาฬิกา

ข้อดีและข้อเสีย

เดอะ ข้อดีของโปรเซสเซอร์ superscalar รวมสิ่งต่อไปนี้

• โปรเซสเซอร์ superscalar ใช้การขนานระดับคำสั่งในโปรเซสเซอร์เดียว
• โปรเซสเซอร์เหล่านี้ทำขึ้นเพื่อใช้งานชุดคำสั่งใดๆ
• โปรเซสเซอร์ superscalar รวมถึงการคาดการณ์สาขาของการดำเนินการที่ไม่ได้อยู่ในลำดับ & การดำเนินการเชิงเก็งกำไรสามารถค้นหาความขนานเหนือบล็อกพื้นฐานและการวนซ้ำหลาย ๆ แบบ

เดอะ ข้อเสียของโปรเซสเซอร์ superscalar รวมสิ่งต่อไปนี้

• โปรเซสเซอร์ Superscalar ไม่ได้ใช้มากนักในระบบฝังตัวขนาดเล็กเนื่องจากการใช้พลังงาน
• ปัญหาเกี่ยวกับการจัดตารางเวลาสามารถเกิดขึ้นได้ในสถาปัตยกรรมนี้
• โปรเซสเซอร์ Superscalar ช่วยเพิ่มระดับความซับซ้อนในการออกแบบฮาร์ดแวร์
• คำสั่งในโปรเซสเซอร์นี้ดึงมาตามลำดับของโปรแกรมตามลำดับ แต่นี่ไม่ใช่คำสั่งดำเนินการที่ดีที่สุด

แอปพลิเคชั่นตัวประมวลผล Superscalar

แอปพลิเคชันของตัวประมวลผล superscalar มีดังต่อไปนี้

• การดำเนินการ superscalar มักใช้โดยแล็ปท็อปหรือเดสก์ท็อป โปรเซสเซอร์นี้เพียงแค่สแกนโปรแกรมที่กำลังทำงานเพื่อค้นหาชุดคำสั่งที่สามารถดำเนินการเป็นชุดเดียวได้
• โปรเซสเซอร์ superscalar ประกอบด้วยสำเนาฮาร์ดแวร์เส้นทางข้อมูลต่างๆ ซึ่งดำเนินการคำสั่งต่างๆ พร้อมกัน
• โปรเซสเซอร์นี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อสร้างความเร็วในการใช้งานที่เหนือหนึ่งคำสั่งสำหรับแต่ละรอบสัญญาณนาฬิกาสำหรับโปรแกรมลำดับเดียว

ดังนั้น ทั้งหมดนี้เป็นเรื่องเกี่ยวกับ ภาพรวมของโปรเซสเซอร์ superscalar – สถาปัตยกรรม ประเภท และการใช้งาน นี่คือคำถามสำหรับคุณ โปรเซสเซอร์สเกลาร์คืออะไร