Superskalär processor: arkitektur, rörledning, typer och dess tillämpningar

I den här världen vill alla få sina saker/arbeten gjorda snabbt. är det inte? Från bilar till industrimaskiner till hushållsmaskiner vill alla att de ska arbeta snabbare. Vet du vad som sitter inuti dessa maskiner som gör att de fungerar? Dom är processorer . De kan vara mikro- eller makroprocessorer beroende på funktionaliteten. Grundprocessorn utför i allmänhet en instruktioner per klockcykel. På ett sätt att förbättra sin bearbetningshastighet så att maskinerna kan förbättra sin hastighet kom till, den superskalär processor som har pipelining-algoritm för att göra det möjligt att utföra två instruktioner per klockcykel. Den uppfanns först av Seymour Crays CDC 6600 som uppfanns 1964 och förbättrades senare av Tjaden & Flynn 1970.

Den första kommersiella superskalära mikroprocessorn MC88100 utvecklades av Motorola 1988, senare introducerade Intel sin version I960CA 1989 och AMD 29000-serien 29050 1990.  För närvarande är den typiska superskalära processorn som används Intel Core i7-processorn Nehalems mikroarkitektur.

Även om implementeringarna av superskalär är på väg mot att öka komplexiteten. Utformningen av dessa processorer hänvisar normalt till en uppsättning metoder som tillåter en dators CPU att uppnå en genomströmning på över en instruktion för varje cykel medan ett enda sekventiellt program körs. Låt oss ytterligare se i den här artikeln SuperScalarprocessor-arkitekturen som minskar dess exekveringstid och dess applikationer.

Vad är Superscalar Processor?

En typ av mikroprocessor som används för att implementera en typ av parallellism som kallas instruktionsnivå parallellism i en enda processor för att exekvera mer än en instruktion under en CLK-cykel genom att samtidigt skicka olika instruktioner till speciella exekveringsenheter på processorn. A skalär processor exekverar en enda instruktion för varje klockcykel; en superskalär processor kan utföra mer än en instruktion under en klockcykel.

Utformningsteknikerna för superskalär omfattar normalt byte av parallellregister, avkodning av parallella instruktioner, exekvering i oordning och spekulativ exekvering. Så dessa metoder används normalt med kompletterande designmetoder som pipelining, grenprediktion, cachning och multi-core inom nuvarande design av mikroprocessorer.

Funktioner

Funktionerna hos superskalära processorer inkluderar följande.

• Superskalär arkitektur är en parallell beräkningsteknik som används i olika processorer.
• I en superskalär dator hanterar CPU flera instruktionspipelines för att utföra flera instruktioner samtidigt under en klockcykel.
• Superskalära arkitekturer inkluderar alla pipelining funktioner även om det finns flera instruktioner som körs samtidigt inom samma pipeline.
• Superskalära designmetoder innefattar normalt byte av parallellregister, avkodning av parallella instruktioner, spekulativ exekvering och exekvering i oordning. Så dessa metoder används normalt tillsammans med kompletterande designmetoder som cachning, pipelining, grenprediktion och multi-core i nyare mikroprocessordesigner.

Superskalär processorarkitektur

Vi vet att en superskalär processor är en CPU som exekverar över en instruktion för varje CLK-cykel eftersom bearbetningshastigheter helt enkelt mäts i CLK-cykler för varje sekund. Jämfört med en skalär processor är denna processor mycket snabbare.

Superskalär processorarkitektur inkluderar huvudsakligen parallella exekveringsenheter där dessa enheter kan implementera instruktioner samtidigt. Så först implementerades denna parallella arkitektur i en RISC-processor som använder enkla och korta instruktioner för att utföra beräkningar. Så på grund av deras superskalära förmågor, normalt RISK processorer har presterat bättre jämfört med CISC-processorer som körs på samma megahertz. Men de flesta CISC processorer som nu Intel Pentium innehåller också en del RISC-arkitektur, vilket gör att de kan utföra instruktioner parallellt.

Den superskalära processorn är utrustad med flera bearbetningsenheter för att hantera olika instruktioner parallellt i varje bearbetningssteg. Genom att använda ovanstående arkitektur startar ett antal instruktioner exekvering inom en liknande klockcykel. Dessa processorer är kapabla att erhålla en instruktionsexekveringsutmatning av ovanstående en instruktion för varje cykel.

I ovanstående arkitekturdiagram används en processor med två exekveringsenheter där en används för heltal och den andra används för flyttalsoperationer. Instruktionshämtningsenheten (IFU) kan läsa instruktioner åt gången och lagrar dem i instruktionskön. I varje cykel hämtar och avkodar leveransenheten upp till 2 instruktioner från köfronten. Om det finns ett enda heltal, enkel flyttalsinstruktion och inga faror, skickas båda instruktionerna inom en liknande klockcykel.

Rörledning

Pipelining är proceduren för att dela upp uppgifter i delsteg och utföra dem inom olika processordelar. I följande superskalära pipeline kan två instruktioner hämtas och skickas åt gången för att slutföra maximalt 2 instruktioner per cykel. Pipelining-arkitekturen i den skalära processorn och den superskalära processorn visas nedan.

Instruktionerna i en superskalär processor utfärdas från en sekventiell instruktionsström. Den måste tillåta flera instruktioner för varje klockcykel och CPU:n måste kontrollera dynamiskt för databeroende mellan instruktionerna.

I nedanstående pipeline-arkitektur hämtas F, D avkodas, E exekveras och W är registeråterskrivning. I denna pipeline-arkitektur är I1, I2, I3 & I4 instruktioner.

Den skalära processorns pipeline-arkitektur inkluderar en enda pipeline och fyra steg hämta, avkoda, exekvera och skriva tillbaka resultatet. I den skalära processorn för singelpipeline fungerar pipelinen i instruktion1 (I1) som; i den första klockperioden I1 kommer den att hämta, i den andra klockperioden kommer den att avkoda och i den andra instruktionen kommer I2 att hämta. Den tredje instruktionen I3 i den tredje klockperioden kommer att hämta, I2 kommer att avkoda och I1 kommer att exekvera. I den fjärde klockperioden kommer I4 att hämta, I3 kommer att avkoda, I2 kommer att exekvera och I1 kommer att skriva i minnet. Så under sju klockperioder kommer den att utföra 4 instruktioner i en enda pipeline.

Den superskalära processorns pipeline-arkitektur inkluderar två pipelines och fyra steg hämta, avkoda, exekvera och skriva tillbaka resultatet. Det är en superskalär processor med två frågor, vilket innebär att två instruktioner samtidigt hämtar, avkodar, exekverar och skriver tillbaka resultatet. De två instruktionerna I1 & I2 kommer åt gången att hämta, avkoda, exekvera och skriva tillbaka i varje klockperiod. Samtidigt under nästa klockperiod kommer de återstående två instruktionerna I3 & I4 samtidigt att hämta, avkoda, exekvera och skriva tillbaka. Så under fem klockperioder kommer den att utföra fyra instruktioner i en enda pipeline.

Således utfärdar en skalär processor en enda instruktion per klockcykel och utför ett enda pipelinesteg per klockcykel medan en superskalär processor utfärdar två instruktioner per klockcykel och den exekverar två instanser av varje steg parallellt. Så instruktionsexekveringen i en skalär processor tar mer tid medan det i en superskalär tar mindre tid att exekvera instruktioner .

Typer av superskalära processorer

Det här är olika typer av superskalära processorer tillgängliga på marknaden som diskuteras nedan.

Intel Core i7-processor

Intel core i7 är en superskalär processor som är baserad på Nehalem-mikroarkitekturen. I en Core i7-design finns det olika processorkärnor där varje processorkärna är en superskalär processor. Detta är den snabbaste versionen av Intel-processorn som används i konsumentdatorer och -enheter. I likhet med Intel Corei5 är denna processor inbäddad i Intel Turbo Boost Technology. Denna processor är tillgänglig i 2 till 6 varianter som stöder upp till 12 olika trådar samtidigt.

Intel Pentium-processor

Intel Pentium-processorns superskalära pipeline-arkitektur innebär att CPU:n exekverar minst två eller fler instruktioner för varje cykel. Denna processor används ofta i persondatorer. Intel Pentium-processorenheter är normalt byggda för onlineanvändning, molnberäkning och samarbete. Så den här processorn fungerar perfekt för surfplattor och Chromebooks för att ge stark lokal prestanda och effektiv onlineinteraktion.

IBM Power PC601

Den superskalära processorn som IBM power PC601 är från familjen PowerPC av RISC-mikroprocessorer. Denna processor kan utfärda såväl som återkalla tre instruktioner för varje klocka och en för var och en av de tre exekveringsenheterna. Instruktionerna är helt ur funktion för förbättrad prestanda; men PC601 kommer att få exekveringen att dyka upp i ordning.

Den kraftfulla PC601-processorn tillhandahåller 32-bitars logiska adresser, 8, 16 och 32 bitars heltalsdatatyper och 32 och 64 bitars flyttalsdatatyper. För implementering av 64-bitars PowerPC, tillhandahåller arkitekturen hos denna processor 64-bitarsbaserade heltalsdatatyper, adressering och andra funktioner som är nödvändiga för att fullborda den 64-bitarsbaserade arkitekturen.

MC 88110

MC 88110 är en enchips, andra generationens RISC-mikroprocessor som använder avancerade metoder för att utnyttja parallellism på instruktionsnivå. Den här processorn använder flera on-chip-cacher, superskalära instruktionsproblem, inspelning av begränsade dynamiska instruktioner och spekulativ exekvering, för att uppnå maximal prestanda så den används idealiskt som en central processor inom lågkostnadsdatorer och arbetsstationer.

Intel i960

Intel i960 är en superskalär processor som kan exekvera och skicka olika oberoende instruktioner under varje processorklockcykel. Detta är en RISC-baserad mikroprocessor som blev mycket känd som en inbyggd mikrokontroller under början av 1990-talet. Denna processor används kontinuerligt i ett fåtal militära tillämpningar.

MIPS R

MIPS R är en dynamisk och superskalär mikroprocessor som används för att exekvera 64-bitars MIPS 4-instruktionsuppsättningsarkitektur. Den här processorn hämtar och avkodar fyra instruktioner för varje cykel och utfärdar dem till fem fullständigt pipelinerade exekveringsenheter med låg latens. Denna processor är speciellt designad för högpresterande, stora och verkliga applikationer med dålig minneslokalitet. Med ungefärlig utförande beräknar den helt enkelt minnesadresser. MIPS-processorer används främst i olika enheter som Nintendo Gamecube, SGI:s produktlinje, Sony Playstation 2, PSP & Cisco-routrarna.

Skillnad B/W Superscalar Vs Pipelining

Skillnaden mellan superskalär och pipelining diskuteras nedan.

Egenskaper

De superskalära processoregenskaper inkluderar följande.

• En superskalär processor är en superpipelined modell där helt enkelt de oberoende instruktionerna utförs i serie utan någon väntesituation.
• En superskalär processor hämtar och avkodar åt gången flera instruktioner från den inkommande instruktionsströmmen.
• Arkitekturen hos superskalära processorer utnyttjar potentialen för parallellism på instruktionsnivå.
• Superskalära processorer utfärdar huvudsakligen ovanstående instruktion för varje cykel.
• Nejet. hur många instruktioner som ges beror huvudsakligen på instruktionerna i instruktionsströmmen.
• Instruktionerna ordnas ofta om för att bättre passa processorns arkitektur.
• Den superskalära metoden är vanligtvis förknippad med vissa identifierande egenskaper. Instruktioner utfärdas normalt från en sekventiell instruktionsström.
• CPU:n kontrollerar dynamiskt efter databeroende mellan instruktioner vid körning.
• CPU:n utför flera instruktioner för varje klockcykel.

Fördelar och nackdelar

De fördelarna med den superskalära processorn inkluderar följande.

• En superskalär processor implementerar parallellism på instruktionsnivå i en enda processor.
• Dessa processorer är helt enkelt gjorda för att utföra vilken instruktionsuppsättning som helst.
• Den superskalära processorn, inklusive förutsägelse av exekveringsgrenar i oordning och spekulativ exekvering, kan helt enkelt hitta parallellism över flera grundläggande block & loop-iterationer.

De nackdelar med den superskalära processorn inkluderar följande.

• Superskalära processorer används inte mycket i små inbyggda system på grund av strömförbrukning.
• Problemet med schemaläggning kan uppstå i den här arkitekturen.
• Superskalär processor ökar komplexitetsnivån i utformningen av hårdvara.
• Instruktionerna i denna processor hämtas helt enkelt baserat på deras sekventiella programordning, men detta är inte den bästa exekveringsordningen.

Superskalära processorapplikationer

Tillämpningarna av en superskalär processor inkluderar följande.

• Den superskalära exekveringen används ofta av en bärbar dator eller stationär dator. Denna processor skannar helt enkelt programmet som körs för att upptäcka uppsättningar av instruktioner som kan köras som en.
• En superskalär processor inkluderar olika hårdvarukopior av datavägar som exekverar olika instruktioner på en gång.
• Denna processor är huvudsakligen utformad för att generera en implementeringshastighet på över en instruktion för varje klockcykel för ett enda sekventiellt program.

Alltså handlar det här om en översikt över den superskalära processorn – arkitektur, typer och applikationer. Här är en fråga till dig, vad är den skalära processorn?