Bet kuri procesoriaus instrukcija turi kelis savo veikimo etapus. Kiekvienam iš šių etapų reikia vieno procesoriaus ciklo. Šie etapai yra instrukcijų gavimas, instrukcijų dekodavimas, vykdymas, prieiga prie atminties ir įrašymas. Atitinkamai jie gauna nurodymą, kurį reikia užpildyti, atskiria operaciją nuo valdomų reikšmių įjungę, vykdykite procesą, atidarykite registrą, kuriame bus rašomas rezultatas, ir įrašykite rezultatą į atidarytą Registruotis.
Istoriniai tvarkingi procesoriai
Ankstyvuosiuose kompiuteriuose CPU nenaudojo instrukcijų vamzdyno. Šiuose procesoriuose kiekviena vieno ciklo operacija turėjo įvykti kiekvienai komandai. Tai reiškė, kad prireikė penkių laikrodžio ciklų, kad vidutinė instrukcija būtų visiškai apdorota, kol buvo galima pradėti kitą. Kai kurioms operacijoms gali nereikėti įrašyti rezultato į registrą, o tai reiškia, kad prieigos prie atminties ir įrašymo etapus galima praleisti.
Vis dėlto kyla problemų, kai vykdoma visa instrukcija prieš pereinant prie kitos instrukcijos. Problema yra talpyklos praleidimas. Centrinis procesorius saugo duomenis, kuriuos jis aktyviai apdoroja, registre. Tai galima pasiekti naudojant vieno ciklo delsą. Problema ta, kad registras yra mažas, nes jis yra įmontuotas procesoriaus šerdyje. CPU turi pereiti į didesnę, bet lėtesnę L1 talpyklą, jei duomenys dar nebuvo įkelti. Jei jo nėra, jis vėl turi pereiti į didesnę ir lėtesnę L2 talpyklą. Kitas žingsnis yra L3 talpykla; paskutinė parinktis yra sistemos RAM. Kiekvienai iš šių parinkčių patikrinti reikia vis daugiau procesoriaus ciklų.
Dabar šis papildomas delsos laikas gali būti didelė problema sistemoje, kuri prieš pradedant kitą komandą turi įvykdyti kiekvieną komandą iki galo. Tai, kas anksčiau buvo 5 ciklų per komandą procesorius, staiga gali užstrigti nuo vienos instrukcijos dešimtims ar šimtams laikrodžio ciklų. Visą tą laiką kompiuteryje nieko daugiau negali atsitikti. Techniškai tai galima šiek tiek palengvinti turint du nepriklausomus branduolius. Tačiau niekas netrukdo jiems abiems daryti tą patį, galbūt vienu metu. Taigi, einant kelių branduolių keliu, tai neišsprendžiama.
Klasikinis RISC vamzdynas
RISC reiškia sumažintų instrukcijų rinkinio kompiuterį. Tai procesoriaus dizaino stilius, optimizuojantis našumą palengvinant kiekvienos instrukcijos dekodavimą. Tai palyginti su CISC arba sudėtingų instrukcijų rinkinių kompiuteriu, kuris sukuria sudėtingesnius instrukcijų rinkinius, leidžiančius toms pačioms užduotims atlikti mažiau instrukcijų.
Klasikinis RISC dizainas apima instrukcijų vamzdyną. Užuot paleidus bet kurį iš penkių instrukcijų etapų bet kuriame cikle, konvejeris leidžia atlikti visus penkis etapus. Žinoma, jūs negalite paleisti visų penkių vienos instrukcijos etapų cikle. Tačiau į eilę galite sudėti penkias instrukcijas iš eilės su poslinkiu po vieną etapą. Tokiu būdu kiekvieną laikrodžio ciklą galima atlikti naują nurodymą. Siūlomas 5 kartus didesnis našumas, palyginti su nedideliu branduolio sudėtingumo padidėjimu.
Procesoriai, kurie neturi konvejerio, visada gali būti tik subskaliariniai, nes jie negali vykdyti vienos visos instrukcijos per ciklą. Naudodami šį pagrindinį penkių pakopų konvejerį galite sukurti skaliarinį procesorių, kuris gali atlikti kiekvieno proceso nurodymus. Sukūrę dar platesnius vamzdynus, galite sukurti superskaliarinius procesorius, kurie gali vykdyti daugiau nei vieną komandą per laikrodžio ciklą. Žinoma, vis dar yra galimų problemų.
Vis tiek nuosekliai
Nė vienas iš šių dalykų neišsprendžia atsakymo laukimo daug ciklų, kai reikia pateikti užklausą dėl skirtingų talpyklos ir RAM lygių. Tai taip pat kelia naują problemą. Ką daryti, jei viena instrukcija remiasi ankstesnės instrukcijos išvestimi? Šios problemos išsprendžiamos savarankiškai naudojant pažangų dispečerį. Ji kruopščiai suplanuoja vykdymo tvarką, kad jokios instrukcijos, kurios remiasi kito išvestimi, nebūtų per arti viena kitos. Jis taip pat tvarko talpyklos praleidimus, pastatydamas nurodymą ir pakeisdamas jį į kitą instrukcijas, kurios yra paruoštos paleisti ir nereikalauja jos rezultato, atnaujindamos nurodymą, kai jis bus pasiruošę.
Šie sprendimai gali veikti nekonvejeriniuose procesoriuose, tačiau jie reikalingi superskaliariniam procesoriui, kuris vykdo daugiau nei vieną instrukciją per laikrodį. Šakos numatytojas taip pat labai naudingas, nes gali bandyti numatyti nurodymo, turinčio daugiau nei vieną galimą rezultatą, rezultatą ir toliau daryti prielaidą, kad jis teisingas, nebent būtų įrodyta kitaip.
Išvada
Dujotiekis leidžia naudoti visas skirtingas procesoriaus galimybes kiekviename cikle. Tai daroma vienu metu vykdydama skirtingus skirtingų instrukcijų etapus. Tai net neprideda daug sudėtingumo procesoriaus dizainui. Tai taip pat sudaro sąlygas leisti daugiau nei vienai instrukcijai atlikti vieną etapą per ciklą.