Bộ xử lý siêu vô hướng: Kiến trúc, Đường ống, Các loại & Ứng dụng của nó

Trên thế giới này, mọi người đều muốn hoàn thành công việc/công việc của mình một cách nhanh chóng. Phải không? Từ Ô tô đến máy móc công nghiệp đến gia dụng ai cũng muốn chúng hoạt động nhanh hơn. Bạn có biết thứ gì bên trong những cỗ máy này khiến chúng hoạt động không? họ đang bộ vi xử lý . Chúng có thể là bộ xử lý vi mô hoặc vĩ mô tùy thuộc vào chức năng. Bộ xử lý cơ bản nói chung thực hiện một lệnh trên mỗi chu kỳ xung nhịp. Để cải thiện tốc độ xử lý của chúng để các máy có thể cải thiện tốc độ của chúng ra đời là, bộ xử lý siêu vô hướng trong đó có thuật toán đường ống để cho phép nó thực hiện hai lệnh trên mỗi chu kỳ đồng hồ. Nó lần đầu tiên được phát minh bởi Seymour Cray's CDC 6600 được phát minh vào năm 1964 và sau đó được Tjaden & Flynn cải tiến vào năm 1970.

Bộ vi xử lý siêu vô hướng đơn chip thương mại đầu tiên MC88100 được Motorola phát triển vào năm 1988, sau đó Intel giới thiệu phiên bản I960CA vào năm 1989 và AMD 29000-series 29050 vào năm 1990.  Hiện tại, bộ xử lý siêu vô hướng điển hình được sử dụng là bộ xử lý Intel Core i7 tùy thuộc vào vi kiến ​​trúc Nehalem.

Mặc dù vậy, việc triển khai siêu vô hướng đang hướng tới việc nâng cao độ phức tạp. Thiết kế của những bộ xử lý này thường đề cập đến một tập hợp các phương pháp cho phép CPU của máy tính đạt được thông lượng của một lệnh trên cho mỗi chu kỳ trong khi thực hiện một chương trình tuần tự. Trong bài viết này, chúng ta hãy xem thêm kiến ​​trúc SuperScalarprocessor giúp giảm thời gian thực hiện và các ứng dụng của nó.

Bộ xử lý siêu vô hướng là gì?

Một loại bộ vi xử lý được sử dụng để triển khai một loại song song được gọi là song song cấp lệnh trong một bộ xử lý để thực thi nhiều hơn một lệnh trong chu kỳ CLK bằng cách gửi đồng thời nhiều lệnh khác nhau đến các đơn vị thực thi đặc biệt trên bộ xử lý. Một bộ xử lý vô hướng thực hiện lệnh duy nhất cho mỗi chu kỳ đồng hồ; một bộ xử lý siêu vô hướng có thể thực hiện nhiều hơn một lệnh trong một chu kỳ đồng hồ.

Các kỹ thuật thiết kế của siêu vô hướng thường bao gồm đổi tên thanh ghi song song, giải mã lệnh song song, thực thi không theo thứ tự và thực hiện suy đoán. Vì vậy, các phương pháp này thường được sử dụng với các phương pháp thiết kế bổ sung như đường ống, dự đoán nhánh, bộ nhớ đệm & đa lõi trong các thiết kế bộ vi xử lý hiện tại.

Đặc trưng

Các tính năng của bộ xử lý siêu vô hướng bao gồm những điều sau đây.

• Kiến trúc siêu vô hướng là một kỹ thuật tính toán song song được sử dụng trong các bộ xử lý khác nhau.
• Trong một máy tính siêu vô hướng, CPU quản lý một số đường dẫn lệnh để thực hiện đồng thời nhiều lệnh trong một chu kỳ đồng hồ.
• Kiến trúc siêu vô hướng bao gồm tất cả đường ống các tính năng mặc dù có một số hướng dẫn thực thi đồng thời trong cùng một đường ống.
• Các phương pháp thiết kế siêu vô hướng thường bao gồm đổi tên thanh ghi song song, giải mã lệnh song song, thực thi suy đoán & thực thi không theo thứ tự. Vì vậy, các phương pháp này thường được sử dụng với các phương pháp thiết kế bổ sung như bộ nhớ đệm, đường ống dẫn, dự đoán nhánh & đa lõi trong các thiết kế bộ vi xử lý gần đây.

Kiến trúc bộ xử lý siêu vô hướng

Chúng tôi biết rằng bộ xử lý siêu vô hướng là CPU thực hiện một lệnh trên cho mỗi chu kỳ CLK vì tốc độ xử lý được đo đơn giản bằng chu kỳ CLK cho mỗi giây. So với bộ xử lý vô hướng, bộ xử lý này rất nhanh.

Kiến trúc bộ xử lý siêu vô hướng chủ yếu bao gồm các đơn vị thực thi song song, nơi các đơn vị này có thể thực hiện các lệnh đồng thời. Vì vậy, trước tiên, kiến ​​trúc song song này được triển khai trong bộ xử lý RISC sử dụng các lệnh đơn giản & ngắn gọn để thực hiện các phép tính. Vì vậy, do khả năng siêu vô hướng của chúng, thông thường ĐẶT VÀO MAY RỦI bộ xử lý đã hoạt động tốt hơn so với bộ xử lý CISC chạy ở cùng một megahertz. Nhưng, hầu hết CISC các bộ xử lý hiện nay như Intel Pentium cũng bao gồm một số kiến ​​trúc RISC, cho phép chúng thực hiện các lệnh song song.

Bộ xử lý siêu vô hướng được trang bị một số đơn vị xử lý để xử lý song song các lệnh khác nhau trong mọi giai đoạn xử lý. Bằng cách sử dụng kiến ​​trúc trên, một số lệnh bắt đầu thực hiện trong một chu kỳ đồng hồ tương tự. Các bộ xử lý này có khả năng thu được đầu ra thực thi lệnh của một lệnh trên cho mỗi chu kỳ.

Trong sơ đồ kiến ​​trúc trên, một bộ xử lý được sử dụng với hai đơn vị thực thi trong đó một đơn vị được sử dụng cho số nguyên và đơn vị kia được sử dụng cho các hoạt động của dấu phẩy động. Đơn vị tìm nạp lệnh (IFU) có khả năng đọc lệnh tại một thời điểm và lưu trữ chúng trong hàng đợi lệnh. Trong mỗi chu kỳ, đơn vị điều phối tìm nạp & giải mã tối đa 2 lệnh từ phía trước hàng đợi. Nếu có một số nguyên duy nhất, hướng dẫn dấu phẩy động duy nhất & không có mối nguy hiểm nào, thì cả hai hướng dẫn đều được gửi đi trong một chu kỳ đồng hồ tương tự.

đường ống dẫn

Pipelining là quy trình chia nhỏ các tác vụ thành các bước phụ và thực hiện chúng trong các bộ phận khác nhau của bộ xử lý. Trong đường ống siêu vô hướng sau đây, hai lệnh có thể được tìm nạp và gửi đi cùng một lúc để hoàn thành tối đa 2 lệnh trong mỗi chu kỳ. Kiến trúc đường ống trong bộ xử lý vô hướng và bộ xử lý siêu vô hướng được hiển thị bên dưới.

Các lệnh trong bộ xử lý siêu vô hướng được đưa ra từ một luồng lệnh tuần tự. Nó phải cho phép nhiều lệnh cho mỗi chu kỳ xung nhịp và CPU phải tự động kiểm tra các phụ thuộc dữ liệu giữa các lệnh.

Trong kiến ​​trúc đường ống bên dưới, F được tìm nạp, D được giải mã, E được thực thi và W là ghi lại thanh ghi,. Trong kiến ​​trúc đường ống này, I1, I2, I3 & I4 là các hướng dẫn.

Kiến trúc đường ống bộ xử lý vô hướng bao gồm một đường ống đơn và bốn giai đoạn tìm nạp, giải mã, thực thi và ghi lại kết quả. Trong bộ xử lý vô hướng đường ống đơn, đường ống trong lệnh1 (I1) hoạt động như; trong khoảng thời gian đồng hồ đầu tiên I1, nó sẽ tìm nạp, trong khoảng thời gian đồng hồ thứ hai, nó sẽ giải mã và trong lệnh thứ hai, I2 sẽ tìm nạp. Lệnh thứ ba I3 trong khoảng thời gian đồng hồ thứ ba sẽ tìm nạp, I2 sẽ giải mã và I1 sẽ thực thi. Trong chu kỳ đồng hồ thứ tư, I4 sẽ tìm nạp, I3 sẽ giải mã, I2 sẽ thực thi và I1 sẽ ghi vào bộ nhớ. Vì vậy, trong bảy chu kỳ đồng hồ, nó sẽ thực hiện 4 lệnh trong một đường dẫn đơn.

Kiến trúc đường ống của bộ xử lý siêu vô hướng bao gồm hai đường ống và bốn giai đoạn tìm nạp, giải mã, thực thi và ghi lại kết quả. Nó là bộ xử lý siêu vô hướng 2 vấn đề, có nghĩa là tại một thời điểm, hai lệnh sẽ tìm nạp, giải mã, thực thi và ghi lại kết quả. Hai hướng dẫn I1 & I2 sẽ tìm nạp, giải mã, thực hiện và ghi lại trong mỗi chu kỳ đồng hồ. Đồng thời trong khoảng thời gian đồng hồ tiếp theo, hai lệnh còn lại I3 & I4 sẽ tìm nạp, giải mã, thực hiện và ghi lại tại một thời điểm. Vì vậy, trong năm chu kỳ đồng hồ, nó sẽ thực hiện 4 lệnh trong một đường dẫn đơn.

Do đó, bộ xử lý vô hướng đưa ra một lệnh duy nhất trên mỗi chu kỳ đồng hồ và thực hiện một giai đoạn đường ống duy nhất trên mỗi chu kỳ đồng hồ trong khi bộ xử lý siêu vô hướng, đưa ra hai lệnh trên mỗi chu kỳ đồng hồ và nó thực thi song song hai phiên bản của từng giai đoạn. Vì vậy, việc thực thi lệnh trong bộ xử lý vô hướng mất nhiều thời gian hơn trong khi ở bộ siêu vô hướng, thời gian thực hiện lệnh sẽ ít hơn .

Các loại bộ xử lý siêu vô hướng

Đây là các loại bộ xử lý siêu vô hướng khác nhau có sẵn trên thị trường sẽ được thảo luận bên dưới.

Bộ vi xử lý Intel Core i7

Intel core i7 là bộ xử lý siêu vô hướng dựa trên vi kiến ​​trúc Nehalem. Trong thiết kế Core i7, có nhiều lõi bộ xử lý khác nhau trong đó mỗi lõi bộ xử lý là một bộ xử lý siêu vô hướng. Đây là phiên bản nhanh nhất của bộ xử lý Intel được sử dụng trong máy tính và thiết bị tiêu dùng cuối. Tương tự như Intel Corei5, bộ xử lý này được nhúng trong Công nghệ Intel Turbo Boost. Bộ xử lý này có thể truy cập từ 2 đến 6 loại hỗ trợ tối đa 12 luồng khác nhau cùng một lúc.

Bộ xử lý Intel Pentium

Kiến trúc đường ống siêu vô hướng của bộ xử lý Intel Pentium có nghĩa là CPU thực thi tối thiểu hai lệnh trở lên cho mỗi chu kỳ. Bộ xử lý này được sử dụng rộng rãi trong các máy tính cá nhân. Các thiết bị bộ xử lý Intel Pentium thường được thiết kế để sử dụng trực tuyến, điện toán đám mây và cộng tác. Vì vậy, bộ xử lý này hoạt động hoàn hảo cho máy tính bảng và Chromebook để cung cấp hiệu suất cục bộ mạnh mẽ và tương tác trực tuyến hiệu quả.

IBM điện PC601

Bộ xử lý siêu vô hướng như IBM power PC601 thuộc họ PowerPC của bộ vi xử lý RISC. Bộ xử lý này có khả năng phát hành cũng như hủy bỏ ba lệnh cho mỗi đồng hồ và một lệnh cho mỗi trong số 3 đơn vị thực thi. Các hướng dẫn hoàn toàn không phù hợp để cải thiện hiệu suất; nhưng, PC601 sẽ thực hiện theo thứ tự.

Bộ xử lý PC601 mạnh mẽ cung cấp các địa chỉ logic 32 bit, các kiểu dữ liệu số nguyên 8, 16 & 32 bit và các kiểu dữ liệu dấu chấm động 32 & 64 bit. Để triển khai PowerPC 64 bit, kiến ​​trúc của bộ xử lý này cung cấp các loại dữ liệu số nguyên dựa trên 64 bit, địa chỉ & các tính năng khác cần thiết để hoàn thành kiến ​​trúc dựa trên 64 bit.

MC 88110

MC 88110 là bộ vi xử lý RISC thế hệ thứ hai, đơn chip, sử dụng các phương pháp tiên tiến để khai thác tính song song ở mức lệnh. Bộ xử lý này sử dụng nhiều bộ nhớ đệm trên chip, xử lý các vấn đề về lệnh siêu vô hướng, ghi lại lệnh động hạn chế và thực thi theo suy đoán, để đạt được hiệu suất tối đa, vì vậy, bộ xử lý này lý tưởng được sử dụng làm bộ xử lý trung tâm trong các PC và máy trạm giá rẻ.

i960

Intel i960 là bộ xử lý siêu vô hướng có khả năng thực thi và gửi các lệnh độc lập khác nhau trong mỗi chu kỳ xung nhịp của bộ xử lý. Đây là bộ vi xử lý dựa trên RISC đã trở nên rất nổi tiếng như một bộ vi điều khiển nhúng vào đầu những năm 1990. Bộ xử lý này được sử dụng liên tục trong một vài ứng dụng quân sự.

MIPS R

MIPS R là bộ vi xử lý động & siêu vô hướng được sử dụng để thực thi kiến ​​trúc bộ lệnh MIPS 4 bit 64 bit. Bộ xử lý này tìm nạp & giải mã 4 lệnh cho mỗi chu kỳ và gửi chúng tới năm đơn vị thực thi hoàn chỉnh theo đường ống và có độ trễ thấp. Bộ xử lý này được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng hiệu suất cao, lớn và trong thế giới thực với vị trí bộ nhớ kém. Với cách thực thi gần đúng, nó chỉ tính toán địa chỉ bộ nhớ. Bộ xử lý MIPS chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị khác nhau như Nintendo Gamecube, dòng sản phẩm của SGI, Sony Playstation 2, bộ định tuyến PSP & Cisco.

Sự khác biệt giữa B/W Superscalar Vs Pipelining

Sự khác biệt giữa superscalar và pipelining được thảo luận dưới đây.

Đặc trưng

Các đặc điểm bộ xử lý siêu vô hướng bao gồm những điều sau đây.

• Bộ xử lý siêu vô hướng là một mô hình siêu đường ống, trong đó chỉ đơn giản là các lệnh độc lập được thực hiện tuần tự mà không có bất kỳ tình huống chờ đợi nào.
• Bộ xử lý siêu vô hướng tìm nạp và giải mã cùng lúc một số lệnh của luồng lệnh đến.
• Kiến trúc của bộ xử lý siêu vô hướng khai thác tiềm năng của tính song song ở cấp độ hướng dẫn.
• Bộ xử lý siêu vô hướng chủ yếu đưa ra lệnh đơn ở trên cho mọi chu kỳ.
• Không. của các hướng dẫn được ban hành chủ yếu phụ thuộc vào các hướng dẫn trong luồng hướng dẫn.
• Các hướng dẫn thường xuyên được sắp xếp lại để phù hợp hơn với kiến ​​trúc của bộ xử lý.
• Phương pháp siêu vô hướng thường gắn với một số đặc điểm nhận dạng. Các hướng dẫn thường được phát hành từ một luồng hướng dẫn tuần tự.
• CPU tự động kiểm tra các phụ thuộc dữ liệu giữa các lệnh trong thời gian chạy.
• CPU thực hiện nhiều lệnh cho mỗi chu kỳ xung nhịp.

Ưu điểm và nhược điểm

Các Ưu điểm của bộ xử lý siêu vô hướng bao gồm những điều sau đây.

• Một bộ xử lý siêu vô hướng thực hiện song song mức lệnh trong một bộ xử lý.
• Các bộ xử lý này được tạo ra đơn giản để thực hiện bất kỳ tập lệnh nào.
• Bộ xử lý siêu vô hướng bao gồm dự đoán nhánh thực thi không theo thứ tự & thực thi suy đoán có thể chỉ cần tìm tính song song trên một số khối cơ bản và lặp lại vòng lặp.

Các Nhược điểm của bộ xử lý siêu vô hướng bao gồm những điều sau đây.

• Bộ xử lý siêu vô hướng không được sử dụng nhiều trong các hệ thống nhúng nhỏ do sử dụng nhiều năng lượng.
• Vấn đề lập lịch có thể xảy ra trong kiến ​​trúc này.
• Bộ xử lý siêu vô hướng nâng cao mức độ phức tạp trong thiết kế phần cứng.
• Các hướng dẫn trong bộ xử lý này được tìm nạp đơn giản dựa trên thứ tự chương trình tuần tự của chúng nhưng đây không phải là thứ tự thực thi tốt nhất.

Ứng dụng bộ xử lý siêu vô hướng

Các ứng dụng của bộ xử lý siêu vô hướng bao gồm những ứng dụng sau.

• Việc thực thi siêu vô hướng thường được sử dụng bởi máy tính xách tay hoặc máy tính để bàn. Bộ xử lý này chỉ cần quét chương trình đang thực thi để khám phá các bộ hướng dẫn có thể được thực thi như một.
• Một bộ xử lý siêu vô hướng bao gồm các bản sao phần cứng đường dẫn dữ liệu khác nhau để thực hiện các lệnh khác nhau cùng một lúc.
• Bộ xử lý này chủ yếu được thiết kế để tạo ra tốc độ thực hiện cao hơn một lệnh cho mỗi chu kỳ đồng hồ cho một chương trình tuần tự.

Vì vậy, đây là tất cả về tổng quan về bộ xử lý siêu vô hướng – kiến ​​trúc, các loại và ứng dụng. Đây là một câu hỏi dành cho bạn, bộ xử lý vô hướng là gì?