Çfarë është Ekzekutimi jashtë Rendit?

Kompjuterët janë makineri komplekse pa asnjë pjesë më komplekse se CPU. Në një nivel të përgjithshëm të përgjithshëm, duket sikur CPU duhet të jetë relativisht i thjeshtë. Ai merr një sërë komandash, i përpunon ato dhe më pas nxjerr të dhënat. Megjithatë, kjo ka pak ngjashmëri me funksionimin aktual të CPU-ve moderne.

Nën-skalar në super-skalar

CPU-të e hershme ishin pikërisht ashtu siç prisnit. Ata i morën udhëzimet individualisht, sipas radhës që iu dhanë, i përpunuan deri në përfundim, pastaj kaluan në udhëzimin tjetër. CPU-të e këtij lloji ishin nën-skalar, në gjendje të plotësonin më pak se një instruksion për cikël orësh. Dizajnerët e CPU-së identifikuan se kishte shumë faza të ndryshme të plotësimit të një udhëzimi. Secila prej këtyre fazave kërkonte pajisje të ndryshme. Kjo do të thoshte që kur ekzekutohej një udhëzim i vetëm në të gjithë sekuencën në të njëjtën kohë, disa pjesë të harduerit qëndruan boshe. Në çdo lloj procesori, pajisja në punë është një pajisje e padobishme.

Për të përdorur këtë pajisje të papunë, dizajnet e CPU-së u përditësuan për të përdorur një qasje tubacioni. Kjo ndau më tej harduerin për secilën fazë, por lejoi që të gjithë të përdoren në të njëjtën kohë nga një sërë udhëzimesh. Ndërsa u deshën ende disa cikle që çdo instruksion të kalonte përmes tubacionit, xhiroja e përgjithshme ishte një instruksion për cikël. Kjo i bëri CPU-të skalare.

Për të qenë në gjendje të bënin më shumë, procesorët duhej të bëheshin super-skalorë. Për të arritur këtë, u zbatuan tubacione të shumta paralele.

Mbajtja e tubacioneve të ushqyer me të dhëna

Problemi kryesor i performancës me kompjuterët është zakonisht vonesa e kujtesës. Shumë instruksione funksionojnë mbi të dhëna, dhe kështu që të dhënat duhet të jenë të disponueshme që udhëzimi të ekzekutohet. Pyetja është, çfarë të bëni nëse duhet të prisni për ato të dhëna sepse nuk janë menjëherë të disponueshme? Tradicionalisht, përgjigjja ishte thjesht të ngecesh dhe të prisje që ajo të bëhej e disponueshme. Kjo e lë të gjithë tubacionin bosh, potencialisht për qindra cikle CPU. Gjërat përkeqësohen edhe më shumë kur dy udhëzime në tubacione paralele duhet të presin për kujtesën, pasi i pari do të mbajë edhe kërkesën për të dhënat e të dytit. Ndërsa memoria e memories së CPU mund të ndihmojë në adresimin e këtij problemi, ajo ende nuk mund ta rregullojë atë. Duhej një paradigmë e re për ta zgjidhur atë. Ky ndryshim i paradigmës ishte Ekzekutimi jashtë rregullit ose OOO.

Faza e parë e një tubacioni është deshifrimi i instruksionit. Kjo do të thotë të përpunosh se çfarë duhet bërë dhe të verifikosh nëse të dhënat e nevojshme për operacionin janë të disponueshme. Në një CPU të OOO, udhëzimet e deshifruara shtohen në një radhë. Ato hiqen nga radha dhe përpunohen në të vërtetë kur të dhënat që u nevojiten janë të disponueshme. Në mënyrë kritike, nuk ka rëndësi se çfarë rendi u shtuan udhëzimet në radhë. Nëse një udhëzim i hershëm është duke pritur për të dhëna, një udhëzim më i fundit mund të kalojë përpara nëse është gati për të shkuar. Përpunuesit e OOO mund të rirenditin instruksionet që duhet të përpunojnë bazuar në radhën e udhëzimeve të ardhshme dhe cilat prej tyre janë gati për ekzekutim.

Varësi kritike

Ky proces supozon dy gjëra. Para së gjithash, se është e mundur të identifikohen dhe trajtohen me besueshmëri varësitë e vërteta. Së dyti që ju mund të trajtoni dhe identifikoni me besueshmëri varësitë e rreme. Qfare eshte dallimi? Epo, një varësi e vërtetë është një varësi që nuk mund të zbutet fare në një sistem OOO. Shembulli më i lehtë është leximi pas shkrimit. Nëse keni një udhëzim që supozohet të shkruajë disa të dhëna dhe një tjetër që supozohet t'i lexojë ato të dhëna, nuk ka asnjë mënyrë që të mund t'i rirenditni ato udhëzime. Ato duhet të plotësohen sipas radhës në të cilën janë paraqitur, përndryshe do të merrni të dhëna të pakuptimta.

Një varësi e rreme është ajo që mund të fshihet me një mashtrim tjetër të zgjuar. Le të marrim shembullin e shkrimit-pas-leximit. Në shikim të parë, mund të mendoni se nuk mund t'i rishkruani të dhënat para se t'i lexoni. Megjithatë gjërat nuk janë aq të thjeshta. Po sikur të keni një vend tjetër ku mund të shkruani të dhënat e reja, dhe më pas mund të ndërroni të dhënat e reja dhe të vjetra pasi të jenë lexuar të dhënat e vjetra? Ky është procesi i riemërtimit të regjistrit dhe është kritik për përpunimin e OOO.

Në mënyrë tipike, një grup instruksionesh përcakton një numër të caktuar regjistrash arkitektonikë që përdoren në sistem. Ju fjalë për fjalë nuk mund t'i drejtoheni askujt tjetër. Por, çka nëse bëni regjistra të mbiprodhimit? Ju thjesht mund t'i fshehni ato në pjesën më të madhe, t'i përdorni për të ruajtur të dhëna që nuk duhej të ishin përpunuar ende, dhe më pas thjesht të ndërroni etiketat e regjistrave të fshehur dhe arkitektonik kur afati kohor të jetë përsëri i saktë. Në çdo kohë, ekziston sasia e saktë e duhur e regjistrave arkitekturorë, ata thjesht nuk janë domosdoshmërisht gjithmonë në të njëjtin vend. Një analogji e botës reale do të ishte e nxehtë.

konkluzioni

Ekzekutimi jashtë rendit është një paradigmë përpunimi ku instruksionet mund të rirenditen në mënyrë dinamike në kohën e ekzekutimit nga CPU. Kjo bëhet në bazë të udhëzimeve më të hershme të lëshuara që kanë të dhëna në dispozicion. Kjo do të thotë që udhëzimet që ngarkohen në tubacion janë gjithmonë gati për t'u ekzekutuar dhe nuk ka vonesa gjatë pritjes së të dhënave. Sigurisht, është e nevojshme të kemi një radhë mjaft të gjatë që të mos mbushet me udhëzime në pritje të të dhënave, por kjo është një sfidë zbatimi. Ekzekutimi i OOO mbështetet në riemërtimin e regjistrit për të fshehur varësitë e rreme. Edhe nëse këto udhëzime janë ekzekutuar në të vërtetë jashtë rregullit, regjistrat riemërohen në atë mënyrë që të fshehin këtë fakt nga pjesa tjetër e kompjuterit.