Hvað er leiðbeiningarleiðsla?

Sérhver kennsla fyrir örgjörva hefur mörg stig í rekstri sínum. Hvert og eitt þessara þrepa tekur eina örgjörvalotu til að ljúka. Þessi stig eru leiðbeiningar sækja, leiðbeiningar afkóða, keyra, aðgangur að minni og afritun. Þessir fá leiðbeiningarnar sem þarf að klára, aðgreina aðgerðina frá gildunum sem verið er að reka á, framkvæma ferlið, opna skrána sem niðurstaðan verður skrifuð á og skrifa niðurstöðuna í opna skrána.

Sögulegir örgjörvar í röð

Í fyrstu tölvum notaði CPU ekki leiðbeiningarleiðslu. Í þessum örgjörvum þurfti hver einlota aðgerð að gerast fyrir hverja kennslu. Þetta þýddi að það tók fimm klukkulotur fyrir meðalleiðbeiningar að vinna að öllu leyti áður en hægt var að hefja næstu. Sumar aðgerðir gætu ekki þurft að skrifa neina niðurstöðu út í skrá, sem þýðir að hægt er að sleppa minnisaðgangi og afturritunarstigum.

Í undirskala örgjörva án leiðslu er hver hluti hverrar leiðbeiningar framkvæmdur í röð.

Það leynist þó vandamál þegar keyrt er heill leiðbeiningar í röð áður en hægt er að halda áfram í næstu leiðbeiningar. Vandamálið er skyndiminni miss. Örgjörvinn geymir gögn sem hann er að vinna með í skránni. Þetta er hægt að nálgast með eins lotu leynd. Vandamálið er að skráin er pínulítil vegna þess að hún er innbyggð í örgjörvakjarna. Örgjörvinn verður að fara í stærri en hægari L1 skyndiminni ef gögnin hafa ekki þegar verið hlaðin. Ef það er ekki til staðar verður það að fara í stærri og hægari L2 skyndiminni aftur. Næsta skref er L3 skyndiminni; síðasti valkosturinn er kerfisvinnsluminni. Hver þessara valkosta tekur fleiri og fleiri örgjörvalotur til að athuga.

Nú getur þessi aukalega bætta leynd verið stórt vandamál í kerfi sem verður að klára hverja kennslu í fullri röð áður en næstu kennslu hefst. Það sem hafði verið 5 lota á hvern kennsluörgjörva getur skyndilega fest sig í einni kennslu í tugi eða hundruð klukkulota. Allt á meðan getur ekkert annað gerst í tölvunni. Tæknilega er hægt að draga úr þessu nokkuð með því að hafa tvo sjálfstæða kjarna. Ekkert kemur þó í veg fyrir að þau bæði geri það sama, hugsanlega samtímis. Svo að fara niður fjölkjarna leiðina lagar þetta ekki.

Klassíska RISC leiðslan

RISC stendur fyrir Reduced Instruction Set Computer . Þetta er stíll örgjörvahönnunar sem hámarkar frammistöðu með því að auðvelda umskráningu hverrar kennslu. Þetta er í samanburði við CISC eða Complex Instruction Set Computer, sem hannar flóknari leiðbeiningasett sem gerir færri leiðbeiningar nauðsynlegar til að framkvæma sömu verkefnin.

Klassíska RISC hönnunin inniheldur leiðbeiningarleiðslu. Í stað þess að keyra eitthvað af fimm kennsluþrepunum í hverri lotu, gerir leiðslan kleift að framkvæma öll fimm stigin. Auðvitað er ekki hægt að keyra öll fimm stigin í einni kennslu í lotu. En þú getur sett fimm leiðbeiningar í röð í röð með einu þrepi hverri. Þannig er hægt að klára nýja kennslu í hverri klukkulotu. Býður upp á hugsanlega 5x frammistöðuaukningu fyrir tiltölulega litla hækkun á kjarnaflækjustig.

Í örgjörva með stigstærð er hægt að framkvæma hvert stig í framkvæmd leiðbeininga einu sinni í hverri klukkulotu. Þetta leyfir hámarks afköst upp á eina lokið kennslu á hverri lotu.

Örgjörvar sem eru ekki með leiðslu geta alltaf verið undirskalar, þar sem þeir geta ekki framkvæmt eina heila kennslu á hverri lotu. Með þessari aðal fimm þrepa leiðslu geturðu búið til scalar CPU sem getur klárað leiðbeiningar fyrir hvert ferli. Með því að búa til enn víðtækari leiðslur geturðu búið til ofurskala örgjörva sem geta framkvæmt fleiri en eina kennslu á hverri klukkulotu. Auðvitað eru enn hugsanleg vandamál.

Samt Sequential

Ekkert af þessu leysir málið við að bíða í margar lotur eftir svari þegar þarf að spyrjast fyrir um mismunandi stig skyndiminni og vinnsluminni. Það kynnir einnig nýtt vandamál. Hvað ef ein kennsla byggir á framleiðslu fyrri kennslunnar? Þessi vandamál eru leyst sjálfstætt með háþróaðri sendanda. Það skipuleggur framkvæmdarröðina vandlega þannig að engar leiðbeiningar sem treysta á framleiðslu annars séu of nálægt saman. Það meðhöndlar einnig skyndiminnismissir með því að leggja leiðbeiningar og skipta henni út í leiðslunni fyrir aðrar leiðbeiningar sem eru tilbúnar til að keyra og krefjast ekki niðurstöðu hennar, heldur áfram leiðbeiningunum þegar hún er tilbúin.

Þessar lausnir geta virkað á örgjörva án pípulagna, en þær eru nauðsynlegar fyrir ofurskala örgjörva sem keyrir fleiri en eina kennslu á hverja klukku. Útibússpá er líka mjög gagnleg þar sem hann getur reynt að spá fyrir um niðurstöðu kennslu með fleiri en einni hugsanlegri niðurstöðu og haldið áfram að gera ráð fyrir að hún sé rétt nema annað sé sannað.

Niðurstaða

Leiðsla gerir kleift að nota alla sérstaka eiginleika örgjörvans í hverri lotu. Það gerir þetta með því að keyra mismunandi stig mismunandi leiðbeininga samtímis. Þetta bætir ekki einu sinni miklu flóknu við CPU hönnunina. Það ryður einnig brautina til að leyfa fleiri en einni kennslu að framkvæma eitt stig í hverri lotu.