Hvað er óreglu framkvæmd?

Tölvur eru flóknar vélar með engan hluta flóknari en örgjörvinn. Á grunnyfirlitsstigi virðist sem örgjörvinn ætti að vera tiltölulega einfaldur. Það tekur röð skipana, vinnur úr þeim og gefur síðan út gögnin. Þetta minnir þó lítið á raunverulega vinnu nútíma örgjörva.

Sub-skalar til super-skalar

Snemma örgjörvar voru nákvæmlega eins og þú bjóst við. Þeir tóku leiðbeiningar hver fyrir sig, í þeirri röð sem þeir fengu þær, unnu þær til fullnustu og fóru svo yfir í næstu leiðbeiningar. Örgjörvar af þessari gerð voru undir stigstærð, færir um að klára minna en eina kennslu á hverri klukkulotu. Örgjörvahönnuðir komust að því að það voru mörg mismunandi stig við að klára leiðbeiningar. Hvert þessara stiga krafðist mismunandi vélbúnaðar. Þetta þýddi að þegar ein leiðbeining var keyrð í gegnum alla röðina í einu, voru sumir hlutar vélbúnaðarins aðgerðalausir. Í hvers konar örgjörva er aðgerðalaus vélbúnaður gagnslaus vélbúnaður.

Til að nýta þennan aðgerðalausa vélbúnað var CPU hönnun uppfærð til að nota leiðsluaðferð. Þetta aðgreindi vélbúnaðinn fyrir hvert stig enn frekar en gerði það kleift að nota þá alla á sama tíma með röð leiðbeininga. Þó að það tæki enn nokkrar lotur fyrir hverja kennslu að fara í gegnum leiðsluna, var heildarafköst ein kennsla í hverri lotu. Þetta gerði örgjörva skalar.

Til að geta gert meira þurfti að gera örgjörva ofur-skalæra. Til að ná þessu fram voru margar samhliða leiðslur innleiddar.

Að halda leiðslum fóðruðum með gögnum

Helsta frammistöðuvandamálið með tölvur er venjulega minnisleynd. Mörg leiðbeiningar vinna á gögnum og þannig að gögn þurfa að vera tiltæk til að leiðbeiningin sé framkvæmd. Spurningin er, hvað gerir þú ef þú þarft að bíða eftir þessum gögnum vegna þess að þau eru ekki tiltæk strax? Hefðbundið var svarið bara að stöðvast og bíða eftir að það yrði í boði. Þetta skilur alla leiðsluna eftir tóma, hugsanlega í hundruð örgjörvalota. Hlutirnir versna enn þegar tvær leiðbeiningar í samhliða leiðslum þurfa að bíða eftir minni, þar sem sú fyrri mun jafnvel halda uppi beiðni um gögn seinni. Þó CPU skyndiminni geti hjálpað til við að takast á við þetta vandamál, getur það samt ekki lagað það. Það þurfti nýja hugmyndafræði til að leysa það. Sú hugmyndabreyting var Out Of Order Execution eða OOO.

Fyrsta stig leiðslu er að afkóða leiðbeiningarnar. Þetta þýðir að finna út hvað þarf að gera og sannreyna að gögnin sem þarf fyrir aðgerðina séu tiltæk. Í OOO CPU er afkóðuðum leiðbeiningum bætt við biðröð. Þau eru aðeins fjarlægð úr biðröðinni og unnin í raun þegar gögnin sem þau þurfa eru tiltæk. Mikilvægt er að það skiptir ekki máli í hvaða röð leiðbeiningunum var bætt við biðröðina. Ef snemmbúin kennsla bíður eftir gögnum getur nýlegri kennsla sleppt framundan ef hún er tilbúin til notkunar. OOO örgjörvar geta endurraðað leiðbeiningunum sem þeir eiga að vinna úr miðað við röð komandi leiðbeininga og hver þeirra er tilbúinn til framkvæmdar.

Mikilvægar ósjálfstæðir

Þetta ferli gerir ráð fyrir tvennu. Í fyrsta lagi að hægt sé að bera kennsl á og meðhöndla raunverulegt ósjálfstæði. Í öðru lagi að þú getur á áreiðanlegan hátt séð um og auðkennt rangar ósjálfstæði. Hver er munurinn? Jæja, sönn ósjálfstæði er ósjálfstæði sem alls ekki er hægt að draga úr í OOO kerfi. Auðveldasta dæmið er lestur-eftir-skrifa. Ef þú ert með eina leiðbeiningar sem eiga að skrifa einhver gögn og aðra sem á síðan að lesa þau gögn, þá er engin leið að geta endurraðað þeim leiðbeiningum. Þeir verða að vera fylltir út í þeirri röð sem þeir voru kynntir, annars færðu vitleysugögn.

Fölsk ósjálfstæði er það sem hægt er að fela með öðru snjöllu bragði. Tökum dæmi um að skrifa-eftir-lestur. Við fyrstu sýn gætirðu haldið að þú getir ekki skrifað yfir gögn áður en þú hefur lesið þau. Hlutirnir eru samt ekki svo einfaldir. Hvað ef þú ert með annan stað þar sem þú getur skrifað nýju gögnin, og þá geturðu bara skipt um nýju og gömlu gögnin þegar gömlu gögnin hafa verið lesin? Þetta er ferlið við að endurnefna skrár og það er mikilvægt fyrir OOO vinnslu.

Venjulega skilgreinir leiðbeiningasett ákveðinn fjölda byggingarskráa sem eru notaðar í kerfinu. Þú getur bókstaflega ekki ávarpað neina aðra. En hvað ef þú gerir skrár um offramboð? Þú getur bara falið þau að mestu leyti, notað þau til að geyma gögn sem ættu ekki að hafa verið unnin enn, og svo einfaldlega skipt um merki á földu og byggingarlistarskránum þegar tímalínan er rétt aftur. Á hverjum tíma er til nákvæmlega rétt magn af byggingarlistarskrám, þær eru bara ekki endilega alltaf á sama stað. Raunveruleg hliðstæða væri hot-deking.

Niðurstaða

Out Of Order execution er vinnslufyrirmynd þar sem hægt er að endurraða leiðbeiningum á breytilegan hátt á framkvæmdartíma af örgjörvanum. Þetta er gert á grundvelli elstu útgefinna fyrirmæla sem hafa gögn tiltæk. Þetta þýðir að leiðbeiningar sem verið er að hlaða inn í leiðsluna eru alltaf tilbúnar til framkvæmdar og engar tafir eru á meðan beðið er eftir gögnum. Auðvitað er nauðsynlegt að hafa nógu langa biðröð til að hún fyllist ekki af leiðbeiningum sem bíða eftir gögnum en það er innleiðingaráskorun. Framkvæmd OOO byggir á endurnefna skrá til að fela rangar ósjálfstæði. Jafnvel þótt þessar leiðbeiningar séu í raun og veru framkvæmdar í ólagi, eru skrárnar endurnefndir á þann hátt að þessar staðreyndir séu leyndar fyrir restinni af tölvunni.