Kas ir ārpuskārtas izpilde?

Datori ir sarežģītas iekārtas, kurām nav sarežģītākas daļas par centrālo procesoru. Pamata pārskata līmenī šķiet, ka CPU vajadzētu būt salīdzinoši vienkāršam. Tas aizņem virkni komandu, apstrādā tās un pēc tam izvada datus. Tomēr tam ir maz līdzības ar mūsdienu CPU faktisko darbību.

Subskalārs līdz superskalārs

Agrīnie CPU bija tieši tādi, kā jūs gaidījāt. Viņi pieņēma norādījumus individuāli tādā secībā, kādā tie tika doti, apstrādāja tos līdz galam, pēc tam pārgāja pie nākamās instrukcijas. Šāda veida CPU bija subskalāri, kas vienā pulksteņa ciklā varēja izpildīt mazāk nekā vienu instrukciju. CPU dizaineri atklāja, ka instrukcijas aizpildīšanai ir daudz dažādu posmu. Katram no šiem posmiem bija nepieciešama atšķirīga aparatūra. Tas nozīmēja, ka, izpildot vienu instrukciju visā secībā vienlaikus, dažas aparatūras daļas palika dīkstāvē. Jebkura veida procesorā dīkstāves aparatūra ir bezjēdzīga aparatūra.

Lai izmantotu šo dīkstāves aparatūru, CPU dizaini tika atjaunināti, lai izmantotu konveijera pieeju. Tas vēl vairāk atdalīja aparatūru katram posmam, bet ļāva tos visus izmantot vienlaikus ar virkni instrukciju. Lai gan bija nepieciešami daži cikli, lai katra instrukcija tiktu izieta cauri konveijeram, kopējā caurlaidspēja bija viena instrukcija ciklā. Tas padarīja CPU skalārus.

Lai varētu paveikt vairāk, procesori bija jāpadara superskalāri. Lai to panāktu, tika ieviesti vairāki paralēli cauruļvadi.

Cauruļvadu uzturēšana ar datiem

Galvenā datoru veiktspējas problēma parasti ir atmiņas latentums. Daudzas instrukcijas darbojas ar datiem, tāpēc datiem ir jābūt pieejamiem, lai instrukcija tiktu izpildīta. Jautājums ir, ko jūs darāt, ja jums jāgaida šie dati, jo tie nav uzreiz pieejami? Tradicionāli atbilde bija tikai apstādināt un gaidīt, kad tas kļūs pieejams. Tādējādi viss cauruļvads paliek tukšs, iespējams, simtiem CPU ciklu. Lietas kļūst vēl sliktākas, ja divām instrukcijām paralēlos konveijeros ir jāgaida atmiņa, jo pirmā aiztur pat otrās datu pieprasījumu. Lai gan CPU kešatmiņa var palīdzēt atrisināt šo problēmu, tā joprojām nevar to novērst. Lai to atrisinātu, bija nepieciešama jauna paradigma. Šī paradigmas maiņa bija Out Of Order Execution jeb OOO.

Pirmais cauruļvada posms ir instrukcijas atšifrēšana. Tas nozīmē, ka jāizstrādā, kas jādara, un jāpārbauda, ​​vai operācijai nepieciešamie dati ir pieejami. OOO CPU dekodētās instrukcijas tiek pievienotas rindai. Tie tiek noņemti no rindas un faktiski apstrādāti tikai tad, kad ir pieejami tiem nepieciešamie dati. Kritiski nav nozīmes tam, kādā secībā norādījumi tika pievienoti rindai. Ja agrīnā instrukcija gaida datus, jaunāka instrukcija var tikt izlaista, ja tā ir gatava lietošanai. OOO procesori var pārkārtot instrukcijas, kuras tiem ir paredzēts apstrādāt, pamatojoties uz gaidāmo instrukciju rindu un to, kuras no tām ir gatavas izpildei.

Kritiskās atkarības

Šis process paredz divas lietas. Pirmkārt, tas, ka ir iespējams droši identificēt patiesās atkarības un rīkoties ar tām. Otrkārt, jūs varat droši rīkoties un identificēt viltus atkarības. Kāda ir atšķirība? Patiesa atkarība ir atkarība, ko OOO sistēmā nemaz nevar mazināt. Vienkāršākais piemērs ir lasīšana pēc rakstīšanas. Ja jums ir viena instrukcija, kurai ir jāraksta daži dati, un otra, kurai ir jānolasa šie dati, šīs instrukcijas nevar pārkārtot. Tie ir jāaizpilda tādā secībā, kādā tie tika prezentēti, pretējā gadījumā jūs saņemsiet muļķīgus datus.

Viltus atkarība ir tāda, ko var paslēpt ar citu gudru triku. Ņemsim piemēru rakstīšanai pēc lasīšanas. No pirmā acu uzmetiena jūs varētu domāt, ka nevarat pārrakstīt datus, pirms neesat tos izlasījis. Tomēr lietas nav tik vienkāršas. Ko darīt, ja jums ir cita vieta, kur varat ierakstīt jaunos datus, un pēc tam, kad vecie dati ir nolasīti, varat vienkārši apmainīt jaunos un vecos datus? Šis ir reģistra pārdēvēšanas process, un tas ir ļoti svarīgi OOO apstrādei.

Parasti instrukciju kopa nosaka noteiktu skaitu arhitektūras reģistru, kas tiek izmantoti sistēmā. Jūs burtiski nevarat uzrunāt nevienu citu. Bet ko darīt, ja veicat pārmērīgas nodrošināšanas reģistrus? Lielākoties varat tos vienkārši paslēpt, izmantot, lai saglabātu datus, kuriem vēl nebija jābūt apstrādātiem, un pēc tam vienkārši apmainīt slēpto un arhitektūras reģistru etiķetes, kad laika skala atkal ir pareiza. Jebkurā laikā ir precīzs pareizais arhitektūras reģistru skaits, taču tie ne vienmēr atrodas vienā un tajā pašā vietā. Reālās pasaules analoģija būtu karstā rakstāmgalds.

Secinājums

Izpilde ārpus pasūtījuma ir apstrādes paradigma, kurā CPU izpildes laikā var dinamiski pārkārtot instrukcijas. Tas tiek darīts, pamatojoties uz agrāk izdotajām instrukcijām, kurās ir pieejami dati. Tas nozīmē, ka instrukcijas, kas tiek ielādētas konveijerā, vienmēr ir gatavas izpildei, un, gaidot datus, nav nekādu aizkavi. Protams, ir jābūt pietiekami garai rindai, lai tā netiktu piepildīta ar instrukcijām, kas gaida datus, bet tas ir ieviešanas izaicinājums. OOO izpilde balstās uz reģistra pārdēvēšanu, lai paslēptu viltus atkarības. Pat ja šīs instrukcijas faktiski tiek izpildītas neregulāri, reģistri tiek pārdēvēti tā, lai šo faktu paslēptu no pārējā datora.