Süper Ölçekli İşlemci: Mimari, Ardışık Düzen, Türler ve Uygulamaları

Bu dünyada herkes işini/işini çabuk bitirmek ister. değil mi Arabalardan endüstriyel ve ev tipi makinelere kadar herkes onların daha hızlı çalışmasını istiyor. Bu makinelerin içinde onları çalıştıran şeyin ne olduğunu biliyor musunuz? Bunlar işlemciler . İşlevselliğe bağlı olarak mikro veya makro işlemciler olabilirler. Genel olarak temel işlemci, saat döngüsü başına bir talimat yürütür. Makinelerin hızlarını artırabilmeleri için işlem hızlarını iyileştirmenin bir yolu olarak ortaya çıkan şey, süper skala işlemci saat döngüsü başına iki talimatı yürütmesini sağlamak için ardışık düzen algoritmasına sahiptir. İlk olarak Seymour Cray'in 1964'te icat ettiği CDC 6600 tarafından icat edildi ve daha sonra 1970 yılında Tjaden & Flynn tarafından geliştirildi.

İlk ticari tek çipli süper skala mikroişlemci MC88100, 1988'de Motorola tarafından geliştirildi, daha sonra Intel, 1989'da I960CA sürümünü ve 1990'da AMD 29000 serisi 29050'yi piyasaya sürdü.  Şu anda kullanılan tipik süper skalar işlemci, Intel Core i7 işlemcidir. Nehalem mikro mimarisi.

Yine de, süper skala uygulamaları karmaşıklığı artırmaya doğru ilerliyor. Bu işlemcilerin tasarımı, normal olarak, bir bilgisayarın CPU'sunun, tek bir sıralı programı yürütürken her döngü için birden fazla talimatın verimini elde etmesine izin veren bir dizi yöntemi ifade eder. Yürütme süresini ve uygulamalarını azaltan SuperScalarişlemci mimarisini bu makalede daha ayrıntılı olarak görelim.

Süper Ölçekli İşlemci nedir?

İşlemci üzerindeki özel yürütme birimlerine aynı anda çeşitli talimatlar göndererek bir CLK döngüsü sırasında birden fazla talimatı yürütmek üzere tek bir işlemcide talimat düzeyinde paralellik olarak bilinen bir paralellik türünü uygulamak için kullanılan bir mikroişlemci türü. A skaler işlemci her saat döngüsü için tek talimat yürütür; bir süperskalar işlemci, bir saat döngüsü sırasında birden fazla talimatı yürütebilir.

Süper skala tasarım teknikleri normalde paralel yazmaç yeniden adlandırma, paralel komut kod çözme, sıra dışı yürütmeler ve spekülatif yürütmeyi içerir. Dolayısıyla bu yöntemler normalde mevcut mikroişlemci tasarımlarında boru hattı oluşturma, dallanma tahmini, önbelleğe alma ve çok çekirdekli gibi tamamlayıcı tasarım yöntemleriyle birlikte kullanılır.

Özellikleri

Süper skala işlemcilerin özellikleri aşağıdakileri içerir.

• Süper ölçek mimarisi, çeşitli işlemcilerde kullanılan paralel bir bilgi işlem tekniğidir.
• Bir süperskalar bilgisayarda, CPU, bir saat döngüsü sırasında çok sayıda talimatı aynı anda gerçekleştirmek için çeşitli komut boru hatlarını yönetir.
• Süperskalar mimariler hepsini içerir boru hattı aynı boru hattı içinde aynı anda yürütülen birkaç talimat olmasına rağmen.
• Ölçek üstü tasarım yöntemleri normalde paralel kayıt yeniden adlandırma, paralel talimat kod çözme, spekülatif yürütme ve sıra dışı yürütmeyi içerir. Bu nedenle, bu yöntemler normalde son mikroişlemci tasarımlarında önbelleğe alma, ardışık düzen oluşturma, dallanma tahmini ve çok çekirdekli gibi tamamlayıcı tasarım yöntemleriyle birlikte kullanılır.

Süper Ölçekli İşlemci Mimarisi

Bir süper skala işlemcinin, her bir CLK döngüsü için birden fazla talimatı yürüten bir CPU olduğunu biliyoruz, çünkü işleme hızları basitçe her saniye için CLK döngülerinde ölçülür. Bir skaler işlemci ile karşılaştırıldığında, bu işlemci çok daha hızlıdır.

Ölçek üstü işlemci mimarisi, temel olarak, bu birimlerin talimatları aynı anda uygulayabildiği paralel yürütme birimlerini içerir. İlk olarak, bu paralel mimari, hesaplamaları yürütmek için basit ve kısa talimatlar kullanan bir RISC işlemcisi içinde uygulandı. Yani, süper skalar yeteneklerinden dolayı, normalde RİSK işlemciler, aynı megahertzde çalışan CISC işlemcilere kıyasla daha iyi performans göstermiştir. Ama çoğu CISC şimdi Intel Pentium gibi işlemciler de bazı RISC mimarilerini içeriyor ve bu da onların talimatları paralel olarak gerçekleştirmelerine olanak sağlıyor.

Süper skala işlemci, her işleme aşamasında çeşitli talimatları paralel olarak işlemek için birkaç işlem birimiyle donatılmıştır. Yukarıdaki mimariyi kullanarak, benzer bir saat döngüsü içinde bir dizi talimat yürütmeye başlar. Bu işlemciler, her döngü için yukarıdaki bir talimatın bir talimat yürütme çıktısını elde etme yeteneğine sahiptir.

Yukarıdaki mimari şemasında, biri tamsayı, diğeri kayan nokta işlemleri için kullanılan iki yürütme birimine sahip bir işlemci kullanılmıştır. Talimat getirme birimi (IFU), talimatları aynı anda okuma yeteneğine sahiptir ve bunları talimat kuyruğunda saklar. Her döngüde, sevk birimi kuyruktan en fazla 2 talimatı alır ve kodunu çözer. Tek bir tamsayı, tek kayan nokta talimatı varsa ve tehlike yoksa, her iki talimat da benzer bir saat döngüsü içinde gönderilir.

boru hattı

Ardışık düzen oluşturma, görevleri alt adımlara ayırma ve bunları farklı işlemci parçalarında yürütme prosedürüdür. Aşağıdaki süper skalar ardışık düzende, döngü başına maksimum 2 talimatı tamamlamak için bir seferde iki talimat alınabilir ve gönderilebilir. Skaler işlemci ve süper skalar işlemcideki ardışık düzen mimarisi aşağıda gösterilmiştir.

Bir süperskalar işlemcideki talimatlar, sıralı bir talimat akışından verilir. Her saat döngüsü için birden fazla talimata izin vermelidir ve CPU, talimatlar arasındaki veri bağımlılıklarını dinamik olarak kontrol etmelidir.

Aşağıdaki ardışık düzen mimarisinde, F getirilir, D'nin kodu çözülür, E yürütülür ve W, kayıt geri yazmadır. Bu boru hattı mimarisinde I1, I2, I3 ve I4 talimatlardır.

Ölçekli işlemci ardışık düzen mimarisi, tek bir ardışık düzen ve dört aşamalı getirme, kod çözme, yürütme ve sonuç geri yazma içerir. Tek borulu skaler işlemcide, talimat1 (I1)'deki boru hattı şu şekilde çalışır; birinci saat periyodunda I1 getirecek, ikinci saat periyodunda kodunu çözecek ve ikinci komutta I2 getirecek. Üçüncü saat periyodundaki üçüncü talimat I3 getirilecek, I2 kodu çözecek ve I1 çalıştırılacaktır. Dördüncü saat periyodunda, I4 getirecek, I3 çözecek, I2 çalıştıracak ve I1 belleğe yazacak. Böylece, yedi saat periyodunda, tek bir ardışık düzende 4 talimatı yürütecektir.

Süper skala işlemci işlem hattı mimarisi, iki işlem hattı ve dört aşamalı getirme, kod çözme, yürütme ve sonuç geri yazma içerir. Bu, 2 sayılık bir süper skala işlemcidir, yani aynı anda iki talimatın getirilmesi, kodunun çözülmesi, yürütülmesi ve sonuç olarak geri yazılması anlamına gelir. İki talimat I1 ve I2, her saat periyodunda bir seferde getirecek, kodunu çözecek, yürütecek ve geri yazacaktır. Bir sonraki saat periyodunda eş zamanlı olarak, kalan iki talimat I3 & I4 bir defada getirecek, kodunu çözecek, yürütecek ve geri yazacaktır. Böylece, beş saat periyodunda, tek bir ardışık düzende 4 talimatı yürütecektir.

Bu nedenle, skaler bir işlemci, saat döngüsü başına tek komut yayınlar ve saat döngüsü başına tek bir ardışık düzen aşaması gerçekleştirirken, süper skalar bir işlemci, saat döngüsü başına iki komut yayınlar ve her aşamanın iki örneğini paralel olarak yürütür. Bu nedenle, bir skaler işlemcide komut yürütme daha fazla zaman alırken, süper skalar bir işlemcide komutları yürütmek daha az zaman alır. .

Süper Ölçekli İşlemci Türleri

Bunlar, piyasada mevcut olan ve aşağıda tartışılan farklı süper skala işlemci türleridir.

Intel Core i7 işlemci

Intel core i7, Nehalem mikro mimarisini temel alan süper skala bir işlemcidir. Core i7 tasarımında, her işlemci çekirdeğinin bir süper skala işlemci olduğu çeşitli işlemci çekirdekleri vardır. Bu, tüketici odaklı bilgisayarlarda ve cihazlarda kullanılan Intel işlemcinin en hızlı sürümüdür. Intel Corei5'e benzer şekilde, bu işlemci Intel Turbo Boost Teknolojisine gömülüdür. Bu işlemciye, aynı anda 12 adede kadar farklı iş parçacığını destekleyen 2 ila 6 çeşitte erişilebilir.

Intel Pentium İşlemci

Intel Pentium işlemci süper skala ardışık düzen mimarisi, CPU'nun her döngü için en az iki veya daha fazla talimatı yürütmesi anlamına gelir. Bu işlemci kişisel bilgisayarlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Intel Pentium işlemci aygıtları normalde çevrimiçi kullanım, bulut bilgi işlem ve işbirliği için üretilmiştir. Dolayısıyla bu işlemci, güçlü yerel performans ve verimli çevrimiçi etkileşimler sağlamak için tabletler ve Chromebook'lar için mükemmel şekilde çalışır.

IBM Güç PC601

IBM power PC601 gibi süper skala işlemci, RISC mikro işlemcilerin PowerPC ailesindendir. Bu işlemci, her saat için üç talimat ve 3 yürütme biriminin her biri için bir talimat vermenin yanı sıra kullanımdan kaldırma yeteneğine de sahiptir. Gelişmiş performans için talimatlar tamamen kullanım dışıdır; ancak PC601, yürütmenin sırayla ortaya çıkmasını sağlayacaktır.

Güçlü PC601 işlemci, 32 bit mantıksal adresler, 8, 16 ve 32 bit tamsayı veri türleri ve 32 ve 64 bit kayan noktalı veri türleri sağlar. 64-bit PowerPC'nin uygulanması için, bu işlemcinin mimarisi 64-bit tabanlı tamsayı veri türleri, adresleme ve 64-bit tabanlı mimariyi tamamlamak için gerekli diğer özellikleri sağlar.

MC 88110

MC 88110, talimat düzeyinde paralellikten yararlanmak için gelişmiş yöntemler kullanan tek çipli, ikinci nesil bir RISC mikroişlemcidir. Bu işlemci, maksimum performans elde etmek için birden çok çip üzerinde önbellek, süper skala talimat sorunları, sınırlı dinamik talimat kaydı ve spekülatif yürütme kullanır, bu nedenle ideal olarak düşük maliyetli PC'ler ve iş istasyonlarında merkezi bir işlemci olarak kullanılır.

intel i960

Intel i960, her işlemci saat döngüsü sırasında çeşitli bağımsız talimatları yürütme ve gönderme yeteneğine sahip süper skala bir işlemcidir. Bu, 1990'ların başında gömülü bir mikrodenetleyici olarak çok ünlü hale gelen RISC tabanlı bir mikroişlemcidir. Bu işlemci, birkaç askeri uygulamada sürekli olarak kullanılmaktadır.

MIPS R

MIPS R, 64 bit MIPS 4 komut seti mimarisini yürütmek için kullanılan dinamik ve süper skalar bir mikroişlemcidir. Bu işlemci, her döngü için 4 talimatı alır ve kodunu çözer ve bunları beş tamamen ardışık düzene sahip ve düşük gecikmeli yürütme birimine gönderir. Bu işlemci, özellikle yüksek performanslı, büyük ve zayıf bellek yerleşimine sahip gerçek dünya uygulamaları için tasarlanmıştır. Yaklaşık yürütmeyle, yalnızca bellek adreslerini hesaplar. MIPS işlemcileri temel olarak Nintendo Gamecube, SGI ürün grubu, Sony Playstation 2, PSP ve Cisco yönlendiricileri gibi çeşitli cihazlarda kullanılır.

Ardışık Düzene Karşı S/B Süper Ölçek Farkı

Süper skalar ve ardışık düzen arasındaki fark aşağıda tartışılmaktadır.

Özellikler

bu süper skala işlemci özellikleri aşağıdakileri dahil edin.

• Bir süper skala işlemci, herhangi bir bekleme durumu olmaksızın, basit bir şekilde bağımsız komutların seri olarak gerçekleştirildiği, süper boru hatlı bir modeldir.
• Bir süper skala işlemci, gelen talimat akışının birkaç talimatını aynı anda alır ve kodunu çözer.
• Ölçek üstü işlemcilerin mimarisi, komut düzeyinde paralellik potansiyelinden yararlanır.
• Süper skala işlemciler, esas olarak her döngü için yukarıdaki tek talimatı verir.
• Hayır. Verilen talimatların sayısı, esas olarak talimat akışı içindeki talimatlara bağlıdır.
• Talimatlar, işlemci mimarisine daha iyi uyacak şekilde sık sık yeniden sıralanır.
• Süperskalar yöntem genellikle bazı tanımlayıcı özelliklerle ilişkilendirilir. Talimatlar normalde sıralı bir talimat akışından verilir.
• CPU, çalışma zamanında talimatlar arasındaki veri bağımlılıklarını dinamik olarak kontrol eder.
• CPU, her saat döngüsü için birden fazla talimat yürütür.

Avantajlar ve dezavantajlar

bu süperskalar işlemcinin avantajları aşağıdakileri dahil edin.

• Bir süper skala işlemci, tek bir işlemcide talimat düzeyinde paralellik uygular.
• Bu işlemciler herhangi bir talimat setini gerçekleştirmek için yapılmıştır.
• Sıra dışı yürütme dal tahmini ve spekülatif yürütme dahil olmak üzere süper skala işlemci, birkaç temel blok ve döngü yinelemesinin üzerinde basit bir şekilde paralellik bulabilir.

bu süperskalar işlemcinin dezavantajları aşağıdakileri dahil edin.

• Süper skala işlemciler, güç kullanımı nedeniyle küçük gömülü sistemlerde pek kullanılmaz.
• Zamanlama ile ilgili sorun bu mimaride olabilir.
• Ölçek üstü işlemci, donanım tasarımındaki karmaşıklık düzeyini artırır.
• Bu işlemcideki talimatlar, sıralı program sırasına göre alınır, ancak bu en iyi yürütme sırası değildir.

Süper Ölçekli İşlemci Uygulamaları

Bir süperskalar işlemcinin uygulamaları aşağıdakileri içerir.

• Süper skalar yürütme, bir dizüstü bilgisayar veya masaüstü bilgisayar tarafından sıklıkla kullanılır. Bu işlemci, tek bir komut olarak yürütülebilecek yönerge kümelerini keşfetmek için yürütülmekte olan programı tarar.
• Bir süper skala işlemci, aynı anda çeşitli talimatları yürüten çeşitli veri yolu donanım kopyalarını içerir.
• Bu işlemci esasen, tek bir sıralı program için her bir saat döngüsü için bir komutun üzerinde bir uygulama hızı oluşturmak üzere tasarlanmıştır.

Böylece, her şey bununla ilgili süperskalar işlemciye genel bakış – mimari, türleri ve uygulamaları. İşte size bir soru, skaler işlemci nedir?