Σωληνώσεις υπολογιστών
Η διοχέτευση υπολογιστών εισήχθη για πρώτη φορά από την Intel στο τσιπ 486. Ο τρόπος λειτουργίας ενός αγωγού είναι ανάλογος με μια γραμμή βιομηχανικής συναρμολόγησης. Εντός της CPU, μια σειρά από μονάδες κυκλώματος με διακριτές λειτουργίες σχηματίζει μια σωλήνωση επεξεργασίας εντολών. μια εντολή x86 αναλύεται σε πέντε ή έξι βήματα, τα οποία στη συνέχεια εκτελούνται διαδοχικά από αυτές τις μονάδες. Αυτό επιτρέπει την ολοκλήρωση μιας εντολής μέσα σε έναν μόνο κύκλο ρολογιού της CPU, αυξάνοντας έτσι την ταχύτητα επεξεργασίας της CPU. Στον κλασικό επεξεργαστή Pentium, κάθε διοχέτευση ακέραιου αριθμού αποτελείται από τέσσερα στάδια-προαναφορά εντολών, αποκωδικοποίηση, εκτέλεση και εγγραφή-πίσω-ενώ η διοχέτευση κινητής-σημείου περιλαμβάνει οκτώ στάδια.
Το Pipelining είναι μια βασική τεχνολογία που χρησιμοποιείται ευρέως στους μικροεπεξεργαστές (CPU). Περιγράφει τη μέθοδο με την οποία εκτελούνται οι εντολές εντός της CPU. Για να κατανοήσουμε τη διοχέτευση, πρέπει πρώτα να κατανοήσουμε τις οδηγίες και τη διαδικασία εκτέλεσής τους.
Οδηγίες υπολογιστή
Μια εντολή υπολογιστή είναι ένα συγκεκριμένο σύνολο δυαδικών δεδομένων που λέει στην CPU τι να κάνει. Εάν η CPU παρομοιάζεται με ένα εργοστάσιο παραγωγής, μια οδηγία είναι παρόμοια με μια παραγγελία πελάτη. ενεργοποιεί μια σειρά ενεργειών στο "εργοστάσιο" της CPU, αποδίδοντας τελικά ένα υπολογιστικό αποτέλεσμα-το τελικό προϊόν. Πώς λειτουργεί πραγματικά αυτό; Πρώτον, πρέπει να υπάρχει τμήμα για να λαμβάνει παραγγελίες-η μονάδα ανάκτησης εντολών της CPU. δεύτερον, πρέπει να υπάρχει ένα συνεργείο για την εκπλήρωση των εντολών-της μονάδας εκτέλεσης εντολών της CPU. Σε ένα εργοστάσιο, η παραγωγή ενός προϊόντος αναλύεται σε πολλαπλά στάδια κατασκευής. Ομοίως, μια εντολή μετατρέπεται σε μια σειρά αντίστοιχων μικρο-λειτουργιών εντός της CPU. Η διαδοχική ολοκλήρωση αυτών των μικρο-πράξεων συνιστά την εκτέλεση ολόκληρης της εντολής.
Εκτέλεση εντολών
Σε CPU χαμηλού{0}}τελικού, η εκτέλεση εντολών είναι σειριακή. Με απλά λόγια, μια εντολή ολοκληρώνεται πριν ξεκινήσει η επόμενη. Αυτό μοιάζει με το προαναφερθέν εργοστάσιο στις πρώτες μέρες του, αποτελούμενο μόνο από ένα μικρό εργαστήριο και έναν ατομικό επιχειρηματία που εργάζεται μόνος του: όταν λάμβανε μια παραγγελία, θα ήταν πλήρως απασχολημένος με την εκπλήρωση αυτής της πρώτης παραγγελίας και δεν θα μπορούσε να δεχτεί μια δεύτερη. Επομένως, ο κύκλος λήψης και ολοκλήρωσης παραγγελιών-ή λήψης και εκτέλεσης εντολών-είναι μια σειριακή διαδικασία. Αργότερα, το αφεντικό ανακάλυψε ότι η λήψη παραγγελιών δεν απαιτούσε πολύ χρόνο. Με τη βοήθεια ενός βοηθού, οι δύο μπορούσαν να εργαστούν ανεξάρτητα. Αυτό επέτρεψε στο αφεντικό να αποδεχτεί μια νέα παραγγελία ενώ ταυτόχρονα ολοκλήρωσε τα προϊόντα για την προηγούμενη. Όσον αφορά την αρχιτεκτονική της CPU, αυτό αντιστοιχεί στον διαχωρισμό της μονάδας-ανάκτησης εντολών από τη μονάδα εκτέλεσης εντολών-. Κατά συνέπεια, η CPU μπορεί να πάρει την επόμενη εντολή παράλληλα κατά την εκτέλεση της τρέχουσας. Αυτό αντιπροσώπευε ένα ποιοτικό άλμα στην τεχνολογία της CPU, μετατοπίζοντας τις λειτουργίες από τη σειριακή στην παράλληλη επεξεργασία και καθιερώνοντας το πρωτότυπο του αγωγού εντολών.
Μόλις η CPU ολοκληρώσει το προαναφερθέν βήμα, η πρόκληση που απομένει έγκειται στην ενίσχυση των δυνατοτήτων παράλληλης επεξεργασίας. Αντλώντας έμπνευση από τις εργοστασιακές γραμμές συναρμολόγησης, οι σχεδιαστές CPU αναλύουν την εκτέλεση μιας μεμονωμένης εντολής σε πολλαπλά διακριτά στάδια-ή "μικρο-οδηγίες"-μειώνοντας έτσι σημαντικά την πολυπλοκότητα των εντολών, απλοποιώντας τη λογική σχεδίαση και ενισχύοντας την ταχύτητα. Σε CPU που χρησιμοποιούν τεχνολογία διοχέτευσης, μόλις μια εντολή τελειώσει το πρώτο της «στάδιο», η επόμενη εντολή μπαίνει αμέσως στη γραμμή διοχέτευσης για να ξεκινήσει η εκτέλεση. Σαφώς, αυτή η προσέγγιση διοχέτευσης απαιτεί πολλαπλές μονάδες εκτέλεσης-μια δυνατότητα που εφαρμόζεται σε x86 τσιπ.
