పైప్‌లైనింగ్: ఆర్కిటెక్చర్, ప్రయోజనాలు & అప్రయోజనాలు

పైప్‌లైనింగ్: ఆర్కిటెక్చర్, ప్రయోజనాలు & అప్రయోజనాలు

ప్రోగ్రామ్ అమలు వేగాన్ని పెంచడం వల్ల వేగం పెరుగుతుంది ప్రాసెసర్. అమలు వేగాన్ని పెంచడానికి హార్డ్‌వేర్ అమలు మరియు సాఫ్ట్‌వేర్ ఆర్కిటెక్చర్ రెండూ చాలా మార్గాలు కనుగొనబడ్డాయి. సూచనలను ఏకకాలంలో అమలు చేయడం ద్వారా అమలు చేయడానికి అవసరమైన సమయాన్ని తగ్గించవచ్చు. లో సమాంతరత యొక్క భావన ప్రోగ్రామింగ్ ప్రతిపాదించబడింది. దీని ప్రకారం, గడియార చక్రానికి ఒకటి కంటే ఎక్కువ సూచనలను అమలు చేయవచ్చు. ఈ భావనను ప్రోగ్రామర్ వంటి వివిధ పద్ధతుల ద్వారా సాధన చేయవచ్చు పైప్‌లైనింగ్, బహుళ అమలు యూనిట్లు మరియు బహుళ కోర్లు . ఈ సమాంతర పద్ధతులన్నిటిలో, పైప్‌లైనింగ్ సాధారణంగా సాధన. కాబట్టి పైప్‌లైనింగ్ పద్ధతిలో సూచనలను ఎలా అమలు చేయవచ్చు? ఇది అమలు వేగాన్ని ఎలా పెంచుతుంది?



పైప్‌లైనింగ్ అంటే ఏమిటి?

పైప్‌లైనింగ్ భావనను గ్రహించడానికి, ప్రోగ్రామ్ ఎలా అమలు చేయబడుతుందో దాని మూల స్థాయిని చూద్దాం. ఇన్స్ట్రక్షన్ అనేది ప్రోగ్రామ్ యొక్క అతి చిన్న ఎగ్జిక్యూషన్ ప్యాకెట్. ప్రతి సూచన ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ ఆపరేషన్లను కలిగి ఉంటుంది. సాధారణ స్కేలార్ ప్రాసెసర్లు గడియార చక్రానికి ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ సూచనలను అమలు చేస్తాయి, ప్రతి సూచనతో ఒకే ఆపరేషన్ ఉంటుంది. ఆశించిన ఫలితాలను ఇవ్వడానికి సూచనలు దశల క్రమం వలె అమలు చేయబడతాయి. ఈ క్రమం క్రింద ఇవ్వబడింది


ఇన్స్ట్రక్షన్ ఎగ్జిక్యూషన్ సీక్వెన్స్

ఇన్స్ట్రక్షన్ ఎగ్జిక్యూషన్ సీక్వెన్స్





  • IF: ఇన్స్ట్రక్షన్ రిజిస్టర్‌లో సూచనలను పొందుతుంది.
  • ID: ఇన్స్ట్రక్షన్ డీకోడ్, ఆప్కోడ్ కోసం సూచనలను డీకోడ్ చేస్తుంది.
  • AG: చిరునామా జనరేటర్, చిరునామాను ఉత్పత్తి చేస్తుంది.
  • DF: డేటా పొందడం, డేటా రిజిస్టర్‌లో ఒపెరాండ్‌లను పొందుతుంది.
  • ఉదా: అమలు, పేర్కొన్న ఆపరేషన్‌ను అమలు చేస్తుంది.
  • WB: తిరిగి వ్రాయండి, ఫలితాన్ని తిరిగి వ్రాస్తుంది రిజిస్టర్.

అన్ని సూచనలకు పై దశలన్నీ అవసరం లేదు కాని చాలా వరకు. ఈ దశలు వేర్వేరు హార్డ్వేర్ ఫంక్షన్లను ఉపయోగిస్తాయి. పైప్‌లైనింగ్‌లో ఈ వేర్వేరు దశలు ఏకకాలంలో నిర్వహిస్తారు. పైప్‌లైనింగ్‌లో ఈ దశలు వేర్వేరు కార్యకలాపాల మధ్య స్వతంత్రంగా పరిగణించబడతాయి మరియు వాటిని అతివ్యాప్తి చేయవచ్చు. అందువల్ల, ప్రతి ఆపరేషన్ దాని స్వంత స్వతంత్ర దశలో ఉండటంతో ఒకేసారి బహుళ ఆపరేషన్లు చేయవచ్చు.

ఇన్స్ట్రక్షన్ పైప్‌లైనింగ్

పైప్‌లైనింగ్‌లో సూచనలు ప్రాసెస్ చేయబడిన విధానాన్ని చూద్దాం. దిగువ రేఖాచిత్రం ద్వారా దీన్ని సులభంగా అర్థం చేసుకోవచ్చు.



ఇన్స్ట్రక్షన్ పైప్‌లైనింగ్

ఇన్స్ట్రక్షన్ పైప్‌లైనింగ్

సూచనలు స్వతంత్రంగా ఉన్నాయని అనుకోండి. సాధారణ పైప్‌లైనింగ్ ప్రాసెసర్‌లో, ఒక నిర్దిష్ట సమయంలో, ప్రతి దశలో ఒకే ఆపరేషన్ ఉంటుంది. ప్రారంభ దశ IF దశ. కాబట్టి, మొదటి గడియార చక్రంలో, ఒక ఆపరేషన్ పొందబడుతుంది. తదుపరి గడియారం పల్స్ వచ్చినప్పుడు, మొదటి ఆపరేషన్ ID దశలోకి వెళ్లి IF దశ ఖాళీగా ఉంటుంది. ఇప్పుడు, ఈ ఖాళీ దశ తదుపరి ఆపరేషన్కు కేటాయించబడింది. కాబట్టి, రెండవ గడియారం పల్స్ సమయంలో మొదటి ఆపరేషన్ ID దశలో ఉంటుంది మరియు రెండవ ఆపరేషన్ IF దశలో ఉంటుంది.

మూడవ చక్రం కోసం, మొదటి ఆపరేషన్ AG దశలో ఉంటుంది, రెండవ ఆపరేషన్ ID దశలో ఉంటుంది మరియు మూడవ ఆపరేషన్ IF దశలో ఉంటుంది. ఈ విధంగా, సూచనలు ఏకకాలంలో అమలు చేయబడతాయి మరియు ఆరు చక్రాల తరువాత ప్రాసెసర్ గడియార చక్రానికి పూర్తిగా అమలు చేయబడిన సూచనలను అందిస్తుంది.


ఈ సూచన వరుసగా అమలు చేయబడిందా, మొదట్లో మొదటి సూచన అన్ని దశల గుండా వెళ్ళాలి, తరువాత తదుపరి సూచనను పొందగలరా? కాబట్టి, ప్రతి సూచనల అమలు కోసం, ప్రాసెసర్‌కు ఆరు గడియార చక్రాలు అవసరం. పైప్‌లైన్ చేసిన ప్రాసెసర్‌లో సూచనల అమలు ఏకకాలంలో జరుగుతుంది, ప్రారంభ సూచనలకు మాత్రమే ఆరు చక్రాలు అవసరమవుతాయి మరియు మిగిలిన అన్ని సూచనలు ప్రతి చక్రానికి ఒకటిగా అమలు చేయబడతాయి, తద్వారా అమలు సమయం తగ్గిస్తుంది మరియు ప్రాసెసర్ యొక్క వేగాన్ని పెంచుతుంది.

పైప్‌లైనింగ్ ఆర్కిటెక్చర్

హార్డ్‌వేర్, కంపైలర్ మరియు సాఫ్ట్‌వేర్ టెక్నిక్‌లతో సమాంతరతను సాధించవచ్చు. లో పైప్‌లైనింగ్ భావనను ఉపయోగించుకోవడానికి కంప్యూటర్ ఆర్కిటెక్చర్ అనేక ప్రాసెసర్ యూనిట్లు ఒకదానితో ఒకటి అనుసంధానించబడి ఉంటాయి మరియు ఏకకాలంలో పనిచేస్తాయి. పైప్‌లైన్ చేసిన ప్రాసెసర్ నిర్మాణంలో, పూర్ణాంకాలు మరియు ఫ్లోటింగ్ పాయింట్ సూచనల కోసం వేరు చేయబడిన ప్రాసెసింగ్ యూనిట్లు ఉన్నాయి. సీక్వెన్షియల్ ఆర్కిటెక్చర్లో, ఒకే ఫంక్షనల్ యూనిట్ అందించబడుతుంది.

పైప్‌లైన్డ్ ప్రాసెసర్ యూనిట్

పైప్‌లైన్డ్ ప్రాసెసర్ యూనిట్

స్టాటిక్ పైప్‌లైనింగ్‌లో, ప్రాసెసర్ బోధన అవసరంతో సంబంధం లేకుండా పైప్‌లైన్ యొక్క అన్ని దశల ద్వారా సూచనలను పాస్ చేయాలి. డైనమిక్ పైప్‌లైన్ ప్రాసెసర్‌లో, ఒక సూచన దాని అవసరాన్ని బట్టి దశలను దాటవేయగలదు కాని వరుస క్రమంలో కదలాలి. సంక్లిష్టమైన డైనమిక్ పైప్‌లైన్ ప్రాసెసర్‌లో, సూచన దశలను దాటవేయడంతో పాటు దశలను క్రమం తప్పకుండా ఎంచుకోవచ్చు.

RISC ప్రాసెసర్లలో పైప్‌లైనింగ్

అత్యంత ప్రాచుర్యం RISC నిర్మాణం ARM ప్రాసెసర్ 3-దశ మరియు 5-దశల పైప్‌లైనింగ్‌ను అనుసరిస్తుంది. 3-దశల పైప్‌లైనింగ్‌లో దశలు: పొందడం, డీకోడ్ చేయడం మరియు అమలు చేయడం. ఈ పైప్‌లైనింగ్‌కు 3 చక్రాల జాప్యం ఉంది, ఎందుకంటే ఒక వ్యక్తి సూచన 3 గడియార చక్రాలను పూర్తి చేస్తుంది.

ARM 3 దశ పైప్‌లైనింగ్

ARM 3 స్టేజ్ పైప్‌లైనింగ్

పైప్‌లైనింగ్ సరైన అమలు కోసం హార్డ్‌వేర్ నిర్మాణాన్ని కూడా అప్‌గ్రేడ్ చేయాలి. 3 దశల పైప్‌లైనింగ్ కోసం హార్డ్‌వేర్‌లో రిజిస్టర్ బ్యాంక్, ALU, బారెల్ షిఫ్టర్, అడ్రస్ జెనరేటర్, ఇంక్రిమెంటర్, ఇన్‌స్ట్రక్షన్ డీకోడర్ మరియు డేటా రిజిస్టర్‌లు ఉన్నాయి.

ARM 3 స్టేజ్ పైప్‌లైనింగ్ డేటాపాత్

ARM 3 స్టేజ్ పైప్‌లైనింగ్ డేటాపాత్

5 దశల్లో పైప్‌లైనింగ్ దశలు: పొందడం, డీకోడ్, అమలు, బఫర్ / డేటా మరియు తిరిగి వ్రాయండి.

పైప్‌లైనింగ్ ప్రమాదాలు

సాధారణ సూచనలతో పాటు సాధారణ కంప్యూటర్ ప్రోగ్రామ్‌లో, బ్రాంచ్ సూచనలు, ఆపరేషన్లకు అంతరాయం, సూచనలు చదవడం మరియు వ్రాయడం ఉన్నాయి. పైప్‌లైనింగ్ అన్ని రకాల సూచనలకు తగినది కాదు. పైప్‌లైనింగ్‌లో కొన్ని సూచనలు అమలు చేసినప్పుడు అవి పైప్‌లైన్‌ను నిలిపివేయవచ్చు లేదా పూర్తిగా ఫ్లష్ చేయవచ్చు. పైప్‌లైనింగ్ సమయంలో కలిగే ఈ రకమైన సమస్యలను పైప్‌లైనింగ్ హజార్డ్స్ అంటారు.

చాలా కంప్యూటర్ ప్రోగ్రామ్‌లలో, ఒక ఇన్స్ట్రక్షన్ నుండి వచ్చిన ఫలితం మరొక ఇన్స్ట్రక్షన్ ద్వారా ఒపెరాండ్‌గా ఉపయోగించబడుతుంది. పైప్‌లైనింగ్‌లో ఇటువంటి సూచనలు అమలు చేయబడినప్పుడు, బోధన రెండు ఒపెరాండ్‌లను సేకరించడం ప్రారంభించినప్పుడు మొదటి సూచనల ఫలితం అందుబాటులో లేనందున విచ్ఛిన్నం జరుగుతుంది. కాబట్టి, ఇన్స్ట్రక్షన్ ఒకటి అమలు అయ్యే వరకు మరియు ఫలితం ఉత్పత్తి అయ్యే వరకు ఇన్స్ట్రక్షన్ రెండు తప్పక నిలిచిపోతుంది. ఈ రకమైన ప్రమాదాన్ని రీడ్-ఆఫ్టర్-రైట్ పైప్‌లైనింగ్ హజార్డ్ అంటారు.

పైప్‌లైనింగ్ ప్రమాదం వ్రాసిన తర్వాత చదవండి

పైప్‌లైనింగ్ ప్రమాదం వ్రాసిన తర్వాత చదవండి

శాఖ సూచనలను అమలు చేయడం కూడా పైప్‌లైనింగ్ ప్రమాదానికి కారణమవుతుంది. అమలు చేస్తున్నప్పుడు బ్రాంచ్ సూచనలు పైప్‌లైనింగ్‌లో తదుపరి సూచనల దశలను పొందడం.

పైప్‌లైన్ బ్రాంచ్ బిహేవియర్

పైప్‌లైన్ బ్రాంచ్ బిహేవియర్

పైప్‌లైనింగ్ యొక్క ప్రయోజనాలు

  • ఇన్స్ట్రక్షన్ నిర్గమాంశ పెరుగుతుంది.
  • పైప్‌లైన్ దశల సంఖ్య పెరుగుదల ఒకేసారి అమలు చేసే సూచనల సంఖ్యను పెంచుతుంది.
  • పైప్‌లైనింగ్ ఉపయోగించినప్పుడు వేగంగా ALU ను రూపొందించవచ్చు.
  • పైప్లైన్డ్ CPU యొక్క ర్యామ్ కంటే ఎక్కువ గడియార పౌన encies పున్యాల వద్ద పనిచేస్తుంది.
  • పైప్‌లైనింగ్ CPU యొక్క మొత్తం పనితీరును పెంచుతుంది.

పైప్‌లైనింగ్ యొక్క ప్రతికూలతలు

  • పైప్‌లైన్ చేసిన ప్రాసెసర్ రూపకల్పన సంక్లిష్టమైనది.
  • పైప్‌లైన్ చేసిన ప్రాసెసర్‌లలో ఇన్స్ట్రక్షన్ లేటెన్సీ పెరుగుతుంది.
  • పైప్‌లైన్ చేసిన ప్రాసెసర్ యొక్క నిర్గమాంశను to హించడం కష్టం.
  • పైప్‌లైన్ ఎక్కువసేపు, శాఖ సూచనల కోసం ప్రమాదం సమస్య మరింత తీవ్రమవుతుంది.

పైప్‌లైనింగ్ అమలు కోసం ఒకే విధమైన దశలను అనుసరించే అన్ని సూచనలకు ప్రయోజనం చేకూరుస్తుంది. సంక్లిష్ట సూచనలను కలిగి ఉన్న ప్రాసెసర్‌లు, ప్రతి బోధన మరొకదానికి భిన్నంగా ప్రవర్తిస్తుంది. పైప్లైన్ యొక్క 3 లేదా 5 దశలతో ప్రాసెసర్లు సహేతుకమైన పనిముట్లను కలిగి ఉంటాయి ఎందుకంటే పైప్లైన్ యొక్క లోతు పెరిగేకొద్దీ దానికి సంబంధించిన ప్రమాదాలు పెరుగుతాయి. పైప్‌లైన్ చేసిన కొన్ని ప్రాసెసర్‌లను వాటి పైప్‌లైన్ దశతో పేరు పెట్టండి?