ما هو تنفيذ خارج النظام؟

أجهزة الكمبيوتر هي آلات معقدة ليس بها جزء أكثر تعقيدًا من وحدة المعالجة المركزية. على مستوى نظرة عامة أساسية ، يبدو أن وحدة المعالجة المركزية يجب أن تكون بسيطة نسبيًا. يأخذ سلسلة من الأوامر ، ويعالجها ، ثم يخرج البيانات. هذا يحمل القليل من التشابه مع الأعمال الفعلية لوحدات المعالجة المركزية الحديثة.

من دون عددي إلى عددي فائق

كانت وحدات المعالجة المركزية المبكرة تمامًا كما كنت تتوقع. أخذوا التعليمات بشكل فردي ، بالترتيب الذي أُعطي لهم ، وعالجوها حتى إكمالها ، ثم انتقلوا إلى التعليمات التالية. كانت وحدات المعالجة المركزية من هذا النوع فرعية ، قادرة على إكمال أقل من تعليمة واحدة لكل دورة على مدار الساعة. حدد مصممو وحدة المعالجة المركزية أن هناك العديد من المراحل المختلفة لإكمال التعليمات. كل مرحلة من هذه المراحل تتطلب أجهزة مختلفة. هذا يعني أنه عند تشغيل تعليمة واحدة من خلال التسلسل الكامل في كل مرة ، فإن بعض أجزاء الجهاز تظل خامدة. في أي نوع من المعالجات ، تكون الأجهزة الخاملة أجهزة عديمة الفائدة.

للاستفادة من هذا الجهاز الخامل ، تم تحديث تصميمات وحدة المعالجة المركزية لاستخدام نهج خط الأنابيب. أدى هذا إلى فصل الأجهزة لكل مرحلة ولكنه سمح باستخدامها جميعًا في نفس الوقت من خلال سلسلة من التعليمات. بينما لا يزال الأمر يستغرق بضع دورات لكل تعليمة للمرور عبر خط الأنابيب ، فإن الإنتاجية الإجمالية كانت تعليمة واحدة لكل دورة. هذا جعل وحدات المعالجة المركزية (CPU) عددية.

لتكون قادرة على فعل المزيد ، يجب أن تكون المعالجات فائقة الحجم. لتحقيق ذلك ، تم تنفيذ عدة خطوط أنابيب متوازية.

تغذية خطوط الأنابيب بالبيانات

عادةً ما تكون مشكلة الأداء الرئيسية مع أجهزة الكمبيوتر هي زمن انتقال الذاكرة. تعمل العديد من التعليمات على البيانات ، ولذلك يجب أن تكون البيانات متاحة حتى يتم تنفيذ التعليمات. السؤال هو ، ماذا تفعل إذا احتجت إلى انتظار تلك البيانات لأنها غير متاحة على الفور؟ تقليديا ، كان الجواب هو المماطلة والانتظار حتى تصبح متاحة. هذا يترك خط الأنابيب بأكمله فارغًا ، وربما لمئات من دورات وحدة المعالجة المركزية. تزداد الأمور سوءًا عندما تحتاج تعليمات في خطوط أنابيب متوازية إلى انتظار الذاكرة ، لأن الأول سيعيق حتى طلب بيانات الثانية. بينما يمكن أن تساعد ذاكرة التخزين المؤقت لوحدة المعالجة المركزية في معالجة هذه المشكلة ، إلا أنها لا تزال غير قادرة على إصلاحها. كانت هناك حاجة إلى نموذج جديد لحلها. كان هذا التحول النموذجي خارج نطاق التنفيذ أو OOO.

المرحلة الأولى من خط الأنابيب هي فك التعليمات. وهذا يعني تحديد ما يجب القيام به ، والتحقق من توفر البيانات اللازمة للعملية. في وحدة المعالجة المركزية (CPU) ، تتم إضافة التعليمات التي تم فك ترميزها إلى قائمة الانتظار. تتم إزالتها فقط من قائمة الانتظار وتتم معالجتها فعليًا عند توفر البيانات التي يحتاجونها. بشكل حاسم ، لا يهم الترتيب الذي تمت إضافة التعليمات إليه إلى قائمة الانتظار. إذا كانت هناك تعليمات مبكرة تنتظر البيانات ، فيمكن لإرشادات أحدث تخطيها إذا كانت جاهزة للعمل. يمكن لمعالجات OOO إعادة ترتيب التعليمات التي من المفترض معالجتها بناءً على قائمة انتظار التعليمات القادمة وأي منها جاهز للتنفيذ.

التبعيات الحرجة

تفترض هذه العملية شيئين. بادئ ذي بدء ، من الممكن تحديد التبعيات الحقيقية والتعامل معها بشكل موثوق. ثانيًا ، يمكنك التعامل مع التبعيات الخاطئة وتحديدها بشكل موثوق. ماهو الفرق؟ حسنًا ، التبعية الحقيقية هي التبعية التي لا يمكن تخفيفها على الإطلاق في نظام OOO. أسهل مثال على ذلك هو القراءة بعد الكتابة. إذا كان لديك تعليمة واحدة من المفترض أن تكتب بعض البيانات وأخرى من المفترض أن تقرأ تلك البيانات بعد ذلك ، فلا توجد طريقة لتكون قادرًا على إعادة ترتيب تلك التعليمات. يجب إكمالها بالترتيب الذي تم تقديمها به ، أو ستحصل على بيانات غير منطقية.

التبعية الخاطئة هي التي يمكن إخفاؤها بخدعة ذكية أخرى. لنأخذ مثال الكتابة بعد القراءة. للوهلة الأولى ، قد تعتقد أنه لا يمكنك الكتابة فوق البيانات قبل قراءتها. لكن الأمور ليست بهذه البساطة. ماذا لو كان لديك مكان آخر يمكنك كتابة البيانات الجديدة ، وبعد ذلك يمكنك فقط تبديل البيانات الجديدة والقديمة بمجرد قراءة البيانات القديمة؟ هذه هي عملية إعادة تسمية السجل وهي ضرورية لمعالجة OOO.

بشكل نموذجي ، تحدد مجموعة التعليمات عددًا محددًا من السجلات المعمارية المستخدمة في النظام. لا يمكنك حرفيا معالجة أي شخص آخر. ولكن ماذا لو فعلت سجلات الإفراط في توفير؟ يمكنك فقط إخفاؤها في معظم الأحيان ، واستخدامها لتخزين البيانات التي لم يكن من المفترض معالجتها بعد ، ثم قم ببساطة بتبديل تسميات السجلات المخفية والمعمارية عندما يكون المخطط الزمني صحيحًا مرة أخرى. في أي وقت ، هناك المقدار الصحيح من السجلات المعمارية ، فهي ليست بالضرورة دائمًا في نفس المكان. إن القياس في العالم الحقيقي سيكون منضدة ساخنة.

خاتمة

التنفيذ خارج الطلب هو نموذج معالجة حيث يمكن إعادة ترتيب التعليمات ديناميكيًا في وقت التنفيذ بواسطة وحدة المعالجة المركزية. يتم ذلك على أساس أقدم التعليمات الصادرة التي تحتوي على بيانات متاحة. هذا يعني أن التعليمات التي يتم تحميلها في خط الأنابيب تكون دائمًا جاهزة للتنفيذ ولا توجد تأخيرات أثناء انتظار البيانات. بالطبع ، من الضروري أن يكون لديك قائمة انتظار طويلة بما يكفي بحيث لا يتم ملؤها بالتعليمات في انتظار البيانات ولكن هذا يمثل تحديًا للتنفيذ. يعتمد تنفيذ OOO على إعادة تسمية السجل لإخفاء التبعيات الزائفة. حتى إذا تم تنفيذ هذه التعليمات فعليًا خارج الترتيب ، تتم إعادة تسمية السجلات بطريقة تخفي هذه الحقيقة عن باقي أجهزة الكمبيوتر.