सुपरस्केलर प्रोसेसर: आर्किटेक्चर, पाइपलाइनिंग, प्रकार और इसके अनुप्रयोग

इस दुनिया में हर कोई अपना काम/काम जल्दी करना चाहता है। है न ? कारों से लेकर औद्योगिक और घरेलू मशीनों तक हर कोई चाहता है कि वे तेजी से काम करें। क्या आप जानते हैं कि इन मशीनों के अंदर क्या है जो उन्हें काम करने के लिए मजबूर कर रहा है? वे हैं प्रोसेसर . कार्यक्षमता के आधार पर वे माइक्रो या मैक्रो प्रोसेसर हो सकते हैं। मूल प्रोसेसर सामान्य रूप से प्रति घड़ी चक्र में एक निर्देश निष्पादित करता है। अपनी प्रोसेसिंग स्पीड को बेहतर बनाने के लिए मशीनें अपनी स्पीड को बेहतर करने के लिए अस्तित्व में आई हैं सुपरस्केलर प्रोसेसर जिसमें पाइपलाइनिंग एल्गोरिदम है जो इसे प्रति घड़ी चक्र में दो निर्देशों को निष्पादित करने में सक्षम बनाता है। यह पहली बार सीमोर क्रे के सीडीसी 6600 द्वारा 1964 में आविष्कार किया गया था और बाद में 1970 में तजादेन और फ्लिन द्वारा बढ़ाया गया था।

पहला वाणिज्यिक सिंगल-चिप सुपरस्क्लेर माइक्रोप्रोसेसर MC88100 मोटोरोला द्वारा 1988 में विकसित किया गया था, बाद में Intel ने 1989 में अपना संस्करण I960CA और 1990 में AMD 29000-श्रृंखला 29050 पेश किया।  वर्तमान में, विशिष्ट सुपरस्क्लेर प्रोसेसर का उपयोग Intel Core i7 प्रोसेसर पर निर्भर करता है नेहलेम माइक्रोआर्किटेक्चर।

हालांकि, सुपरस्केलर के कार्यान्वयन जटिलता को बढ़ाने की ओर बढ़ रहे हैं। इन प्रोसेसरों का डिज़ाइन आम तौर पर उन विधियों के एक सेट को संदर्भित करता है जो एक कंप्यूटर के सीपीयू को एकल अनुक्रमिक प्रोग्राम निष्पादित करते समय प्रत्येक चक्र के लिए उपरोक्त एक निर्देश के थ्रूपुट प्राप्त करने की अनुमति देता है। आइए इस लेख में सुपरस्क्लेरप्रोसेसर आर्किटेक्चर देखें जो इसके निष्पादन समय और इसके अनुप्रयोगों को कम करता है।

सुपरस्केलर प्रोसेसर क्या है?

एक प्रकार का माइक्रोप्रोसेसर जिसका उपयोग एक प्रकार के समानांतरवाद को लागू करने के लिए किया जाता है, जिसे एकल प्रोसेसर में निर्देश-स्तर समानांतरवाद के रूप में जाना जाता है, प्रोसेसर पर विशेष निष्पादन इकाइयों को एक साथ विभिन्न निर्देश भेजकर CLK चक्र के दौरान एक से अधिक निर्देश निष्पादित करता है। ए स्केलर प्रोसेसर प्रत्येक घड़ी चक्र के लिए एकल निर्देश निष्पादित करता है; एक सुपरस्केलर प्रोसेसर घड़ी चक्र के दौरान एक से अधिक निर्देश निष्पादित कर सकता है।

सुपरस्क्लेर की डिजाइन तकनीकों में आम तौर पर समानांतर रजिस्टर का नाम बदलना, समानांतर निर्देश डिकोडिंग, आउट-ऑफ-ऑर्डर निष्पादन और सट्टा निष्पादन शामिल हैं। इसलिए इन विधियों का उपयोग आम तौर पर माइक्रोप्रोसेसरों के वर्तमान डिजाइनों के भीतर पाइपलाइनिंग, शाखा भविष्यवाणी, कैशिंग और मल्टी-कोर जैसे डिज़ाइन विधियों के पूरक के साथ किया जाता है।

विशेषताएं

सुपरस्केलर प्रोसेसर की विशेषताओं में निम्नलिखित शामिल हैं।

• सुपरस्क्लेर आर्किटेक्चर एक समानांतर कंप्यूटिंग तकनीक है जिसका उपयोग विभिन्न प्रोसेसरों में किया जाता है।
• एक सुपरस्केलर कंप्यूटर में, सीपीयू एक घड़ी चक्र के दौरान एक साथ कई निर्देश करने के लिए कई निर्देश पाइपलाइनों का प्रबंधन करता है।
• सुपरस्केलर आर्किटेक्चर में सभी शामिल हैं पाइपलाइनिंग सुविधाएँ हालांकि एक ही पाइपलाइन के भीतर एक साथ कई निर्देश निष्पादित कर रहे हैं।
• सुपरस्केलर डिजाइन विधियों में आम तौर पर समानांतर रजिस्टर का नाम बदलना, समानांतर निर्देश डिकोडिंग, सट्टा निष्पादन और आउट-ऑफ-ऑर्डर निष्पादन शामिल होता है। इसलिए, इन विधियों का उपयोग आम तौर पर हालिया माइक्रोप्रोसेसर डिज़ाइनों में कैशिंग, पाइपलाइनिंग, शाखा भविष्यवाणी और मल्टी-कोर जैसे डिज़ाइन विधियों के पूरक के साथ किया जाता है।

सुपरस्केलर प्रोसेसर आर्किटेक्चर

हम जानते हैं कि एक सुपरस्केलर प्रोसेसर एक सीपीयू है जो प्रत्येक सीएलके चक्र के लिए एक निर्देश से ऊपर निष्पादित करता है क्योंकि प्रसंस्करण गति को प्रत्येक सेकंड के लिए सीएलके चक्रों में मापा जाता है। स्केलर प्रोसेसर की तुलना में यह प्रोसेसर काफी तेज होता है।

Superscalar प्रोसेसर आर्किटेक्चर में मुख्य रूप से समानांतर निष्पादन इकाइयाँ शामिल हैं जहाँ ये इकाइयाँ एक साथ निर्देशों को लागू कर सकती हैं। तो सबसे पहले, यह समानांतर आर्किटेक्चर एक आरआईएससी प्रोसेसर के भीतर लागू किया गया था जो गणनाओं को निष्पादित करने के लिए सरल और संक्षिप्त निर्देशों का उपयोग करता है। तो उनकी सुपरस्क्लेयर क्षमताओं के कारण, सामान्य रूप से जोखिम समान मेगाहर्ट्ज़ पर चलने वाले CISC प्रोसेसर की तुलना में प्रोसेसर ने बेहतर प्रदर्शन किया है। लेकिन अधिकतर सीआईएससी इंटेल पेंटियम जैसे प्रोसेसर में अब कुछ आरआईएससी आर्किटेक्चर भी शामिल हैं, जो उन्हें समानांतर में निर्देश देने की अनुमति देता है।

प्रत्येक प्रसंस्करण चरण में समानांतर में विभिन्न निर्देशों को संभालने के लिए सुपरस्केलर प्रोसेसर कई प्रसंस्करण इकाइयों से लैस है। उपरोक्त आर्किटेक्चर का उपयोग करके, कई निर्देश समान घड़ी चक्र के भीतर निष्पादन प्रारंभ करते हैं। ये प्रोसेसर प्रत्येक चक्र के लिए उपरोक्त एक निर्देश का एक निर्देश निष्पादन आउटपुट प्राप्त करने में सक्षम हैं।

उपरोक्त आर्किटेक्चर आरेख में, एक प्रोसेसर का उपयोग दो निष्पादन इकाइयों के साथ किया जाता है जहां एक का उपयोग पूर्णांक के लिए किया जाता है और दूसरे का उपयोग फ्लोटिंग पॉइंट के संचालन के लिए किया जाता है। इंस्ट्रक्शन फ़ेच यूनिट (IFU) एक समय में निर्देशों को पढ़ने में सक्षम है और उन्हें निर्देश कतार में संग्रहीत करता है। प्रत्येक चक्र में, डिस्पैच यूनिट कतार के सामने से 2 निर्देशों को प्राप्त और डिकोड करती है। यदि एक एकल पूर्णांक, एकल फ़्लोटिंग पॉइंट निर्देश और कोई खतरा नहीं है, तो दोनों निर्देश एक समान घड़ी चक्र के भीतर भेजे जाते हैं।

पाइपलाइनिंग

पाइपलाइनिंग कार्यों को उप-चरणों में तोड़ने और उन्हें विभिन्न प्रोसेसर भागों में निष्पादित करने की प्रक्रिया है। निम्नलिखित सुपरस्केलर पाइपलाइन में, प्रति चक्र अधिकतम 2 निर्देशों को पूरा करने के लिए एक समय में दो निर्देश प्राप्त और प्रेषित किए जा सकते हैं। स्केलर प्रोसेसर और सुपरस्केलर प्रोसेसर में पाइपलाइनिंग आर्किटेक्चर नीचे दिखाया गया है।

सुपरस्केलर प्रोसेसर में निर्देश अनुक्रमिक निर्देश धारा से जारी किए जाते हैं। इसे प्रत्येक घड़ी चक्र के लिए कई निर्देशों की अनुमति देनी चाहिए और सीपीयू को निर्देशों के बीच डेटा निर्भरता के लिए गतिशील रूप से जांच करनी चाहिए।

नीचे पाइपलाइन आर्किटेक्चर में, एफ लाया गया है, डी डीकोड किया गया है, ई निष्पादित किया गया है और डब्ल्यू रजिस्टर राइट-बैक है। इस पाइपलाइन आर्किटेक्चर में, I1, I2, I3 और I4 निर्देश हैं।

स्केलर प्रोसेसर पाइपलाइन आर्किटेक्चर में एक एकल पाइपलाइन और चार चरणों को शामिल करना, डीकोड करना, निष्पादित करना और परिणाम वापस लिखना शामिल है। एकल पाइपलाइन स्केलर प्रोसेसर में, निर्देश1 (I1) में पाइपलाइन के रूप में कार्य करता है; पहली क्लॉक अवधि में I1 प्राप्त करेगा, दूसरी क्लॉक अवधि में यह डिकोड होगा और दूसरे निर्देश में, I2 प्राप्त करेगा। तीसरी घड़ी की अवधि में तीसरा निर्देश I3 लाएगा, I2 डिकोड करेगा और I1 निष्पादित करेगा। चौथी घड़ी की अवधि में, I4 प्राप्त करेगा, I3 डिकोड करेगा, I2 निष्पादित करेगा और I1 मेमोरी में लिखेगा। इसलिए, सात क्लॉक पीरियड्स में, यह एक ही पाइपलाइन में 4 निर्देशों को निष्पादित करेगा।

सुपरस्केलर प्रोसेसर पाइपलाइन आर्किटेक्चर में दो पाइपलाइन और चार चरण शामिल हैं, डिकोड, निष्पादित और परिणाम वापस लिखें। यह एक 2-अंक वाला सुपरस्केलर प्रोसेसर है, जिसका अर्थ है कि एक समय में दो निर्देश प्राप्त होंगे, डीकोड होंगे, निष्पादित होंगे और परिणाम वापस लिखेंगे। दो निर्देश I1 और I2 एक समय में प्रत्येक घड़ी अवधि में लाने, डिकोड करने, निष्पादित करने और वापस लिखने के लिए होंगे। इसके साथ ही अगली घड़ी की अवधि में, शेष दो निर्देश I3 और I4 एक समय में प्राप्त करेंगे, डीकोड करेंगे, निष्पादित करेंगे और वापस लिखेंगे। इसलिए, पांच क्लॉक अवधियों में, यह एक ही पाइपलाइन में 4 निर्देशों को निष्पादित करेगा।

इस प्रकार, एक स्केलर प्रोसेसर प्रति घड़ी चक्र में एकल निर्देश जारी करता है और प्रति घड़ी चक्र में एक एकल पाइपलाइन चरण करता है जबकि एक सुपरस्क्लेर प्रोसेसर, प्रति घड़ी चक्र में दो निर्देश जारी करता है और यह समानांतर में प्रत्येक चरण के दो उदाहरणों को निष्पादित करता है। तो एक स्केलर प्रोसेसर में निर्देश निष्पादन में अधिक समय लगता है जबकि एक सुपरस्केलर में निर्देशों को निष्पादित करने में कम समय लगता है .

सुपरस्केलर प्रोसेसर के प्रकार

ये बाजार में उपलब्ध विभिन्न प्रकार के सुपरस्क्लेर प्रोसेसर हैं जिनकी चर्चा नीचे की गई है।

इंटेल कोर i7 प्रोसेसर

इंटेल कोर i7 एक सुपरस्केलर प्रोसेसर है जो नेहलेम माइक्रो-आर्किटेक्चर पर आधारित है। कोर i7 डिजाइन में, विभिन्न प्रोसेसर कोर होते हैं जहां प्रत्येक प्रोसेसर कोर एक सुपरस्केलर प्रोसेसर होता है। यह उपभोक्ता-अंत के कंप्यूटर और उपकरणों में उपयोग किए जाने वाले Intel प्रोसेसर का सबसे तेज़ संस्करण है। Intel Corei5 के समान, यह प्रोसेसर Intel Turbo Boost Technology में एम्बेडेड है। यह प्रोसेसर 2 से 6 वैरायटी में उपलब्ध है जो एक बार में 12 अलग-अलग थ्रेड्स को सपोर्ट करता है।

इंटेल पेंटियम प्रोसेसर

इंटेल पेंटियम प्रोसेसर सुपरस्केलर पाइपलाइन आर्किटेक्चर का मतलब है कि सीपीयू प्रत्येक चक्र के लिए कम से कम दो या ऊपर के निर्देशों को निष्पादित करता है। यह प्रोसेसर पर्सनल कंप्यूटर में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इंटेल पेंटियम प्रोसेसर डिवाइस आम तौर पर ऑनलाइन उपयोग, क्लाउड कंप्यूटिंग और सहयोग के लिए बनाए जाते हैं। इसलिए यह प्रोसेसर मजबूत स्थानीय प्रदर्शन और कुशल ऑनलाइन इंटरैक्शन प्रदान करने के लिए टैबलेट और क्रोमबुक के लिए पूरी तरह से काम करता है।

आईबीएम पावर PC601

IBM power PC601 जैसा सुपरस्केलर प्रोसेसर RISC माइक्रोप्रोसेसरों के PowerPC के परिवार से है। यह प्रोसेसर प्रत्येक घड़ी के लिए तीन निर्देश जारी करने और तीन निष्पादन इकाइयों में से प्रत्येक के लिए एक को जारी करने में सक्षम है। बेहतर प्रदर्शन के लिए निर्देश पूरी तरह से अनुपयुक्त हैं; लेकिन, PC601 निष्पादन को क्रम में उभर कर लाएगा।

पावर PC601 प्रोसेसर 32-बिट तार्किक पते, 8, 16 और 32 बिट पूर्णांक डेटा प्रकार और 32 और 64 बिट फ़्लोटिंग-पॉइंट डेटा प्रकार प्रदान करता है। 64-बिट पावरपीसी के कार्यान्वयन के लिए, इस प्रोसेसर का आर्किटेक्चर 64-बिट आधारित पूर्णांक डेटा प्रकार, एड्रेसिंग और 64-बिट आधारित आर्किटेक्चर को पूरा करने के लिए आवश्यक अन्य सुविधाएं प्रदान करता है।

एमसी 88110

MC 88110 एक सिंगल-चिप, दूसरी पीढ़ी का RISC माइक्रोप्रोसेसर है जो निर्देश-स्तर समानता का फायदा उठाने के लिए उन्नत तरीकों का उपयोग करता है। यह प्रोसेसर अधिकतम प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए कई ऑन-चिप कैश, सुपरस्क्लेर इंस्ट्रक्शन इश्यू, सीमित डायनेमिक इंस्ट्रक्शन की रिकॉर्डिंग और सट्टा निष्पादन का उपयोग करता है, इसलिए इसे कम लागत वाले पीसी और वर्कस्टेशन के भीतर एक केंद्रीय प्रोसेसर के रूप में उपयोग किया जाता है।

इंटेल i960

Intel i960 एक सुपरस्केलर प्रोसेसर है जो प्रत्येक प्रोसेसर क्लॉक साइकिल के दौरान विभिन्न स्वतंत्र निर्देशों को निष्पादित करने और भेजने में सक्षम है। यह एक आरआईएससी-आधारित माइक्रोप्रोसेसर है जो 1990 के दशक की शुरुआत में एम्बेडेड माइक्रोकंट्रोलर के रूप में बहुत प्रसिद्ध हुआ। कुछ सैन्य अनुप्रयोगों में इस प्रोसेसर का लगातार उपयोग किया जाता है।

एमआईपीएस आर

MIPS R एक गतिशील और सुपरस्केलर माइक्रोप्रोसेसर है जिसका उपयोग 64-बिट MIPS 4-निर्देश सेट आर्किटेक्चर को निष्पादित करने के लिए किया जाता है। यह प्रोसेसर प्रत्येक चक्र के लिए 4 निर्देश प्राप्त करता है और डिकोड करता है और उन्हें पांच पूरी तरह से पाइपलाइन और कम-विलंबता निष्पादन इकाइयों को जारी करता है। यह प्रोसेसर विशेष रूप से उच्च-प्रदर्शन, बड़े और वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए खराब मेमोरी इलाके के लिए डिज़ाइन किया गया है। अनुमानित निष्पादन के साथ, यह केवल स्मृति पतों की गणना करता है। एमआईपीएस प्रोसेसर मुख्य रूप से निंटेंडो गेमक्यूब, एसजीआई की उत्पाद लाइन, सोनी प्लेस्टेशन 2, पीएसपी और सिस्को राउटर जैसे विभिन्न उपकरणों में उपयोग किए जाते हैं।

अंतर बी / डब्ल्यू सुपरस्केलर बनाम पाइपलाइनिंग

सुपरस्केलर और पाइपलाइनिंग के बीच के अंतर पर नीचे चर्चा की गई है।

विशेषताएँ

सुपरस्केलर प्रोसेसर विशेषताओं निम्नलिखित को शामिल कीजिए।

• एक सुपरस्केलर प्रोसेसर एक सुपर-पाइपलाइन वाला मॉडल है जहां बिना किसी प्रतीक्षा स्थिति के केवल स्वतंत्र निर्देशों को क्रमिक रूप से निष्पादित किया जाता है।
• एक सुपरस्केलर प्रोसेसर आने वाले निर्देश स्ट्रीम के कई निर्देशों को एक बार में प्राप्त करता है और डीकोड करता है।
• सुपरस्केलर प्रोसेसर का आर्किटेक्चर इंस्ट्रक्शन-लेवल पैरेललिज्म की क्षमता का फायदा उठाता है।
• Superscalar प्रोसेसर मुख्य रूप से प्रत्येक चक्र के लिए उपरोक्त एकल निर्देश जारी करते हैं।
• नहीं। जारी किए गए निर्देशों की संख्या मुख्य रूप से निर्देश स्ट्रीम के निर्देशों पर निर्भर करती है।
• प्रोसेसर के आर्किटेक्चर को बेहतर ढंग से फिट करने के लिए निर्देशों को बार-बार पुनर्व्यवस्थित किया जाता है।
• सुपरस्केलर विधि आमतौर पर कुछ पहचानने वाली विशेषताओं से जुड़ी होती है। निर्देश आम तौर पर अनुक्रमिक निर्देश धारा से जारी किए जाते हैं।
• सीपीयू रन टाइम पर निर्देशों के बीच डेटा निर्भरता के लिए गतिशील रूप से जांच करता है।
• सीपीयू प्रत्येक घड़ी चक्र के लिए कई निर्देश निष्पादित करता है।

फायदे और नुकसान

सुपरस्केलर प्रोसेसर के फायदे निम्नलिखित को शामिल कीजिए।

• एक सुपरस्केलर प्रोसेसर एक प्रोसेसर में निर्देश-स्तर समांतरता लागू करता है।
• ये प्रोसेसर केवल किसी भी निर्देश सेट को करने के लिए बनाए जाते हैं।
• आउट-ऑफ-ऑर्डर निष्पादन शाखा भविष्यवाणी और सट्टा निष्पादन सहित सुपरस्केलर प्रोसेसर कई बुनियादी ब्लॉकों और लूप पुनरावृत्तियों के ऊपर समानता पा सकता है।

सुपरस्केलर प्रोसेसर के नुकसान निम्नलिखित को शामिल कीजिए।

• पावर उपयोग के कारण छोटे एम्बेडेड सिस्टम में सुपरस्केलर प्रोसेसर का अधिक उपयोग नहीं किया जाता है।
• इस आर्किटेक्चर में शेड्यूलिंग की समस्या हो सकती है।
• Superscalar प्रोसेसर हार्डवेयर की डिजाइनिंग में जटिलता स्तर को बढ़ाता है।
• इस प्रोसेसर में निर्देश केवल उनके अनुक्रमिक प्रोग्राम क्रम के आधार पर प्राप्त किए जाते हैं लेकिन यह सबसे अच्छा निष्पादन क्रम नहीं है।

Superscalar प्रोसेसर अनुप्रयोग

सुपरस्क्लेर प्रोसेसर के अनुप्रयोगों में निम्नलिखित शामिल हैं।

• सुपरस्केलर निष्पादन का उपयोग अक्सर लैपटॉप या डेस्कटॉप द्वारा किया जाता है। यह प्रोसेसर निर्देशों के सेट को खोजने के लिए निष्पादन में प्रोग्राम को स्कैन करता है जिसे एक के रूप में निष्पादित किया जा सकता है।
• एक सुपरस्केलर प्रोसेसर में विभिन्न डेटा पथ हार्डवेयर प्रतियां शामिल होती हैं जो एक ही बार में विभिन्न निर्देशों को निष्पादित करती हैं।
• यह प्रोसेसर मुख्य रूप से एक अनुक्रमिक कार्यक्रम के लिए प्रत्येक घड़ी चक्र के लिए उपरोक्त एक निर्देश की कार्यान्वयन गति उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

इस प्रकार, यह सब के बारे में है सुपरस्केलर प्रोसेसर का अवलोकन - वास्तुकला, प्रकार और अनुप्रयोग। यहां आपके लिए एक प्रश्न है कि स्केलर प्रोसेसर क्या है?