Interested Article - Внеочередное исполнение

Внеочередное исполнение ( англ. out-of-order execution ) машинных инструкций — исполнение машинных инструкций не в порядке следования в машинном коде (как было при выполнении инструкций по порядку ( англ. in-order execution )), а в порядке готовности к выполнению. Реализуется с целью повышения производительности вычислительных устройств.

Среди широко известных машин впервые в существенной мере реализована в машинах CDC 6600 компании Control Data и IBM System/360 Model 91 компании IBM .

Описание и сравнение

Классическое поочерёдное выполнение

При выполнении инструкций по порядку ( англ. in-order ) осуществляются следующие действия:

считывание инструкции;
остановка процессора в ожидании для загрузки операндов инструкции;
передача инструкции на выполнение соответствующему исполнительному модулю;
выполнение инструкции соответствующим модулем;
запись результата выполнения инструкции модулем в регистровую ячейку.

Внеочередное выполнение

При выполнении инструкций не по порядку ( англ. out-of-order ) осуществляются следующие действия:

считывание инструкции;
помещение инструкции в очередь I (называемую англ. instruction queue , instruction buffer или reservation stations );
ожидание, пока операнды любой инструкции, находящейся в очереди I, станут доступны;
передача инструкции, операнды которой доступны, на выполнение соответствующему исполнительному модулю;
выполнение инструкции соответствующим модулем;
запись результата выполнения инструкции модулем в очередь II;
извлечение из очереди II результатов выполнения тех инструкций, перед которыми в очереди I не осталось невыполненных инструкций, и запись результатов в регистровый файл; удаление таких инструкций из очереди I.

Особенности и внутренняя работа

Особенности внеочередного исполнения:

раньше других может быть выполнена инструкция, операнды которой будут готовы раньше операндов других инструкций;
инструкция, поставленная в очередь I позже, может быть выполнена раньше;
время простоя, вызванное ожиданием готовности операндов инструкций, уменьшается (по сравнению с процессором, выполняющим инструкции по порядку) за счёт ожидания готовности операндов нескольких инструкций;
за счёт использования очереди II запись результатов в регистровый файл осуществляется в порядке следования инструкций в машинном коде (создаётся видимость выполнения инструкций по порядку).

Основная идея внеочередного выполнения заключается в возможности избежать простоя процессора в тех случаях, когда данные, необходимые для выполнения очередной инструкции, недоступны. Как можно видеть выше, процессор избегает простоев, которые возникают в пункте 2 для очередного выполнения инструкций в случае, когда инструкция не может быть выполнена из-за недоступности её операндов.

Процессор с внеочередным выполнением кода выполняет те инструкции, операнды которых готовы, вне зависимости от порядка следования инструкций в коде программы. Инструкции выполняются не в порядке их следования в коде программы, а в порядке доступности данных в регистрах процессора. С помощью очереди II процессор записывает результаты выполнения инструкций так, чтобы создавалась видимость нормального, очередного выполнения.

Оценка эффективности

Внеочередное выполнение тем эффективнее, чем длиннее конвейер процессора , и чем больше разница между скоростью работы памяти ( оперативной или кэшем ) и скоростью работы процессора. В современных ^{[

когда?

]} компьютерах процессоры работают намного быстрее памяти , поэтому во время ожидания поступления данных процессор может выполнить множество инструкций, операнды которых доступны.