Potokowość w procesorach
Potokowość to technika budowy procesorów, w której logika odpowiedzialna za wykonanie programów jest podzielona na specjalizowane grupy. Każda z grup wykonuje część pracy związanej z realizacją rozkazu. Grupy są połączone sekwencyjnie, tworząc potok, dzięki czemu mogą pracować równocześnie, przetwarzając dane od poprzednich elementów w sekwencji.
Etapy potoku
Potok wykonania instrukcji procesora zazwyczaj składa się z pięciu głównych etapów:
- Pobranie instrukcji z pamięci (Instruction Fetch – IF)
- Zdekodowanie instrukcji (Instruction Decode – ID)
- Wykonanie instrukcji (Execute – EX)
- Dostęp do pamięci (Memory Access – MEM)
- Zapisanie wyników (Write Back – WB)
Przejście przez wszystkie etapy potoku dla jednej instrukcji zajmuje co najmniej pięć cykli zegarowych. Jednak dzięki równoległemu działaniu wszystkich etapów, procesor może jednocześnie realizować pięć różnych rozkazów, co pozwala na efektywniejsze wykorzystanie cykli zegarowych.
Zalety i wady potokowości
Główne zalety potokowości to:
- Wyższa częstotliwość pracy dzięki podziałowi zadań.
- Możliwość jednoczesnego wykonywania wielu instrukcji.
Jednak technika ta ma również swoje ograniczenia, w szczególności w kontekście rozkazów skoku. Rozkazy te mogą prowadzić do konieczności przeczyszczenia potoku, co skutkuje opóźnieniami w wykonaniu programu. Im dłuższy potok, tym większe opóźnienia mogą wystąpić.
W architekturach takich jak x86, rozkazy skoku występują średnio co kilkanaście instrukcji, co czyni je istotnym problemem. W odpowiedzi na te wyzwania niektóre architektury, jak SPARC, wprowadziły mechanizmy skoku opóźnionego, a także techniki predykcji skoku oraz programowanie bez skoków, aby zminimalizować negatywne skutki.
